手把手教你实现JWT Token

码农小胖哥

发布于 2019-12-05 13:21:40

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发布于 2019-12-05 13:21:40

1. 前言

Json Web Token （JWT）近几年是前后端分离常用的 Token 技术，是目前最流行的跨域身份验证解决方案。你可以通过文章一文了解web无状态会话token技术JWT 来了解 JWT。今天我们来手写一个通用的 JWT 服务。DEMO 获取方式在文末，实现在 jwt 相关包下

2. spring-security-jwt

spring-security-jwt 是 Spring Security Crypto 提供的 JWT 工具包。

  <dependency>
        <groupId>org.springframework.security</groupId>
        <artifactId>spring-security-jwt</artifactId>
        <version>${spring-security-jwt.version}</version>
  </dependency>

核心类只有一个: org.springframework.security.jwt.JwtHelper 。它提供了两个非常有用的静态方法。

3. JWT 编码

JwtHelper 提供的第一个静态方法就是 encode(CharSequence content, Signer signer) 这个是用来生成jwt的方法需要指定 payload 跟 signer 签名算法。payload 存放了一些可用的不敏感信息：

iss jwt签发者
sub jwt所面向的用户
aud 接收jwt的一方
iat jwt的签发时间
exp jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间 iat
jti jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击

除了以上提供的基本信息外，我们可以定义一些我们需要传递的信息，比如目标用户的权限集等等。切记不要传递密码等敏感信息，因为 JWT 的前两段都是用了 BASE64 编码，几乎算是明文了。

3.1 构建 JWT 中的 payload

我们先来构建 payload :

 /**
  * 构建 jwt payload
  *
  * @author Felordcn
  * @since 11:27 2019/10/25
  **/
 public class JwtPayloadBuilder {

     private Map<String, String> payload = new HashMap<>();
     /**
      * 附加的属性
      */
     private Map<String, String> additional;
     /**
      * jwt签发者
      **/
     private String iss;
     /**
      * jwt所面向的用户
      **/
     private String sub;
     /**
      * 接收jwt的一方
      **/
     private String aud;
     /**
      * jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间
      **/
     private LocalDateTime exp;
     /**
      * jwt的签发时间
      **/
     private LocalDateTime iat = LocalDateTime.now();
     /**
      * 权限集
      */
     private Set<String> roles = new HashSet<>();
     /**
      * jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击
      **/
     private String jti = IdUtil.simpleUUID();

     public JwtPayloadBuilder iss(String iss) {
         this.iss = iss;
         return this;
     }


     public JwtPayloadBuilder sub(String sub) {
         this.sub = sub;
         return this;
     }

     public JwtPayloadBuilder aud(String aud) {
         this.aud = aud;
         return this;
     }


     public JwtPayloadBuilder roles(Set<String> roles) {
         this.roles = roles;
         return this;
     }

     public JwtPayloadBuilder expDays(int days) {
         Assert.isTrue(days > 0, "jwt expireDate must after now");
         this.exp = this.iat.plusDays(days);
         return this;
     }

     public JwtPayloadBuilder additional(Map<String, String> additional) {
         this.additional = additional;
         return this;
     }

     public String builder() {
         payload.put("iss", this.iss);
         payload.put("sub", this.sub);
         payload.put("aud", this.aud);
         payload.put("exp", this.exp.format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
         payload.put("iat", this.iat.format(DateTimeFormatter.ofPattern("yyyy-MM-dd HH:mm:ss")));
         payload.put("jti", this.jti);

         if (!CollectionUtils.isEmpty(additional)) {
             payload.putAll(additional);
         }
         payload.put("roles", JSONUtil.toJsonStr(this.roles));
         return JSONUtil.toJsonStr(JSONUtil.parse(payload));

     }

 }

通过建造类 JwtClaimsBuilder 我们可以很方便来构建 JWT 所需要的 payload json 字符串传递给 encode(CharSequence content, Signer signer) 中的 content 。

3.2 生成 RSA 密钥并进行签名

为了生成 JWT Token 我们还需要使用 RSA 算法来进行签名。这里我们使用 JDK 提供的证书管理工具 Keytool 来生成 RSA 证书，格式为 jks 格式。

生成证书命令参考：

```shell script keytool -genkey -alias felordcn -keypass felordcn -keyalg RSA -storetype PKCS12 -keysize 1024 -validity 365 -keystore d:/keystores/felordcn.jks -storepass 123456 -dname "CN=(Felord), OU=(felordcn), O=(felordcn), L=(zz), ST=(hn), C=(cn)"

其中 `-alias felordcn -storepass 123456` 我们要作为配置使用要记下来。我们要使用下面定义的这个类来读取证书


```java
 package cn.felord.spring.security.jwt;

 import org.springframework.core.io.ClassPathResource;

 import java.security.KeyFactory;
 import java.security.KeyPair;
 import java.security.KeyStore;
 import java.security.PublicKey;
 import java.security.interfaces.RSAPrivateCrtKey;
 import java.security.spec.RSAPublicKeySpec;

 /**
  * KeyPairFactory
  *
  * @author Felordcn
  * @since 13:41 2019/10/25
  **/
 class KeyPairFactory {

     private KeyStore store;

     private final Object lock = new Object();

     /**
      * 获取公私钥.
      *
      * @param keyPath  jks 文件在 resources 下的classpath
      * @param keyAlias  keytool 生成的 -alias 值  felordcn
      * @param keyPass  keytool 生成的  -keypass 值  felordcn
      * @return the key pair 公私钥对
      */
    KeyPair create(String keyPath, String keyAlias, String keyPass) {
         ClassPathResource resource = new ClassPathResource(keyPath);
         char[] pem = keyPass.toCharArray();
         try {
             synchronized (lock) {
                 if (store == null) {
                     synchronized (lock) {
                         store = KeyStore.getInstance("jks");
                         store.load(resource.getInputStream(), pem);
                     }
                 }
             }
             RSAPrivateCrtKey key = (RSAPrivateCrtKey) store.getKey(keyAlias, pem);
             RSAPublicKeySpec spec = new RSAPublicKeySpec(key.getModulus(), key.getPublicExponent());
             PublicKey publicKey = KeyFactory.getInstance("RSA").generatePublic(spec);
             return new KeyPair(publicKey, key);
         } catch (Exception e) {
             throw new IllegalStateException("Cannot load keys from store: " + resource, e);
         }

     }
 }

获取了 KeyPair 就能获取公私钥生成 Jwt 的两个要素就完成了。我们可以和之前定义的 JwtPayloadBuilder 一起封装出生成 Jwt Token 的方法：

     private String jwtToken(String aud, int exp, Set<String> roles, Map<String, String> additional) {
         String payload = jwtPayloadBuilder
                 .iss(jwtProperties.getIss())
                 .sub(jwtProperties.getSub())
                 .aud(aud)
                 .additional(additional)
                 .roles(roles)
                 .expDays(exp)
                 .builder();
         RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();

         RsaSigner signer = new RsaSigner(privateKey);
         return JwtHelper.encode(payload, signer).getEncoded();
     }

通常情况下 Jwt Token 都是成对出现的，一个为平常请求携带的 accessToken，另一个只作为刷新 accessToken 之用的 refreshToken 。而且 refreshToken 的过期时间要相对长一些。当 accessToken 失效而refreshToken 有效时，我们可以通过 refreshToken 来获取新的 Jwt Token对；当两个都失效就用户就必须重新登录了。

生成 Jwt Token对的方法如下：

     public JwtTokenPair jwtTokenPair(String aud, Set<String> roles, Map<String, String> additional) {
         String accessToken = jwtToken(aud, jwtProperties.getAccessExpDays(), roles, additional);
         String refreshToken = jwtToken(aud, jwtProperties.getRefreshExpDays(), roles, additional);

         JwtTokenPair jwtTokenPair = new JwtTokenPair();
         jwtTokenPair.setAccessToken(accessToken);
         jwtTokenPair.setRefreshToken(refreshToken);
         // 放入缓存
         jwtTokenStorage.put(jwtTokenPair, aud);
         return jwtTokenPair;
     }

通常 Jwt Token对会在返回给前台的同时放入缓存中。过期策略你可以选择分开处理，也可以选择以refreshToken 的过期时间为准。

4. JWT 解码以及验证

JwtHelper 提供的第二个静态方法是Jwt decodeAndVerify(String token, SignatureVerifier verifier) 用来验证和解码 Jwt Token 。我们获取到请求中的token后会解析出用户的一些信息。通过这些信息去缓存中对应的token ，然后比对并验证是否有效（包括是否过期）。

      /**
       * 解码 并校验签名 过期不予解析
       *
       * @param jwtToken the jwt token
       * @return the jwt claims
       */
      public JSONObject decodeAndVerify(String jwtToken) {
          Assert.hasText(jwtToken, "jwt token must not be bank");
          RSAPublicKey rsaPublicKey = (RSAPublicKey) this.keyPair.getPublic();
          SignatureVerifier rsaVerifier = new RsaVerifier(rsaPublicKey);
          Jwt jwt = JwtHelper.decodeAndVerify(jwtToken, rsaVerifier);
          String claims = jwt.getClaims();
          JSONObject jsonObject = JSONUtil.parseObj(claims);
          String exp = jsonObject.getStr(JWT_EXP_KEY);
         // 是否过期
          if (isExpired(exp)) {
              throw new IllegalStateException("jwt token is expired");
          }
          return jsonObject;
      }

上面我们将有效的 Jwt Token 中的 payload 解析为 JSON对象，方便后续的操作。

5. 配置

我们将 JWT 的可配置项抽出来放入 JwtProperties 如下：

 /**
  * Jwt 在 springboot application.yml 中的配置文件
  *
  * @author Felordcn
  * @since 15 :06 2019/10/25
  */
 @Data
 @ConfigurationProperties(prefix=JWT_PREFIX)
 public class JwtProperties {
     static final String JWT_PREFIX= "jwt.config";
     /**
      * 是否可用
      */
     private boolean enabled;
     /**
      * jks 路径
      */
     private String keyLocation;
     /**
      * key alias
      */
     private String keyAlias;
     /**
      * key store pass
      */
     private String keyPass;
     /**
      * jwt签发者
      **/
     private String iss;
     /**
      * jwt所面向的用户
      **/
     private String sub;
     /**
      * access jwt token 有效天数
      */
     private int accessExpDays;
     /**
      * refresh jwt token 有效天数
      */
     private int refreshExpDays;
 }

然后我们就可以配置 JWT 的 javaConfig 如下：

 /**
  * JwtConfiguration
  *
  * @author Felordcn
  * @since 16 :54 2019/10/25
  */
 @EnableConfigurationProperties(JwtProperties.class)
 @ConditionalOnProperty(prefix = "jwt.config",name = "enabled")
 @Configuration
 public class JwtConfiguration {


     /**
      * Jwt token storage .
      *
      * @return the jwt token storage
      */
     @Bean
     public JwtTokenStorage jwtTokenStorage() {
         return new JwtTokenCacheStorage();
     }


     /**
      * Jwt token generator.
      *
      * @param jwtTokenStorage the jwt token storage
      * @param jwtProperties   the jwt properties
      * @return the jwt token generator
      */
     @Bean
     public JwtTokenGenerator jwtTokenGenerator(JwtTokenStorage jwtTokenStorage, JwtProperties jwtProperties) {
         return new JwtTokenGenerator(jwtTokenStorage, jwtProperties);
     }

 }

然后你就可以通过 JwtTokenGenerator 编码/解码验证 Jwt Token 对，通过 JwtTokenStorage 来处理 Jwt Token 缓存。缓存这里我用了Spring Cache Ehcache 来实现,你也可以切换到 Redis 。相关单元测试参见 DEMO