JSON Web Token（缩写 JWT）是目前最流行的跨域认证解决方案，本文介绍它的原理和用法。
一、跨域认证的问题
互联网服务离不开用户认证。一般流程是下面这样：
- 用户向服务器发送用户名和密码。
- 服务器验证通过后，在当前对话（session）里面保存相关数据，比如用户角色、登录时间等等。
- 服务器向用户返回一个 session_id，写入用户的 Cookie。
- 用户随后的每一次请求，都会通过 Cookie，将 session_id 传回服务器。
- 服务器收到 session_id，找到前期保存的数据，由此得知用户的身份。
这种模式的问题在于，扩展性（scaling）不好。单机当然没有问题，如果是服务器集群，或者是跨域的服务导向架构，就要求 session 数据共享，每台服务器都能够读取 session。
举例来说，A 网站和 B 网站是同一家公司的关联服务。现在要求，用户只要在其中一个网站登录，再访问另一个网站就会自动登录，请问怎么实现？
一种解决方案是 session 数据持久化，写入数据库或别的持久层。各种服务收到请求后，都向持久层请求数据。这种方案的优点是架构清晰，缺点是工程量比较大。另外，持久层万一挂了，就会单点失败。
另一种方案是服务器索性不保存 session 数据了，所有数据都保存在客户端，每次请求都发回服务器。JWT 就是这种方案的一个代表。
二、JWT 的原理
JWT 的原理是，服务器认证以后，生成一个 JSON 对象，发回给用户，就像下面这样：
{
"姓名": "张三",
"角色": "管理员",
"到期时间": "2018年7月1日0点0分"
}
以后，用户与服务端通信的时候，都要发回这个 JSON 对象。服务器完全只靠这个对象认定用户身份。为了防止用户篡改数据，服务器在生成这个对象的时候，会加上签名（详见后文）。
服务器就不保存任何 session 数据了，也就是说，服务器变成无状态了，从而比较容易实现扩展。
三、JWT 的数据结构
实际的 JWT 大概就像下面这样:
它是一个很长的字符串，中间用点（.）分隔成三个部分。注意，JWT 内部是没有换行的，这里只是为了便于展示，将它写成了几行。
JWT 的三个部分依次如下:
- Header（头部）
- Payload（负载）
- Signature（签名）
写成一行，就是下面的样子：Header.Payload.Signature
下面依次介绍这三个部分:
3.1 Header
Header 部分是一个 JSON 对象，描述 JWT 的元数据，通常是下面的样子：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}
上面代码中，alg 属性表示签名的算法（algorithm），默认是 HMAC SHA256（写成 HS256）；typ 属性表示这个令牌（token）的类型（type），JWT 令牌统一写为 JWT。
最后，将上面的 JSON 对象使用 Base64URL 算法（详见后文）转成字符串。
3.2 Payload
Payload 部分也是一个 JSON 对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT 规定了7个官方字段，供选用:
- iss (issuer)：签发人
- exp (expiration time)：过期时间
- sub (subject)：主题
- aud (audience)：受众
- nbf (Not Before)：生效时间
- iat (Issued At)：签发时间
- jti (JWT ID)：编号
除了官方字段，你还可以在这个部分定义私有字段，下面就是一个例子:
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": true
}
注意，JWT 默认是不加密的，任何人都可以读到，所以不要把秘密信息放在这个部分。
这个 JSON 对象也要使用 Base64URL 算法转成字符串。
3.3 Signature
Signature 部分是对前两部分的签名，防止数据篡改。
首先，需要指定一个密钥（secret）。这个密钥只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用 Header 里面指定的签名算法（默认是 HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。
Signature = HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)
算出签名以后，把 Header、Payload、Signature 三个部分拼成一个字符串，每个部分之间用"点"（.）分隔，就可以返回给用户。
3.4 Base64URL
前面提到，Header 和 Payload 串型化的算法是 Base64URL。这个算法跟 Base64 算法基本类似，但有一些小的不同。
JWT 作为一个令牌（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_ 。这就是 Base64URL 算法。
四、JWT 的使用方式
客户端收到服务器返回的 JWT，可以储存在 Cookie 里面，也可以储存在 localStorage。
此后，客户端每次与服务器通信，都要带上这个 JWT。你可以把它放在 Cookie 里面自动发送，但是这样不能跨域，所以更好的做法是放在 HTTP 请求的头信息 ==Authorization== 字段里面。
Authorization: Bearer <token>
另一种做法是，跨域的时候，JWT 就放在 POST 请求的数据体里面。
五、JWT 的几个特点
- 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 的最大缺点是，由于服务器不保存 session 状态，因此无法在使用过程中废止某个 token，或者更改 token 的权限。也就是说，一旦 JWT 签发了，在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。
- 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。
