<font size=3 face="华文楷体"> 阿浪独白 </font>：<br>
<font size=2> 失踪人口回归，阿浪终于想起了账号密码。失踪的这段时间，潜心闭关，近日受欧阳飞 (<font color="green"> 不要管他是谁，他只为爱掉眼泪 </font>) 影响，偶得灵感，得此一作。</font>
<center size=2> 西门老仙，法力无边！！！</center>

# 前言

日常开发中，客户端与服务器通常采用 HTTP 协议进行通信，但 HTTP 是没有状态的，无法记录用户的身份信息和行为。

<font size=3 face="华文楷体"> 会话机制：</font></br>
<font size=2> 每次请求响应完成之后连接就断开了，下一次的请求需要重新连接，会话机制可以保存用户的身份信息和行为信息。</font></br>
<font size=2> 一个用户的所有请求操作都应该属于同一个会话，而另一个用户的所有请求操作则应该属于另一个会话。</font>

会话跟踪技术是一种在客户端与服务器间保持 HTTP 状态的解决方案，我们所熟知的有 Cookie + Session、URL 重写、Token 等。

Cookie 在浏览器保存 SessionID、Session 实际内容保存在服务端，目前的项目都是前后端分离 + 微服务，所以会面临 Session 共享问题，随着用户量的增多，开销就会越大。URL 重写又是通过明文传输，不安全容易被劫持。

<font> 想了解 Cookie 和 Sesson 可以看我这篇文章：《Web 开发两把刀：Cookie & Session 的社会主义兄弟情》</font>

Token 的优势：

• Token 支持跨域访问，Cookie 不可以跨域访问。
• Token 支持多平台，Cookie 只支持部分 web 端。

# What is JWT ？

JWT 的全称是 Json Web Token，是一种基于 JSON 的、用于在网络上声明某种主张的令牌（token）规范。

官方解释:</br>

JWT 由三部分组成：hand、payload、signature，各部分通过 ‘ . ’ 连接

<center>xxxx . yyyy . zzzz</center>

# 1、HEAD

头部是一个 JSON 对象，存储描述数据类型（JWT）和签名算法（HSA256、RSA256），通过 Base64UrlEncode 编码后生成 head 。

编码：
eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJSUzI1NiJ9

解码：
{
  "alg": "RS256",
  "typ": "JWT"
}

# 2、PAYLOAD

负载存放一些传输的有效声明，可以使用官方提供的声明，也可以自定义声明。同样通过 Base64UrlEncode 编码后生成 payload。声明可以分为三种类型：

1. Registered claims:</br>
   官方预定义的、非强制性的但是推荐使用的、有助于交互的声明 (注意使用这些声明只能是三个字符)。

2. Public claims: </br>
   保留给 JWT 的使用者自定义。但是需要注意避免使用 IANA JSON Web Token Registry 中定义的关键字。

3. Private claims: </br>
   保留给 JWT 的使用者自定义，用来传送传输双方约定好的消息。（（—_—）是不是没搞懂 public claims 和 private claims 的区别，阿浪也不知道）

编码：
eyJhdWQiOiLopb_pl6jpmL_mtaoiLCJkYXRhIjoiXCLopb_pl6jpmL_mtapcIiIsImlzcyI6IkhBTkdIVUFfQURNSU4iLCJleHAiOjE2MjIzNjA4NDEsImlhdCI6MTYyMjM2MDg0MX0

解码：
{
  "aud": "西门阿浪",
  "data": "\"西门阿浪\"",
  "iss": "HANGHUA_ADMIN",
  "exp": 1622360841,
  "iat": 1622360841
}

# 3、SIGNATURE

数据签名是 JWT 的核心部分，构成较为复杂，且无法被反编码。

HS256加密：

signature = HMACSHA256( base64UrlEncode(header) + "." +base64UrlEncode(payload), secret );

RS256加密：      

signature = RSASHA256(base64UrlEncode(header) + "." +base64UrlEncode(payload), publicKey, privateKey)

signature 可以选择对称加密算法或者非对称加密算法，常用的就是 HS256、RS256。

• 对称加密： 加密方和解密方利用同一个秘钥对数据进行加密和解密。

• 非对称加密： 加密方用私钥加密，并把公钥告诉解密方用于解密。

<font size=3 face="华文楷体">Base64Encode 和 Base64URLEncode 的区别 </font></br>
1、Base64 是一种用 64 个字符 [A_Z,az,0~9,+,/] 来表示任意二进制数据的方法。
因为二进制文件包含很多无法显示和打印的字符，base64 编码后的文本数据可以在邮件正文、网页等直接显示。</br>
</br>
2、Token 有些场合可能会放到 URL (比如 api.example.com/?token=xxx)。Base64 有三个字符 +、/ 和 =， 在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：= 被省略、+ 替换成 -，/ 替换成_ ，因此 JWT 采用 Base64URLEncode。

# 4、JWT 执行逻辑

逻辑清晰明了，用户首次登陆时，通过传输账号密码验证身份，验证成功后，服务器生成 Token 响应用户。用户后续请求只需要传送 Token，服务器只需对 Token 进行校验来确认身份。

# 双 Token 保证 活跃用户

# 活跃用户

Token 用于身份认证时，如果有效期设置太长，泄露了会不安全。如果设置太短，用户频繁的重新登陆，程序员的祖坟有可能不保。那如何界定有效时间呢？这就要引入一个概念：用户的活跃性。

系统把用户分为活跃用户和不活跃用户，对于不活跃用户，token 过期后需要重新登陆，因为使用频率较低，token 失活后重新登陆，他的感受没有那么强烈。

活跃用户在 token 过期后，不应该直接登陆，而是要根据他的活跃时间来判定是否重新激活 token，当符合条件时，直接激活 Token，带给用户最好的体验。

若 token 有效期时长为 at，活跃用户时长计为 rt，且用户每次操作客户端后活跃时间都与之同步刷新。

• 当 rt == at 时
  

这种情况，当然可以确定属于活跃用户。在整个 token 的有效期用户都在操作，如果这时 token 失效让重新登陆，用户体验确实不好。

• 假设存在 rt > at 的情况

既然 rt 与 at 相等时，属于活跃用户，这种可以算是激进分子了。

• 当 rt < at 时

这种情况比较复杂，我们无法界定 rt 在 at 中所占比例为多少时属于活跃用户，而且我们也无法推测 token 失效后，用户啥时候再次请求，因此定义为不活跃用户。

# accessToken、refreshToken 两兄弟

用户首次登陆后，获得 accessToken (时长较短) 和 refreshToken (时间较长)，每次请求判断 accessToken 是否过期。

当 access_token 过期后，判断 refreshToken 是否过期，若没过期，则通过 refreshToken 刷新获取新的 access_token，如果都过期，就需要重新登录了。

由活跃用户分析可知，当 rt >= at，用户在 at 时间内都是活跃的。设 accessToken 的有效期为用户的活跃时间 rt，当 rt <= refresh_Time，直接刷新 rt。所以可以认为 [accessToken 创建开始时间点 ，2 * accessToken 有效时长] 时间内用户是活跃的

建议：refreshToken 时间 >= 2 * accessToken 时间。

# auth0 大法

JWT 只是规范，就像 Java 中的接口，无法直接使用，需要一个实现规范的具体实现库。平时开发中较多使用 jjwt，据传 auth0 的底层实现效率更高。注意，auth0 不是 OAuth2，不要搞混了。

首先，加入 maven 依赖，最新版本就是 3.16.0。

<dependency>

    <groupId>com.auth0</groupId>

    <artifactId>java-jwt</artifactId>

    <version>3.16.0</version>

</dependency>

# HS256 算法

HS256 是对称加密算法，相对来说比较简单易上手，网上例子也很详尽，感兴趣可以自己查找资料。我们主要来看看非对称加密算法。

# RS256 算法

• 1、生成密钥对

想签发 Token，首先要生成 PublicKey 和 PrivateKey。JDK 的 java.security. interfaces 包提供了 RS 算法的密钥对类型。我们直接构建一个存方密钥对的 POJO 类。

public class RSA256Key {

    private RSAPublicKey publicKey;
    private RSAPrivateKey privateKey;

    public RSA256Key() {
    }

    public RSA256Key(RSAPublicKey publicKey, RSAPrivateKey privateKey) {
        this.publicKey = publicKey;
        this.privateKey = privateKey;
    }
}
***省略getter和setter***

然后写一个密钥生成的工具类，通过官方信息可知，密钥对的实例生成后可重复使用。因此，我打算采用单例的双重校验锁来控制密钥对象的生成。

如果并发量过大的话，自己可以加一个自定义线程池去生成。

    //数字签名
    public static final String KEY_ALGORITHM = "RSA";

    //RSA密钥长度
    public static final int KEY_SIZE = 1024;

    //唯一的密钥实例
    private static volatile RSA256Key rsa256Key;

  /**
     * 生成 公钥/私钥
     *
     *  由双重校验锁保证创建唯一的密钥实例，因此创建完成后仅有唯一实例。
     *  当被JVM回收后，才会创建新的实例
     * @return
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     */
    public static RSA256Key generateRSA256Key() throws NoSuchAlgorithmException {

        //第一次校验：单例模式只需要创建一次实例，若存在实例，不需要继续竞争锁，
        if (rsa256Key == null) {
            //RSA256Key单例的双重校验锁
            synchronized(RSA256Key.class) {
                //第二次校验：防止锁竞争中自旋的线程，拿到系统资源时，重复创建实例
                if (rsa256Key == null) {
                    //密钥生成所需的随机数源
                    KeyPairGenerator keyPairGen = KeyPairGenerator.getInstance(KEY_ALGORITHM);
                    keyPairGen.initialize(KEY_SIZE);
                    //通过KeyPairGenerator生成密匙对KeyPair
                    KeyPair keyPair = keyPairGen.generateKeyPair();
                    //获取公钥和私钥
                    RSAPublicKey publicKey = (RSAPublicKey) keyPair.getPublic();
                    RSAPrivateKey privateKey = (RSAPrivateKey) keyPair.getPrivate();
                    rsa256Key = new RSA256Key();
                    rsa256Key.setPublicKey(publicKey);
                    rsa256Key.setPrivateKey(privateKey);
                }

            }
        }
        return rsa256Key;
    }

单例的双重校验锁能够严格保证 RSAPublicKey 对象生成的唯一性，当线程们进入 generateRSA256Key () 方法验证实例对象为空时，最快的线程拿到锁资源，并阻塞后续线程。

KeyPairGenerator 是密钥生成的核心类，根据我们自定义的密钥长度 KEY_SIZE 来生成密钥。<font color="red"> 密钥生成创建 RSA256Key 实例对象时，此处有个坑 (当然是并发量足够大时)，希望有大佬指点：虽然 synchronized 阻塞住了部分线程，但当 RSA256Key 实例化后还未赋值前，正巧有新线程刚检测 rsa256Key，直接跳到后续逻辑，因为密钥实例值为空报出异常 </font>

• 2、签发 Token

Token 的签发逻辑很简单，auth0 为我们封装的很好，只需要向 Algorithm 的静态方法 RSA256 传递私钥，通过 JWT 类内的 withXXX () 方法传参即可。

 /**
     * 签发Token
     *
     * withIssuer()给PAYLOAD添加一跳数据 => token发布者
     * withClaim()给PAYLOAD添加一跳数据 => 自定义声明 （key，value）
     * withIssuedAt() 给PAYLOAD添加一条数据 => 生成时间
     * withExpiresAt()给PAYLOAD添加一条数据 => 保质期
     *
     * @param data
     * @return
     * @throws NoSuchAlgorithmException
     */
    public static String creatTokenByRS256(Object data) throws NoSuchAlgorithmException {
        //初始化 公钥/私钥
        RSA256Key rsa256Key = SecretKeyUtil.generateRSA256Key();

        //加密时，使用私钥生成RS算法对象
        Algorithm algorithm = Algorithm.RSA256(rsa256Key.getPrivateKey());

        return JWT.create()
                //签发人
                .withIssuer(ISSUER)
                //接收者
                .withAudience(data.toString())
                //签发时间
                .withIssuedAt(new Date())
                //过期时间
                .withExpiresAt(DateUtil.addHours(2))
                //相关信息
                .withClaim("data", JsonUtil.toJsonString(data))
                //签入
                .sign(algorithm);
    }

</br>

• <font color="red"> 有个值得吐槽的一点（下面是对 auth0 的源码分析，不感兴趣的可以跳过）</font>

</br>

    /**
     * Creates a new Algorithm instance using SHA256withRSA. Tokens specify this as "RS256".
     *
     * @param key the key to use in the verify or signing instance.
     * @return a valid RSA256 Algorithm.
     * @throws IllegalArgumentException if the Key Provider is null.
     * @deprecated use {@link #RSA256(RSAPublicKey, RSAPrivateKey)} or {@link #RSA256(RSAKeyProvider)}
     */
    @Deprecated
    public static Algorithm RSA256(RSAKey key) throws IllegalArgumentException {
        RSAPublicKey publicKey = key instanceof RSAPublicKey ? (RSAPublicKey) key : null;
        RSAPrivateKey privateKey = key instanceof RSAPrivateKey ? (RSAPrivateKey) key : null;
        return RSA256(publicKey, privateKey);
    }
    
    /**
     * Creates a new Algorithm instance using SHA256withRSA. Tokens specify this as "RS256".
     *
     * @param publicKey  the key to use in the verify instance.
     * @param privateKey the key to use in the signing instance.
     * @return a valid RSA256 Algorithm.
     * @throws IllegalArgumentException if both provided Keys are null.
     */
    public static Algorithm RSA256(RSAPublicKey publicKey, RSAPrivateKey privateKey) throws IllegalArgumentException {
        return RSA256(RSAAlgorithm.providerForKeys(publicKey, privateKey));
    }
 

因为我们是使用的 RSAPublicKey 和 RSAPrivateKey 存储的密钥，而且两种类型都继承自 RSAKey，所以我们可以直接调用 RSA256 (RSAKey key)，只需传入私钥，逻辑会自动为公钥赋 null，顺序调用第二个方法。

但是该方法标记了 @Deprecated，说明官方废除了这方法。我们只能直接调用第二个方法，所以传参需要我们自己指定 null 值，而且有些不了解 RS256 算法的人， 会同时传入公钥与私钥。

     /**
     * Creates a new Algorithm instance using SHA256withRSA. Tokens specify this as "RS256".
     *
     * @param keyProvider the provider of the Public Key and Private Key for the verify and signing instance.
     * @return a valid RSA256 Algorithm.
     * @throws IllegalArgumentException if the provided Key is null.
     */
    public static Algorithm RSA256(RSAKeyProvider keyProvider) throws IllegalArgumentException {
        return new RSAAlgorithm("RS256", "SHA256withRSA", keyProvider);
    }

通过调用上面两个方法生成 RSAKeyProvider, 调入该方法，最终生成 Algorithm 对象。

• 3、校验 Token

校验与签发同样简单，只是通过 PublicKey 生成 Algorithm，因为我把加密解密都放在了服务端，省去了很多不必要的麻烦。

  public static boolean verifierToken(String token) throws NoSuchAlgorithmException {

        //获取公钥/私钥
        RSA256Key rsa256Key = SecretKeyUtil.generateRSA256Key();

        //根据密钥对生成RS256算法对象
        Algorithm algorithm = Algorithm.RSA256(rsa256Key.getPublicKey());

        System.out.println("PublicKey: " + rsa256Key.getPublicKey().getPublicExponent());

        //解密时，使用gong钥生成算法对象
        JWTVerifier verifier = JWT.require(algorithm)
                                    .withIssuer(ISSUER)
                                    .build();

        try {
            //验证Token，verifier自动验证
            DecodedJWT jwt = verifier.verify(token);
            return true;
        }catch (JWTVerificationException e){
            log.error("Token无法通过验证! " + e.getMessage());
            return false;
        }

通过 JWTVerifier 对象可生成 DecodedJWT，如果想获取具体的 TOken 信息，可通过 DecodedJWT 获取。

对 auth0 底层实现感兴趣的同学，可以从 gitHub 上 clone 下来自己跑起来看一看。学一学别人源码中的设计模式和逻辑处理。

源码地址：github.com/auth0/java-jwt