JSON Web Token (JWT) 详解：由来、原理与应用实践

1. JWT的由来与发展背景

 1.1 HTTP无状态性带来的挑战

        HTTP协议本质上是无状态的，这意味着服务器不会记住之前的请求信息。在早期的Web应用中，用户每次访问受保护资源都需要重新登录，这显然不是良好的用户体验。为解决这一问题，开发者引入了Cookie技术，通过在请求和响应报文中写入Cookie信息来控制客户端状态。

 1.2 Session认证机制的局限性

        传统的基于Session的身份认证机制虽然解决了HTTP无状态的问题，但随着互联网应用的发展，逐渐暴露出几个关键问题：

1.服务器压力增大：每个认证用户都需要在服务端保存Session数据，随着用户量增长，服务器内存消耗显著增加。

2.扩展性问题：在分布式系统或集群环境下，Session数据通常存储在单台服务器内存中，当用户请求被负载均衡到不同服务器时，会出现Session不一致的问题。

3.CSRF攻击风险：Session机制依赖Cookie，容易受到跨站请求伪造(CSRF)攻击。

4.移动端适配困难：移动应用对Cookie的支持不如浏览器完善，使得基于Session的认证在移动端表现不佳。

1.3 JWT的诞生

        为解决上述问题，JSON Web Token(JWT)应运而生。JWT是一种开放标准(RFC 7519)，定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间安全地传输JSON格式的信息。JWT的设计理念是将用户认证信息直接包含在Token中，而不是存储在服务器端，从而实现了无状态认证。

2. JWT的核心结构与工作原理

2.1 JWT的组成结构

JWT由三部分组成，使用点号(.)连接：`Header.Payload.Signature`

2.1.1 Header(头部)

头部通常包含两部分信息：
typ：令牌类型，固定为"JWT"
alg：签名算法，如HS256(HMAC SHA-256)或RS256(RSA SHA-256)

示例：

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

头部经过Base64Url编码后形成JWT的第一部分。

2.1.2 Payload(负载)

负载包含声明(claims)，即关于实体(通常是用户)和其他元数据的声明。声明分为三种类型：

1. 注册声明(Registered claims)：预定义的声明，建议但不强制使用：
   - iss (issuer)：签发者
   - exp (expiration time)：过期时间
   - sub (subject)：主题(用户ID)
   - aud (audience)：接收方
   - iat (issued at)：签发时间
   - nbf (not before)：生效时间
   - jti (JWT ID)：唯一标识

2. 公共声明(Public claims)：可以自定义的公开字段，应避免冲突

3. 私有声明(Private claims)：提供者和消费者共同定义的声明

示例：