网络通信和IO（9）：Cookie、Session、Token

Cookie 和 Session

HTTP 协议是一种无状态协议，即每次服务端接收到客户端的请求时，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 的主要目的就是为了弥补 HTTP 的无状态特性。

Session 是什么

客户端请求服务端，服务端会为这次请求开辟一块内存空间，这个对象便是 Session 对象，存储结构为 ConcurrentHashMap。Session 弥补了 HTTP 无状态特性，服务器可以利用 Session 存储客户端在同一个会话期间的一些操作记录。

Session 如何判断是否是同一会话

服务器第一次接收到请求时，开辟了一块 Session 空间（创建了Session对象），同时生成一个 sessionId ，并通过响应头的**Set-Cookie：JSESSIONID=XXXXXXX ** 命令，向客户端发送要求设置 Cookie 的响应；客户端收到响应后，在本机客户端设置了一个 **JSESSIONID=XXXXXXX **的 Cookie 信息，该 Cookie 的过期时间为浏览器会话结束；

接下来客户端每次向同一个网站发送请求时，请求头都会带上该 Cookie信息（包含 sessionId ）， 然后，服务器通过读取请求头中的 Cookie 信息，获取名称为 JSESSIONID 的值，得到此次请求的 sessionId。

Session 的缺点

Session 机制有个缺点，比如两台服务器做了负载均衡，假如第一次登陆访问的是A服务器，第二次请求被负载到了服务器B，但是B服务器并没有那个Session，会导致 Session 的失效。

Cookies 是什么

HTTP 协议中的 Cookie 包括 Web Cookie 和浏览器 Cookie，它是服务器发送到 Web 浏览器的一小块数据。服务器发送到浏览器的 Cookie，浏览器会进行存储，并与下一个请求一起发送到服务器。通常，它用于判断两个请求是否来自于同一个浏览器，例如用户保持登录状态。

HTTP Cookie 机制是 HTTP 协议无状态的一种补充和改良

Cookie 主要用于下面三个目的

会话管理：登陆、购物车、游戏得分或者服务器应该记住的其他内容

个性化：用户偏好、主题或者其他设置

追踪：记录和分析用户行为

Cookie 曾经用于一般的客户端存储。虽然这是合法的，因为它们是在客户端上存储数据的唯一方法，但如今建议使用现代存储 API。Cookie 随每个请求一起发送，因此它们可能会降低性能（尤其是对于移动数据连接而言）。

创建 Cookie

当接收到客户端发出的 HTTP 请求时，服务器可以发送带有响应的 Set-Cookie 标头，Cookie 通常由浏览器存储，然后将 Cookie 与 HTTP 标头一同向服务器发出请求。

Set-Cookie 和 Cookie 标头

Set-Cookie：HTTP 响应标头将 cookie 从服务器发送到用户代理。

下面是一个发送 Cookie 的例子，此标头告诉客户端存储 Cookie

现在，随着对服务器的每个新请求，浏览器将使用 Cookie 头将所有以前存储的 Cookie 发送回服务器。

有两种类型的 Cookies，一种是 Session Cookies，一种是 Persistent Cookies

如果 Cookie 不包含到期日期，则将其视为会话 Cookie。会话 Cookie 存储在内存中，永远不会写入磁盘，当浏览器关闭时，此后 Cookie 将永久丢失。

如果 Cookie 包含有效期 ，则将其视为持久性 Cookie。在到期指定的日期，Cookie 将从磁盘中删除。

还有一种是 Cookie的 Secure 和 HttpOnly 标记，下面依次来介绍一下

会话 Cookies

上面的示例创建的是会话 Cookie ，会话 Cookie 有个特征，客户端关闭时 Cookie 会删除，因为它没有指定Expires或 Max-Age 指令。但是，Web 浏览器可能会使用会话还原，这会使大多数会话 Cookie 保持永久状态，就像从未关闭过浏览器一样。

永久性 Cookies

永久性 Cookie 不会在客户端关闭时过期，而是在特定日期（Expires）或特定时间长度（Max-Age）外过期。例如

Set-Cookie: id=a3fWa; Expires=Wed, 21 Oct 2015 07:28:00 GMT;

Cookie 的 Secure

安全的 Cookie 需要经过 HTTPS 协议通过加密的方式发送到服务器。即使是安全的，也不应该将敏感信息存储在cookie 中，因为它们本质上是不安全的，并且此标志不能提供真正的保护。

HttpOnly 的作用

• HttpOnly 是微软对 Cookie 做的扩展，该值指定 Cookie 是否可通过客户端脚本访问。

• 如果在 Cookie 中没有设置 HttpOnly 属性为 true，可能导致 Cookie 被窃取。窃取的 Cookie 可以包含标识站点用户的敏感信息，如 ASP.NET 会话 ID 或 Forms 身份验证票证，攻击者可以重播窃取的 Cookie，以便伪装成用户或获取敏感信息，进行跨站脚本攻击等。

• 会话 Cookie 中缺少 HttpOnly 属性会导致攻击者可以通过程序(JS脚本、Applet等)获取到用户的 Cookie 信息，造成用户 Cookie 信息泄露，增加攻击者的跨站脚本攻击威胁。

Cookie 的作用域

Domain 和 Path 标识定义了 Cookie 的作用域：即 Cookie 应该发送给哪些 URL。

Domain 标识指定了哪些主机可以接受 Cookie。如果不指定，默认为当前主机(不包含子域名）。如果指定了Domain，则一般包含子域名。

例如，如果设置 Domain=mozilla.org，则 Cookie 也包含在子域名中（如developer.mozilla.org）。

例如，设置 Path=/docs，则以下地址都会匹配：

• /docs

• /docs/Web/

• /docs/Web/HTTP

发展史

**一阶段：**很久很久以前，Web 基本上就是文档的浏览而已， 既然是浏览，作为服务器，不需要记录谁在某一段时间里都浏览了什么文档，每次请求都是一个新的HTTP协议， 就是请求加响应， 尤其是我不用记住是谁刚刚发了HTTP请求， 每个请求对我来说都是全新的。这段时间很嗨皮。

**二阶段：**但是随着交互式Web应用的兴起，像在线购物网站，需要登录的网站等等，马上就面临一个问题，那就是要管理会话，必须记住哪些人登录系统， 哪些人往自己的购物车中放商品， 也就是说我必须把每个人区分开，这就是一个不小的挑战，因为HTTP请求是无状态的。

所以想出的办法就是给大家发一个会话标识(session id), 说白了就是一个随机的字串，每个人收到的都不一样， 每次大家向我发起HTTP请求的时候，把这个字符串给一并捎过来， 这样我就能区分开谁是谁了，这种方式就是前面说的Session+Cookie

**三阶段：**这样大家很嗨皮了，可是服务器就不嗨皮了，每个人只需要保存自己的session id，而服务器要保存所有人的session id ！如果访问服务器多了， 就得由成千上万，甚至几十万个。这对服务器说是一个巨大的开销 ， 严重的限制了服务器扩展能力

而且 比如说我用两个机器组成了一个集群， 小F通过机器A登录了系统， 那session id会保存在机器A上， 假设小F的下一次请求被转发到机器B怎么办？机器B可没有小F的 session id啊。

有时候会采用一点小伎俩：session sticky ，就是让小F的请求一直粘连在机器A上，但是这也不管用，要是机器A挂掉了， 还得转到机器B去。

那只好做session 的复制了， 把session id 在两个机器之间搬来搬去， 快累死了。

后来有个叫Memcached的支了招：把session id 集中存储到一个地方， 所有的机器都来访问这个地方的数据，这样一来，就不用复制了， 但是增加了单点失败的可能性， 要是那个负责session 的机器挂了， 所有人都得重新登录一遍， 估计得被人骂死。

尝试把这个单点的机器也搞出集群，增加可靠性，但不管如何，这小小的session 对我来说是一个沉重的负担

**四阶段：**于是有人就一直在思考，我为什么要保存这可恶的session呢，只让每个客户端去保存该多好？

可是如果不保存这些session id , 怎么验证客户端发给我的session id 的确是我生成的呢？如果不去验证，我们都不知道他们是不是合法登录的用户，那些不怀好意的家伙们就可以伪造session id，为所欲为了。

嗯，对了，关键点就是验证 ！

比如说， 小F已经登录了系统， 我给他发一个令牌(token)， 里边包含了小F的 user id， 下一次小F 再次通过Http 请求访问我的时候， 把这个token 通过Http header 带过来不就可以了。

不过这和session id没有本质区别啊， 任何人都可以可以伪造，所以我得想点儿办法，让别人伪造不了。

那就对数据做一个签名吧， 比如说我用HMAC-SHA256 算法，加上一个只有我才知道的**， 对数据做一个签名， 把这个签名和数据一起作为token ， 由于**别人不知道， 就无法伪造token了。

这个token 我不保存，当小F把这个token给我发过来的时候，我再用同样的HMAC-SHA256 算法和同样的**，对数据再计算一次签名， 和token 中的签名做个比较，如果相同，我就知道小F已经登录过了，并且可以直接取到小F的user id , 如果不相同，数据部分肯定被人篡改过，我就告诉发送者：对不起，没有认证。

Token 中的数据是明文保存的（虽然我会用Base64做下编码， 但那不是加密），还是可以被别人看到的，所以我不能在其中保存像密码这样的敏感信息。

当然， 如果一个人的token 被别人偷走了，那我也没办法，我也会认为小偷就是合法用户，这其实和一个人的session id 被别人偷走是一样的。

这样一来， 我就不保存session id 了， 我只是生成token，然后验证token，我用我的CPU计算时间获取了我的session 存储空间 ！

解除了session id这个负担， 可以说是无事一身轻， 我的机器集群现在可以轻松地做水平扩展， 用户访问量增大， 直接加机器就行。这种无状态的感觉实在是太好了！

Token

在Web领域基于Token的身份验证随处可见。在大多数使用Web API的互联网公司中，tokens 是多用户下处理认证的最佳方式。

以下几点特性会让你在程序中使用基于Token的身份验证

1.无状态、可扩展

2.支持移动设备

3.跨程序调用

4.安全

那些使用基于Token的身份验证的大佬们，大部分你见到过的API和Web应用都使用tokens。例如Facebook, Twitter, Google+, GitHub等。

Token的起源

在介绍基于Token的身份验证的原理与优势之前，不妨先看看之前的认证都是怎么做的。

基于服务器的验证

我们都是知道HTTP协议是无状态的，这种无状态意味着程序需要验证每一次请求，从而辨别客户端的身份。

在这之前，程序都是通过在服务端存储的登录信息来辨别请求的。这种方式一般都是通过存储Session来完成。

随着Web，应用程序，已经移动端的兴起，这种验证的方式逐渐暴露出了问题。尤其是在可扩展性方面。

基于服务器验证方式暴露的一些问题

**Seesion：**每次认证用户发起请求时，服务器需要去创建一个记录来存储信息。当越来越多的用户发请求时，内存的开销也会不断增加。

**可扩展性：**在服务端的内存中使用Seesion存储登录信息，伴随而来的是可扩展性问题。

**CORS(跨域资源共享)：**当我们需要让数据跨多台移动设备上使用时，跨域资源的共享会是一个让人头疼的问题。在使用Ajax抓取另一个域的资源，就可以会出现禁止请求的情况。

**CSRF(跨站请求伪造)：**用户在访问银行网站时，他们很容易受到跨站请求伪造的攻击，并且能够被利用其访问其他的网站。

在这些问题中，可扩展行是最突出的。因此我们有必要去寻求一种更有行之有效的方法。

基于Token的验证原理

基于Token的身份验证是无状态的，我们不将用户信息存在服务器或Session中。这种概念解决了在服务端存储信息时的许多问题

基于Token的身份验证的过程如下:

1.用户通过用户名和密码发送请求。

2.程序验证。

3.程序返回一个签名的token 给客户端。

4.客户端储存token,并且每次用于每次发送请求。

5.服务端验证token并返回数据。

每一次请求都需要token。token应该在HTTP的头部发送从而保证了Http请求无状态。我们同样通过设置服务器属性Access-Control-Allow-Origin:* ，让服务器能接受到来自所有域的请求。

需要注意的是，在ACAO头部标明(designating)*时，不得带有像HTTP认证，客户端SSL证书和cookies的证书。

实现思路：

1.用户登录校验，校验成功后就返回Token给客户端。

2.客户端收到数据后保存在客户端

3.客户端每次访问API是携带Token到服务器端。

4.服务器端采用filter过滤器校验。校验成功则返回请求数据，校验失败则返回错误码

当我们在程序中认证了信息并取得token之后，我们便能通过这个Token做许多的事情。

我们甚至能基于创建一个基于权限的token传给第三方应用程序，这些第三方程序能够获取到我们的数据（当然只有在我们允许的特定的token）

Tokens的优势

无状态、可扩展

在客户端存储的Tokens是无状态的，并且能够被扩展。基于这种无状态和不存储Session信息，负载负载均衡器能够将用户信息从一个服务传到其他服务器上。

如果我们将已验证的用户的信息保存在Session中，则每次请求都需要用户向已验证的服务器发送验证信息(称为Session亲和性)。用户量大时，可能会造成一些拥堵。

但是不要着急。使用tokens之后这些问题都迎刃而解，因为tokens自己hold住了用户的验证信息。

安全性

请求中发送token而不再是发送cookie能够防止CSRF(跨站请求伪造)。

即使在客户端使用cookie存储token，cookie也仅仅是一个存储机制而不是用于认证。不将信息存储在Session中，让我们少了对session操作。

token是有时效的，一段时间之后用户需要重新验证。我们也不一定需要等到token自动失效，token有撤回的操作，通过token revocataion可以使一个特定的token或是一组有相同认证的token无效。

可扩展性

Tokens能够创建与其它程序共享权限的程序。例如，能将一个随便的社交帐号和自己的大号(Fackbook或是Twitter)联系起来。当通过服务登录Twitter(我们将这个过程Buffer)时，我们可以将这些Buffer附到Twitter的数据流上(we are allowing Buffer to post to our Twitter stream)。

使用tokens时，可以提供可选的权限给第三方应用程序。当用户想让另一个应用程序访问它们的数据，我们可以通过建立自己的API，得出特殊权限的tokens。

多平台跨域

我们提前先来谈论一下CORS(跨域资源共享)，对应用程序和服务进行扩展的时候，需要介入各种各种的设备和应用程序。

只要用户有一个通过了验证的token，数据和资源就能够在任何域上被请求到。

Access-Control-Allow-Origin: *

基于标准创建token的时候，你可以设定一些选项。我们在后续的文章中会进行更加详尽的描述，但是标准的用法会在JSON Web Tokens体现。

最近的程序和文档是供给JSON Web Tokens的。它支持众多的语言。这意味在未来的使用中你可以真正的转换你的认证机制。

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参考文章

https://mp.weixin.qq.com/s/yXX-yXqBhZiOFSgPavyv0Q

https://mp.weixin.qq.com/s/DeERrIodO2WUT5ZevOQ3bA