全方位解析！会话、Cookie、令牌与JWT的工作原理与实际应用
在现代互联网应用中，安全性和用户体验是两个至关重要的因素。随着移动设备的普及和分布式系统的兴起，传统的 Session 认证方式逐渐显露出其局限性。Token 认证作为一种新兴的身份验证机制，因其无状态的特性和良好的扩展性而受到广泛关注。Token 的使用不仅简化了用户的登录流程，还有效减轻了服务器的负担。在本文中，我们将深入探讨 Token 的定义、组成和优势，特别是在电商平台和第三方服务集成中的应用。我们还将介绍 JSON Web Token（JWT），作为 Token 的一种特定形式，JWT 在实现无缝用户体验和增强安全性方面具有显著优势。
HTTP协议是一个“无状态协议”，即每当服务器收到客户端的请求时，这都是一个全新的请求，服务器并不知道客户端的历史请求记录。Session和Cookie的主要目的就是弥补HTTP的无状态特性。
什么是Session？
当客户端请求服务器时，服务器会为该请求打开一个“内存空间”。这个内存空间存储Session对象，存储结构是ConcurrentHashMap。Session弥补了HTTP的无状态特性。服务器可以通过Session存储客户端在同一会话期间的一些操作记录。
如何判断是否是同一会话？
当服务器第一次接收到请求时，会打开一个Session空间（创建一个Session对象），同时生成一个sessionId，并通过响应头中的Set-Cookie: JSESSIONID=XXX命令向客户端发送响应，请求设置Cookie。
客户端收到响应后，会在本地设置一个JSESSIONID=XXX的Cookie信息。这个Cookie的过期时间是浏览器会话结束时。
下次当客户端向同一网站发送请求时，请求头将携带这个Cookie信息（包括sessionId）。然后，通过读取请求头中的Cookie信息，服务器获得名为JSESSIONID的值，并获取该请求的sessionId。
Session的缺点
然而，Session机制有一个缺点。如果你的服务器进行了负载均衡，并在第一次请求时将Session存储在服务器A上。假设在一段时间内，服务器A的流量激增，请求将被转发到服务器B进行访问。但是服务器B并不存储服务器A的Session，这将导致Session失效。
什么是Cookie？
在介绍Session时，你应该注意到Cookie已经被提到。Session是基于Cookie实现的。Session存储在服务器端，而sessionId则存储在客户端的Cookie中。
HTTP协议中的Cookies包括Web Cookie和浏览器 Cookie。它是服务器发送到Web浏览器的小块数据。服务器发送给浏览器的Cookie将被浏览器存储，并在下次请求时与其他请求一起发送回服务器。通常用于确定两个请求是否来自同一浏览器，例如用户保持登录状态时。
Cookies主要用于以下三个目的：
1. 会话管理
与服务器协作，通过存储
sessionid来识别用户会话。
2. 存储用户信息
登录状态：记住用户是否已登录。下次访问时无需再次登录。
偏好设置：如语言、主题等。下次访问时自动应用。
3. 跟踪用户行为
浏览历史：记录访问的页面，以便于推荐和导航。
分析行为：了解用户习惯，以优化和精准营销。
创建Cookies
当服务器接收到来自客户端的HTTP请求时，可以发送带有Set-Cookie头的响应。Cookies通常由浏览器存储，然后随HTTP头一起发送到服务器。
Set-Cookie和Cookie头
Set-Cookie HTTP响应头将Cookies从服务器发送到用户代理。下面是发送Cookie的示例。
这个头告诉客户端存储Cookies。
现在，每次向服务器发起新请求时，浏览器都会通过Cookie头将所有先前存储的Cookies发送回服务器。
有两种类型的Cookies。一种是Session Cookies，另一种是Persistent Cookies。如果一个cookie不包含过期日期，它被视为会话cookie。Session cookies存储在内存中，从不写入磁盘。当浏览器关闭时，cookie将永久丢失。如果一个cookie包含“过期时间”，则被视为持久性cookie。在指定的过期日期，cookie将从磁盘中删除。
还有“Secure和HttpOnly标志”。让我们逐一介绍它们。
Session Cookies
上面的示例创建了一个会话cookie。会话cookie的一个特征是，当客户端关闭时，该cookie将被删除，因为没有指定Expires或Max-Age指令。
但是，网页浏览器可能会使用会话恢复，这将使大多数会话cookie保持在永久状态，就好像浏览器从未关闭过。
持久性Cookies
持久性cookies在客户端关闭时不会过期。相反，它们在“特定日期（Expires）”或“特定时间段（Max-Age）”后过期。例如：
Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Sat, 21 Sep 2024 11:28:00 GMT;
Secure和HttpOnly标志
Secure cookies需要通过HTTPS协议以加密方式发送到服务器。即使它们是安全的，敏感信息也不应存储在cookies中，因为它们本质上是不安全的，这个标志并不能提供真正的保护。
HttpOnly的功能：
会话cookie中缺少HttpOnly属性可能导致攻击者通过程序（JS脚本、Applet等）获取用户的cookie信息，从而导致用户cookie信息泄露，增加跨站脚本攻击的威胁。
HttpOnly是微软对cookies的扩展。这个值指定cookies是否可以通过客户端脚本访问。
如果cookies中没有将HttpOnly属性设置为true，可能导致cookie被窃取。被窃取的cookies可能包含识别网站用户的敏感信息，例如ASP.NET会话ID或Forms身份验证票据。攻击者可以重放被窃取的cookies伪装成用户，获取敏感信息并进行跨站脚本攻击。
Cookies的范围
Domain和Path标识符定义了cookies的范围：即cookies应发送到哪些URL。
Domain标识符指定可以接受cookies的主机。如果未指定，当前主机（不包括子域）为默认值。如果指定了Domain，通常会包括子域。
例如，如果设置Domain=mozilla.org，则cookies也包括子域（如developer.mozilla.org）。
例如，如果设置Path=/test，则以下地址都将匹配：
/test/test/user//test/user/login
为什么在已有Session的情况下还需要Token？
在现代Web开发中，虽然Session在一定程度上可以实现用户认证和状态管理，但它也有一些局限性。
Session的局限性
假设你在经营一个大型在线购物商城。当用户登录你的商城时，服务器会创建一个Session来记录用户的登录状态。这个Session就像在商城服务台为用户准备的专属卡，记录用户的身份信息。
然而，当你的商城业务越来越繁忙，许多用户同时在线购物时，服务器需要为每个用户保存这个Session信息，这将占用大量的服务器内存资源。此外，如果你的商城使用多个服务器共享流量（例如通过负载均衡器），那么需要复杂的机制来确保当用户在不同服务器之间切换时，他们的Session信息能够正确传输和识别。否则，用户可能会突然被登出或无法正常购物。
另外，假设用户在手机上购物时，突然有紧急事务需要外出。这时，如果用户再次使用另一设备（如平板）访问你的商城，由于Session通常绑定在特定设备上，用户可能需要重新登录，这将给用户带来不便。
Token 的优势
现在，让我们介绍 Token。Token 就像一个神奇的通行证。当用户成功登录后，服务器会生成一个包含用户身份信息的 Token，并将其返回给用户。用户可以将这个 Token 保存在自己的设备上（例如浏览器的本地存储中）。
当用户在商场浏览产品、加入购物车或结账时，只需在每次请求中携带这个 Token。服务器收到请求后，可以通过验证 Token 的有效性来判断用户的身份和权限，而不必查找和管理复杂的 Session 信息。
例如，用户在手机上登录商场并获得 Token。当用户外出并再次使用平板电脑访问商场时，只需在平板浏览器中提供这个 Token，服务器就能立即识别用户的身份，而用户无需再次登录。此外，无论商场中有多少用户同时在线，服务器都无需为每个用户保存大量的 Session 信息，只需验证每次请求的 Token，大大减轻了服务器的负担。
另外，Token 可以与第三方服务轻松集成。例如，如果商场想与外部支付服务合作，只需将 Token 传递给支付服务。支付服务可以通过验证 Token 确定用户的身份，而无需建立自己的 Session 管理机制。
现在让我们详细介绍 Token。
什么是 Token？
访问 Token
访问 Token 是访问资源接口（API）时所需的凭证。
Token 的组成并不是固定的。一个简单的 Token 组成包括：
uid（用户的唯一身份标识符）；time（当前时间的时间戳）；sign（签名，是从 Token 的前几个数字中通过哈希算法压缩而成的十六进制字符串）。
import java.security.MessageDigest;
import java.util.Base64;
import java.util.Date;
public class TokenGenerator {
public static String generateToken(int uid) {
long time = new Date().getTime();
String tokenContent = uid + "-" + time;
// 为 Token 内容生成签名。
String sign = generateSign(tokenContent);
return uid + "-" + time + "-" + sign;
}
// 使用 SHA-256 哈希算法为给定内容生成签名。
private static String generateSign(String content) {
try {
MessageDigest digest = MessageDigest.getInstance("SHA-256");
byte[] hash = digest.digest(content.getBytes());
StringBuilder hexString = new StringBuilder();
for (byte b : hash) {
// 将每个字节转换为两位十六进制字符串。
String hex = Integer.toHexString(0xff & b);
if (hex.length() == 1) hexString.append('0');
hexString.append(hex);
}
return hexString.substring(0, 8);
} catch (Exception e) {
return null;
}
}
public static void main(String[] args) {
int uid = 1234;
String token = generateToken(uid);
System.out.println("生成的 Token: " + token);
}
}
输出：
生成的 Token: 1234-1729530432169-3638dd14
它具有以下特点：
服务器是无状态的，具有良好的可扩展性。
支持移动设备。
安全性足够高。
支持跨程序调用。
Token 验证过程：
从上述过程可以知道，Token 需要在每个后续请求中携带，因此 Token 需要放置在 HTTP Header 中。基于 Token 的用户验证是一种服务器端无状态的验证方法，服务器无需存储 Token 数据。解析 Token 的计算时间换取了 Session 的存储空间，从而减轻了服务器的压力，减少了频繁的数据库查询操作。
此外，Token 完全由应用程序自己管理，因此可以避免同源策略的限制。
Refresh Token 是另一种专用于刷新访问 Token 的 Token。如果没有 Refresh Token，访问 Token 也可以被刷新，但每次刷新时用户需要输入登录用户名和密码，这会非常麻烦。有了 Refresh Token，这个麻烦就可以减少。客户端直接使用 Refresh Token 更新访问 Token，而用户无需进行额外操作。
访问 Token 的有效期通常较短。当访问 Token 由于过期变得无效时，可以使用 Refresh Token 获取新的 Token。如果 Refresh Token 也过期，用户只能重新登录。
此外，Refresh Token 和过期时间存储在服务器的数据库中，仅在申请新访问 Token 时进行验证。这不会影响业务接口的响应时间，也不需要像 Session 一样一直保存在内存中以处理大量请求。
JSON Web Token
Token 是一个更广泛的概念，而 JSON Web Token（JWT）是一种具有特定结构和特性的 Token。JWT 在某些场景中具有优势，例如需要自包含的认证信息、跨平台使用，以及对可扩展性有较高要求的场景。我们将在后续文章中提供对 JWT 的具体介绍。
结论
通过对 Token 的深入分析，我们可以看到，它在现代 web 应用中的重要性不可忽视。Token 不仅为用户提供了便捷的访问方式，减少了重复登录的麻烦，还通过无状态的验证机制大幅减轻了服务器的压力。这种设计使得系统能够更好地应对高并发的请求，确保良好的用户体验。
此外，Token 的灵活性使其能够与第三方服务轻松集成，为开发者提供了更大的自由度。尤其是在需要与外部支付服务或其他 API 进行交互的场景中，Token 的使用简化了身份验证的复杂性，提升了整体效率。
最后，随着对数据安全和隐私保护要求的提高，Token 认证特别是 JWT 的自包含特性，将在未来的开发中扮演更为重要的角色。我们期待在后续的文章中，进一步探讨 JWT 的具体实现及其在各种场景下的应用潜力。通过掌握 Token 的工作原理和应用策略，开发者将能够设计出更加安全、高效的系统，满足不断变化的市场需求。
