Cookie、Session、Token、JWT讲解

什么是认证（Authentication）

  • 通俗地讲就是验证当前用户的身份，证明“你是你自己”（比如：你每天上下班打卡，都需要通过指纹打卡，当你的指纹和系统里录入的指纹相匹配时，就打卡成功）
  • 互联网中的认证：
    • 用户名密码登录
    • 邮箱发送登录链接
    • 手机号接收验证码
    • 只要你能收到邮箱/验证码，就默认你是账号的主人

什么是授权（Authorization）

  • 发生在 Authentication（认证） 之后。授权嘛，光看意思大家应该就明白，它主要掌管我们访问系统的权限。
  • 比如有些特定资源只能具有特定权限的人才能访问比如admin，有些对系统资源操作比如删除、添加、更新只能特定人才具有。

什么是Cookie

  • HTTP 是无状态的协议（对于事务处理没有记忆能力，每次客户端和服务端会话完成时，服务端不会保存任何会话信息）：每个请求都是完全独立的，服务端无法确认当前访问者的身份信息，无法分辨上一次的请求发送者和这一次的发送者是不是同一个人。所以服务器与浏览器为了进行会话跟踪（知道是谁在访问我），就必须主动的去维护一个状态，这个状态用于告知服务端前后两个请求是否来自同一浏览器。而这个状态需要通过 cookie 或者 session 去实现。
  • cookie 存储在客户端： cookie 是服务器发送到用户浏览器并保存在本地的一小块数据，它会在浏览器下次向同一服务器再发起请求时被携带并发送到服务器上。
  • cookie 是不可跨域的： 每个 cookie 都会绑定单一的域名，无法在别的域名下获取使用，一级域名和二级域名之间是允许共享使用的（靠的是 domain）。

cookie 重要的属性

属性 说明
name=value 键值对，设置 Cookie 的名称及相对应的值，都必须是字符串类型 - 如果值为 Unicode 字符，需要为字符编码。 - 如果值为二进制数据，则需要使用 BASE64 编码。
domain 指定 cookie 所属域名，默认是当前域名
path **指定 cookie 在哪个路径（路由）下生效，默认是 ‘/‘**。 如果设置为 /abc，则只有 /abc 下的路由可以访问到该 cookie，如：/abc/read。
maxAge cookie 失效的时间，单位秒。如果为整数，则该 cookie 在 maxAge 秒后失效。如果为负数，该 cookie 为临时 cookie ，关闭浏览器即失效，浏览器也不会以任何形式保存该 cookie 。如果为 0，表示删除该 cookie 。默认为 -1。 比 expires 好用。
expires 过期时间，在设置的某个时间点后该 cookie 就会失效。 一般浏览器的 cookie 都是默认储存的，当关闭浏览器结束这个会话的时候，这个 cookie 也就会被删除
secure 该 cookie 是否仅被使用安全协议传输。安全协议有 HTTPS，SSL等，在网络上传输数据之前先将数据加密。默认为false。 当 secure 值为 true 时，cookie 在 HTTP 中是无效，在 HTTPS 中才有效。
httpOnly 如果给某个 cookie 设置了 httpOnly 属性，则无法通过 JS 脚本 读取到该 cookie 的信息，但还是能通过 Application 中手动修改 cookie，所以只是在一定程度上可以防止 XSS 攻击，不是绝对的安全

Cookie的两种类型

在项目开发中我们时常将需要在客户端（浏览器）缓存的数据，一般客户端数据我们使用Cookie中，所以有必要了解清楚Cookie在保存数据时的两种类型。

两种类型的Cookie：

  • 临时Cookie（会话Cookie）
  • 永久Cookie

  1. 不设置过期时间，则表示这个cookie生命周期为浏览器会话期间，只要关闭浏览器窗口，cookie就消失了。这种生命期为浏览会话期的cookie被称为会话cookie。会话cookie一般不保存在硬盘上而是保存在内存里。

  2. 设置了过期时间，浏览器就会把cookie保存到硬盘上，关闭后再次打开浏览器，这些cookie依然有效直到超过设定的过期时间。存储在硬盘上的cookie可以在不同的浏览器进程间共享，比如两个IE窗口。而对于保存在内存的cookie，不同的浏览器有不同的处理方式。

Cookie分为内存中Cookie（也可以说是进程中Cookie）和硬盘中Cookie。大部分的Session机制都使用进程中Cookie来保存Session id的，关闭浏览器后这个进程也就自动消失了，进程中的Cookie自然就消失了，那么Session id也跟着消失了，再次连接到服务器时也就无法找到原来的Session了。

其实服务器是不会知道浏览器关闭了没有（当然，你可以在关闭的时候去通知服务器，但一般都不会这样做），所以关闭浏览器时服务器是不会删除Session的，也正是这个原因服务器才会设置一个Session失效时间的，不然服务器早晚会被撑爆的。等距离上一次使用该Session的时间达到设置的失效时间时，服务器就会认为客户端已停止活动，便会将相应的Session删除。

什么是Session

  • session 是另一种记录服务器和客户端会话状态的机制
  • session 是基于 cookie 实现的，session 存储在服务器端，sessionId 会被存储到客户端的cookie 中

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  • session 认证流程：
    • 用户第一次请求服务器的时候，服务器根据用户提交的相关信息，创建对应的 Session
    • 请求返回时将此 Session 的唯一标识信息 SessionID 返回给浏览器
    • 浏览器接收到服务器返回的 SessionID 信息后，会将此信息存入到 Cookie 中，同时 Cookie 记录此 SessionID 属于哪个域名
    • 当用户第二次访问服务器的时候，请求会自动判断此域名下是否存在 Cookie 信息，如果存在自动将 Cookie 信息也发送给服务端，服务端会从 Cookie 中获取 SessionID，再根据 SessionID 查找对应的 Session 信息，如果没有找到说明用户没有登录或者登录失效，如果找到 Session 证明用户已经登录可执行后面操作。

根据以上流程可知，SessionID 是连接 Cookie 和 Session 的一道桥梁，大部分系统也是根据此原理来验证用户登录状态。

Cookie和Session的区别

  • 安全性： Session 比 Cookie 安全，Session 是存储在服务器端的，Cookie 是存储在客户端的。
  • 存取值的类型不同：Cookie 只支持存字符串数据，想要设置其他类型的数据，需要将其转换成字符串，Session 可以存任意数据类型。
  • 有效期不同： Cookie 可设置为长时间保持，比如我们经常使用的默认登录功能，Session 一般失效时间较短，客户端关闭（默认情况下）或者 Session 超时都会失效。
  • 存储大小不同： 单个 Cookie 保存的数据不能超过 4K，Session 可存储数据远高于 Cookie，但是当访问量过多，会占用过多的服务器资源。

什么是Token（令牌）

Acesss Token

  • 访问资源接口（API）时所需要的资源凭证
  • 简单 token 的组成： uid(用户唯一的身份标识)、time(当前时间的时间戳)、sign（签名，token 的前几位以哈希算法压缩成的一定长度的十六进制字符串）
  • 特点：
    • 服务端无状态化、可扩展性好
    • 支持移动端设备
    • 安全
    • 支持跨程序调用
  • token 的身份验证流程：

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  1. 客户端使用用户名跟密码请求登录
  2. 服务端收到请求，去验证用户名与密码
  3. 验证成功后，服务端会签发一个 token 并把这个 token 发送给客户端
  4. 客户端收到 token 以后，会把它存储起来，比如放在 cookie 里或者 localStorage 里
  5. 客户端每次向服务端请求资源的时候需要带着服务端签发的 token
  6. 服务端收到请求，然后去验证客户端请求里面带着的 token ，如果验证成功，就向客户端返回请求的数据
  • 每一次请求都需要携带 token，需要把 token 放到 HTTP 的 Header 里
  • 基于 token 的用户认证是一种服务端无状态的认证方式，服务端不用存放 token 数据。用解析 token 的计算时间换取 session 的存储空间，从而减轻服务器的压力，减少频繁的查询数据库
  • token 完全由应用管理，所以它可以避开同源策略

Refresh Token

  • 另外一种 token——refresh token
  • refresh token 是专用于刷新 access token 的 token。如果没有 refresh token，也可以刷新 access token，但每次刷新都要用户输入登录用户名与密码，会很麻烦。有了 refresh token，可以减少这个麻烦，客户端直接用 refresh token 去更新 access token，无需用户进行额外的操作。

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  • Access Token 的有效期比较短，当 Acesss Token 由于过期而失效时，使用 Refresh Token 就可以获取到新的 Token，如果 Refresh Token 也失效了，用户就只能重新登录了。
  • Refresh Token 及过期时间是存储在服务器的数据库中，只有在申请新的 Acesss Token 时才会验证，不会对业务接口响应时间造成影响，也不需要向 Session 一样一直保持在内存中以应对大量的请求。

什么是JWT

  1. JSON Web Token（简称 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案。

  2. JWT是一种认证授权机制。

  3. JWT是为了在网络应用环境间传递声明而执行的一种基于 JSON 的开放标准（RFC 7519）。JWT 的声明一般被用来在身份提供者和服务提供者间传递被认证的用户身份信息，以便于从资源服务器获取资源。比如用在用户登录上。

  4. JWT可以使用 HMAC 算法或者是 RSA 的公/私秘钥对 JWT 进行签名。因为数字签名的存在，这些传递的信息是可信的。

JWT消息构成

一个token分3部分，按顺序为

  • 头部（header)
  • 载荷（payload)
  • 签证（signature)

jwt的头部承载两部分信息：

  • 声明类型typ，这里是JWT
  • 声明加密的算法alg 通常直接使用 HMAC SHA256(写为HS256)

完整的头部就像下面这样的JSON：

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

然后将头部进行base64加密（该加密是可以对称解密的),构成了第一部分.

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eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

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载荷就是存放有效信息的地方。这个名字像是特指飞机上承载的货品，这些有效信息包含三个部分

  • 标准中注册的声明
  • 公共的声明
  • 私有的声明

标准中注册的声明 (建议但不强制使用) ：

  • iss: jwt签发者
  • sub: jwt所面向的用户
  • aud: 接收jwt的一方
  • exp: jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间
  • nbf: 定义在什么时间之前，该jwt都是不可用的.
  • iat: jwt的签发时间
  • 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。

公共的声明 ：
公共的声明可以添加任何的信息，一般添加用户的相关信息或其他业务需要的必要信息.但不建议添加敏感信息，因为该部分在客户端可解密.

私有的声明 ：
私有声明是提供者和消费者所共同定义的声明，一般不建议存放敏感信息，因为base64是对称解密的，意味着该部分信息可以归类为明文信息。

定义一个payload:

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{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true
}

然后将其进行base64加密，得到Jwt的第二部分。

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eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9

signature

jwt的第三部分是一个签证信息，这个签证信息由三部分组成：

  • header (base64后的)
  • payload (base64后的)
  • secret

这个部分需要base64加密后的header和base64加密后的payload使用.连接组成的字符串，然后通过header中声明的加密方式进行加盐secret组合加密，然后就构成了jwt的第三部分。

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var encodedString = base64UrlEncode(header) + '.' + base64UrlEncode(payload);

var signature = HMACSHA256(encodedString, 'secret'); // TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

将这三部分用.连接成一个完整的字符串,构成了最终的jwt:

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eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

注意：secret是保存在服务器端的，jwt的签发生成也是在服务器端的，secret就是用来进行jwt的签发和jwt的验证，所以，它就是你服务端的私钥，在任何场景都不应该流露出去。一旦客户端得知这个secret, 那就意味着客户端是可以自我签发jwt了。

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JWT认证流程

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JWT的用法

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。

此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。 当跨域时，也可以将JWT被放置于POST请求的数据主体中。

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验证JWT

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Token和JWT的区别

相同：

  • 都是访问资源的令牌
  • 都可以记录用户的信息
  • 都是使服务端无状态化
  • 都是只有验证成功后，客户端才能访问服务端上受保护的资源

区别：

  • Token：服务端验证客户端发送过来的 Token 时，还需要查询数据库(为了提高性能，我们通常查询redis）获取用户信息，然后验证 Token 是否有效。
  • JWT：将 Token 和 Payload 加密后存储于客户端，服务端只需要使用密钥解密进行校验（校验也是 JWT 自己实现的）即可，不需要查询或者减少查询数据库，因为 JWT 自包含了用户信息和加密的数据。

Session和JWT的区别

基于session和基于jwt的方式的主要区别就是用户的状态保存的位置，session是保存在服务端的，而jwt是保存在客户端的。

Jwt的优点：

  • 可扩展性好 应用程序分布式部署的情况下，session需要做多机数据共享，通常可以存在数据库或者redis里面。而jwt不需要。
  • 无状态 jwt不在服务端存储任何状态。RESTful API的原则之一是无状态，发出请求时，总会返回带有参数的响应，不会产生附加影响。用户的认证状态引入这种附加影响，这破坏了这一原则。另外jwt的载荷中可以存储一些常用信息，用于交换信息，有效地使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。

Jwt的缺点：

  • 安全性

由于jwt的payload是使用base64编码的，并没有加密，因此jwt中不能存储敏感数据。而session的信息是存在服务端的，相对来说更安全。

  • 性能

jwt太长。由于是无状态使用JWT，所有的数据都被放到JWT里，如果还要进行一些数据交换，那载荷会更大，经过编码之后导致jwt非常长，cookie的限制大小一般是4k，cookie很可能放不下，所以jwt一般放在local storage里面。并且用户在系统中的每一次http请求都会把jwt携带在Header里面，http请求的Header可能比Body还要大。而sessionId只是很短的一个字符串，因此使用jwt的http请求比使用session的开销大得多。

  • 一次性

无状态是jwt的特点，但也导致了这个问题，jwt是一次性的。想修改里面的内容，就必须签发一个新的jwt。

（1）无法废弃 通过上面jwt的验证机制可以看出来，一旦签发一个jwt，在到期之前就会始终有效，无法中途废弃。例如你在payload中存储了一些信息，当信息需要更新时，则重新签发一个jwt，但是由于旧的jwt还没过期，拿着这个旧的jwt依旧可以登录，那登录后服务端从jwt中拿到的信息就是过时的。为了解决这个问题，我们就需要在服务端部署额外的逻辑，例如设置一个黑名单，一旦签发了新的jwt，那么旧的就加入黑名单（比如存到redis里面），避免被再次使用。

（2）续签 如果你使用jwt做会话管理，传统的cookie续签方案一般都是框架自带的，session有效期30分钟，30分钟内如果有访问，有效期被刷新至30分钟。一样的道理，要改变jwt的有效时间，就要签发新的jwt。最简单的一种方式是每次请求刷新jwt，即每个http请求都返回一个新的jwt。这个方法不仅暴力不优雅，而且每次请求都要做jwt的加密解密，会带来性能问题。另一种方法是在redis中单独为每个jwt设置过期时间，每次访问时刷新jwt的过期时间。

可以看出想要破解jwt一次性的特性，就需要在服务端存储jwt的状态。但是引入 redis 之后，就把无状态的jwt硬生生变成了有状态了，违背了jwt的初衷。而且这个方案和session都差不多了。

总结

适合使用jwt的场景：

  • 有效期短
  • 只希望被使用一次

比如，用户注册后发一封邮件让其激活账户，通常邮件中需要有一个链接，这个链接需要具备以下的特性：能够标识用户，该链接具有时效性（通常只允许几小时之内激活），不能被篡改以激活其他可能的账户，一次性的。这种场景就适合使用jwt。

而由于jwt具有一次性的特性。单点登录和会话管理非常不适合用jwt，如果在服务端部署额外的逻辑存储jwt的状态，那还不如使用session。基于session有很多成熟的框架可以开箱即用，但是用jwt还要自己实现逻辑。

常见问题

  • 因为存储在客户端，容易被客户端篡改，使用前需要验证合法性
  • 不要存储敏感数据，比如用户密码，账户余额
  • 使用 httpOnly 在一定程度上提高安全性
  • 尽量减少 cookie 的体积，能存储的数据量不能超过 4kb
  • 设置正确的 domain 和 path，减少数据传输
  • cookie 无法跨域
  • 一个浏览器针对一个网站最多存 20 个Cookie，浏览器一般只允许存放 300 个Cookie
  • 移动端对 cookie 的支持不是很好，而 session 需要基于 cookie 实现，所以移动端常用的是 token

使用 session 时需要考虑的问题

  • 将 session 存储在服务器里面，当用户同时在线量比较多时，这些 session 会占据较多的内存，需要在服务端定期的去清理过期的 session
  • 当网站采用集群部署的时候，会遇到多台 web 服务器之间如何做 session 共享的问题。因为 session 是由单个服务器创建的，但是处理用户请求的服务器不一定是那个创建 session 的服务器，那么该服务器就无法拿到之前已经放入到 session 中的登录凭证之类的信息了。
  • 当多个应用要共享 session 时，除了以上问题，还会遇到跨域问题，因为不同的应用可能部署的主机不一样，需要在各个应用做好 cookie 跨域的处理。
  • sessionId 是存储在 cookie 中的，假如浏览器禁止 cookie 或不支持 cookie 怎么办？ 一般会把 sessionId 跟在 url 参数后面即重写 url，所以 session 不一定非得需要靠 cookie 实现
  • 移动端对 cookie 的支持不是很好，而 session 需要基于 cookie 实现，所以移动端常用的是 token

使用 token 时需要考虑的问题

  • 如果你认为用数据库来存储 token 会导致查询时间太长，可以选择放在内存当中。比如 redis 很适合你对 token 查询的需求。
  • token 完全由应用管理，所以它可以避开同源策略
  • token 可以避免 CSRF 攻击(因为不需要 cookie 了)
  • 移动端对 cookie 的支持不是很好，而 session 需要基于 cookie 实现，所以移动端常用的是 token

使用 JWT 时需要考虑的问题

  • 因为 JWT 并不依赖 Cookie 的，所以你可以使用任何域名提供你的 API 服务而不需要担心跨域资源共享问题（CORS）
  • JWT 默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始 Token 以后，可以用密钥再加密一次。
  • JWT 不加密的情况下，不能将秘密数据写入 JWT。
  • JWT 不仅可以用于认证，也可以用于交换信息。有效使用 JWT，可以降低服务器查询数据库的次数。
  • JWT 最大的优势是服务器不再需要存储 Session，使得服务器认证鉴权业务可以方便扩展。但这也是 JWT 最大的缺点：由于服务器不需要存储 Session 状态，因此使用过程中无法废弃某个 Token 或者更改 Token 的权限。也就是说一旦 JWT 签发了，到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑。
  • JWT 本身包含了认证信息，一旦泄露，任何人都可以获得该令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。
  • JWT 适合一次性的命令认证，颁发一个有效期极短的 JWT，即使暴露了危险也很小，由于每次操作都会生成新的 JWT，因此也没必要保存 JWT，真正实现无状态。
  • 为了减少盗用，JWT 不应该使用 HTTP 协议明码传输，要使用 HTTPS 协议传输。

分布式架构下 session 共享方案

1. session 复制

  • 任何一个服务器上的 session 发生改变（增删改），该节点会把这个 session 的所有内容序列化，然后广播给所有其它节点，不管其他服务器需不需要 session ，以此来保证 session 同步

优点： 可容错，各个服务器间 session 能够实时响应。
缺点： 会对网络负荷造成一定压力，如果 session 量大的话可能会造成网络堵塞，拖慢服务器性能。

2. 粘性 session /IP 绑定策略

  • 采用 Ngnix 中的 ip_hash 机制，将某个 ip的所有请求都定向到同一台服务器上，即将用户与服务器绑定。 用户第一次请求时，负载均衡器将用户的请求转发到了 A 服务器上，如果负载均衡器设置了粘性 session 的话，那么用户以后的每次请求都会转发到 A 服务器上，相当于把用户和 A 服务器粘到了一块，这就是粘性 session 机制。

优点： 简单，不需要对 session 做任何处理。
缺点： 缺乏容错性，如果当前访问的服务器发生故障，用户被转移到第二个服务器上时，他的 session 信息都将失效。
适用场景： 发生故障对客户产生的影响较小；服务器发生故障是低概率事件 。
实现方式： 以 Nginx 为例，在 upstream 模块配置 ip_hash 属性即可实现粘性 session。

3. session 共享（常用）

  • 使用分布式缓存方案比如 Memcached 、Redis 来缓存 session，但是要求 Memcached 或 Redis 必须是集群
  • 把 session 放到 Redis 中存储，虽然架构上变得复杂，并且需要多访问一次 Redis ，但是这种方案带来的好处也是很大的：
    • 实现了 session 共享；
    • 可以水平扩展（增加 Redis 服务器）；
    • 服务器重启 session 不丢失（不过也要注意 session 在 Redis 中的刷新/失效机制）；
    • 不仅可以跨服务器 session 共享，甚至可以跨平台（例如网页端和 APP 端）

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4. session 持久化

  • 将 session 存储到数据库中，保证 session 的持久化

优点： 服务器出现问题，session 不会丢失
缺点： 如果网站的访问量很大，把 session 存储到数据库中，会对数据库造成很大压力，还需要增加额外的开销维护数据库。

总结：登录功能方式

基于上述的讲解，我们可以使用很多方式来使用系统的登录功能：

  1. 单系统登录
  • 基于cookie和session的机制来实现单系统登录，无法满足集群部署
  • 为了满足集群部署，我们可以考虑实现session的共享，上述《分布式架构下 session 共享方案》已经提出，比如使用redis来存储session
  1. 单点登录
  • 使用token机制，用redis存储token
  • 使用JWT机制

参考链接:https://juejin.cn/post/6844904034181070861#heading-26

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项目功能
#项目功能
Cookie、Session、Token、JWT讲解
http://example.com/2023/05/07/Cookie、Session、Token、JWT讲解/
作者
程序员小魏
发布于
2023年5月7日
许可协议