JWT（JSON Web Tokens）入门与Java实践

一、JWT简介

在现代Web应用中，身份验证和授权是确保系统安全性的关键环节。JSON Web Tokens（JWT）是一种开放标准（RFC 7519），它定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在网络之间安全地传输信息。JWT可以被用作身份验证和授权的一种手段，允许双方之间安全地交换信息。

二、JWT的组成

JWT由三部分组成：Header（头部）、Payload（负载）和Signature（签名），这三部分通过点（.）分隔。

1. Header（头部）：通常包含两部分信息：令牌的类型（即JWT）和使用的签名算法，例如HMAC SHA256或RSA。这些信息以JSON形式表示，并被Base64Url编码。

示例：

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

2. Payload（负载）：包含了一些声明（Claims），这些声明是关于实体（通常是用户）和附加的元数据。标准中定义了三种类型的声明：Registered、Public和Private claims。Registered claims是一组预定义好的声明，如iss（签发者）、exp（过期时间）等。负载信息也是JSON格式，同样被Base64Url编码。

示例：

{
  "sub": "user123",
  "admin": true,
  "exp": 1516239022
}

3. Signature（签名）：签名部分用于验证消息的完整性和真实性。它是通过将Header和Payload部分使用Header中指定的算法加上一个密钥进行签名得到的。签名可以防止JWT在传输过程中被篡改。

三、JWT的工作流程

1. 用户使用用户名和密码向服务器发送登录请求。
2. 服务器验证用户信息，如果验证通过，则根据用户信息生成一个JWT，并将其返回给客户端。
3. 客户端收到JWT后，可以将其存储在localStorage、cookie或其他客户端存储中，以便后续请求使用。
4. 在之后的每次请求中，客户端需要将JWT放在HTTP请求头中的Authorization字段里发送给服务器。通常，这是通过在Authorization字段中添加“Bearer ”前缀来实现的，如“Authorization: Bearer ”。
5. 服务器接收到请求后，会验证JWT的有效性和完整性。如果验证通过，则服务器会处理该请求；否则，服务器会返回错误响应。

四、Java中使用JWT

在Java中，有多个库可以帮助我们处理JWT，比如jjwt。下面是一个简单的例子，展示如何使用Java生成和验证JWT。

1. 添加依赖

首先，你需要在项目的pom.xml中添加jjwt库的依赖（如果你使用的是Maven）：

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.1</version> <!-- 请检查是否有更新的版本 -->
</dependency>

2. 生成JWT

下面是一个简单的Java方法，用于生成JWT：

import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import java.util.Date;
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class JwtUtil {
    private static final String SECRET_KEY = "yourSecretKey"; // 密钥，应该保存在安全的地方，不要硬编码在代码中
    private static final long EXPIRATION_TIME = 604800L; // 过期时间，这里设置为一周（单位为秒）

    public static String createToken(String userId) {
        Map<String, Object> claims = new HashMap<>();
        claims.put("user_id", userId);
        
        return Jwts.builder()
                .setClaims(claims)
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + EXPIRATION_TIME * 1000))
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, SECRET_KEY)
                .compact();
    }
}

3. 验证JWT

验证JWT的方法如下所示：

import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import java.lang.reflect.Method;

public class JwtUtil {
    // ... 其他方法 ...
    
    public static void verifyToken(String token) throws Exception {
        Claims claims = Jwts.parser()
                .setSigningKey(SECRET_KEY)
                .parseClaimsJws(token)
                .getBody();
                
        // 可以从这里获取存储在JWT中的信息，如用户ID等
        String userId = claims.get("user_id", String.class);
        System.out.println("User ID from token: " + userId);
        
        // 还可以检查token是否过期等其他验证逻辑...
    }
}

在实际应用中，你可能还需要处理一些异常情况，比如token过期、签名不匹配等。Jwts.parser().parseClaimsJws(token)方法会抛出异常，如果token无效或已过期。因此，在实际使用时，你应该将验证逻辑放在try-catch块中，并相应地处理这些异常。

五、安全性考虑

• 使用HTTPS来传输JWT，以防止中间人攻击。
• 不要在JWT中存储敏感信息，因为它们是可以被解码的（尽管它们是被签名的）。
• 为JWT设置一个合理的过期时间，以防止旧token被长时间使用。
• 定期更换签名密钥，以增加系统的安全性。
• 使用安全的存储方式来保存签名密钥，不要将其硬编码在代码中或公开存储。
• 在服务器端验证JWT时，确保验证其完整性和有效期，并对任何异常情况进行适当处理。

六、总结
本文介绍了JWT的基本概念、组成和工作流程，并提供了Java中使用JWT的示例代码。通过生成和验证JWT，你可以在Web应用中实现安全的身份验证和授权。在使用JWT时，请务必注意安全性考虑，并采取适当的措施来保护系统的安全。