Spring Boot和Shiro教程-JWT和无状态认证

# 1. 引言

## 1.1 什么是Spring Boot

Spring Boot是一个用于快速构建基于Spring框架的应用程序的开源框架。它采用约定大于配置的理念，能够帮助开发者快速搭建基于Spring的项目，简化配置，并且内嵌了常用的服务器，如Tomcat、Jetty等，使得应用程序可以独立运行。

## 1.2 什么是Shiro

Shiro是一个强大且易用的Java安全框架，提供了身份认证、授权、加密、会话管理等功能。Shiro的设计目标是使其易于理解和使用，同时也是一个非常灵活的框架，可以很容易地集成到任何基于Java的应用中。

## 1.3 JWT和无状态认证的作用和优势

JWT是一种基于JSON的开放标准（RFC 7519），用于在各方之间安全地传输信息。它可以通过数字签名进行验证，因此是一种安全可靠的身份认证方式。无状态认证是指服务端不保存用户状态信息，每次请求都包含了所有的信息，这样可以减少服务器的存储压力，适合分布式系统和微服务架构。

接下来我们将深入了解Spring Boot、Shiro以及无状态认证和JWT的相关内容。

# 2. Spring Boot和Shiro基础知识

在开始深入讨论Spring Boot与Shiro的集成之前，让我们先了解一些相关的基础知识。

### 2.1 Spring Boot概述

Spring Boot是一个用于简化Spring应用开发的框架。它集成了大量常用的第三方库，提供了一种快速而简单的方式来构建独立的、生产级别的Spring应用。Spring Boot通过自动配置和优化的默认值，大大减少了开发者的配置工作量，同时提供了内嵌的HTTP服务器（如Tomcat、Jetty等），使得应用的部署和运行变得更加方便。

### 2.2 Shiro概述

Shiro是一个功能强大且易于使用的Java安全框架。它提供了身份验证、授权、加密和会话管理等安全特性，可以方便地集成到任何Java应用中。Shiro的设计理念是简单和直观的，同时也非常灵活，可以根据具体需求进行定制和扩展。

### 2.3 Spring Boot和Shiro结合的原理

Spring Boot和Shiro的结合非常简单。首先，我们需要在Spring Boot项目的依赖中添加Shiro的相关库。然后，在配置文件中设置相关的Shiro配置，包括身份验证、授权等。最后，我们可以使用Shiro提供的注解和API来保护我们的应用资源，实现安全的访问控制。

Spring Boot和Shiro的结合，可以帮助我们快速搭建安全可靠的应用，提供灵活的身份验证和授权机制。接下来，我们将重点讨论JWT认证和无状态认证的实现，并结合Spring Boot和Shiro进行实践。

# 3. JWT认证原理和使用

#### 3.1 什么是JWT

JWT（JSON Web Token）是一种用于身份验证和授权的开放标准，它使用JSON格式在用户和服务器之间安全地传输声明。JWT由三部分组成：头部（Header）、负载（Payload）和签名（Signature）。头部包含算法和令牌类型等信息，负载包含要传输的声明信息，签名用于验证Token的真实性。

#### 3.2 JWT的组成和流程

JWT的流程如下：

1. 用户通过身份验证（例如用户名和密码）向服务器请求访问资源。
2. 服务器验证身份，并生成一个JWT。
3. 服务器将JWT返回给用户。
4. 用户在每次请求时，将JWT放入HTTP请求头部的Authorization字段中进行发送。
5. 服务器在接收到请求时，解析JWT并验证签名、有效期等信息。
6. 服务器根据JWT中的声明信息进行授权操作，决定用户是否有权限访问资源。

#### 3.3 使用JWT进行认证和授权

在Spring Boot中使用JWT进行认证和授权可以通过以下步骤实现：

1. 用户身份验证成功后，使用JWT生成Token，并将Token返回给客户端。
2. 客户端在每次请求时，将Token放入HTTP请求头部的Authorization字段中。
3. 服务器在接收到请求时，解析JWT并验证签名和有效期。
4. 服务器根据JWT中的声明信息判断用户是否有权限访问资源。

示例代码如下（使用Java语言）：

import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;
import java.util.Date;

public class JwtUtil {
   private static final String SECRET_KEY = "your_secret_key";
   private static final long EXPIRATION_TIME = 1000 * 60 * 60 * 24; // 24 hours

   public static String generateToken(String username) {
       Date now = new Date();
       Date expiration = new Date(now.getTime() + EXPIRATION_TIME);

       return Jwts.builder()
               .setSubject(username)
               .setIssuedAt(now)
               .setExpiration(expiration)
               .signWith(SignatureAlgorithm.HS512, SECRET_KEY)
               .compact();
   }

   public static Claims parseToken(String token) {
       return Jwts.parser()
               .setSigningKey(SECRET_KEY)
               .parseClaimsJws(token)
               .getBody();
   }

   public static boolean validateToken(String token) {
       try {
           Jwts.parser().setSigningKey(SECRET_KEY).parseClaimsJws(token);
           return true;
       } catch (Exception e) {
           return false;
       }
   }
}

上述代码中，`generateToken`方法用于生成Token，`parseToken`方法用于解析Token并获取其中的声明信息，`validateToken`方法用于验证Token的真实性。

需要注意的是，为了保证安全性，应该将密钥进行妥善保管，避免泄露。

通过上述代码，我们可以在Spring Boot应用中使用JWT进行认证和授权，实现无状态的用户身份验证。

# 4. Spring Boot集成Shiro

在前面的章节中，我们已经介绍了Spring Boot和Shiro的基础知识以及JWT的认证原理和使用方法。本章节将详细讲解如何在Spring Boot项目中集成Shiro，并使用JWT实现认证和授权功能。

#### 4.1 添加Shiro依赖

首先，在Spring Boot项目的`pom.xml`文件中添加Shiro的依赖。可以根据需要选择不同的版本。

<dependency>
    <groupId>org.apache.shiro</groupId>
    <artifactId>shiro-spring-boot-starter</artifactId>
    <version>1.7.1</version>
</dependency>

#### 4.2 Shiro配置文件的设置

接下来，我们需要在Spring Boot项目中创建一个`ShiroConfig`类，用于配置Shiro的相关信息。

首先，我们需要配置Shiro的安全管理器`SecurityManager`，在`ShiroConfig`类中添加如下配置：

@Configuration
public class ShiroConfig {

    @Bean
    public SecurityManager securityManager() {
        DefaultWebSecurityManager securityManager = new DefaultWebSecurityManager();
        // 设置Realm
        securityManager.setRealm(userRealm());
        // 设置RememberMe管理器
        securityManager.setRememberMeManager(rememberMeManager());
        return securityManager;
    }

    @Bean
    public UserRealm userRealm() {
        return new UserRealm();
    }

    @Bean
    public RememberMeManager rememberMeManager() {
        // 配置rememberMe Cookie
        SimpleCookie cookie = new SimpleCookie("rememberMe");
        cookie.setHttpOnly(true);
        cookie.setMaxAge(7 * 24 * 60 * 60); // 7天

        // 配置RememberMeManager
        CookieRememberMeManager rememberMeManager = new CookieRememberMeManager();
        rememberMeManager.setCookie(cookie);
        return rememberMeManager;
    }

}

在上述配置中，我们使用`DefaultWebSecurityManager`作为安全管理器，并且设置了一个自定义的Realm和RememberMe配置。

#### 4.3 自定义Shiro过滤器

接下来，我们需要自定义Shiro的过滤器，用于处理认证和授权请求。

首先，在Spring Boot项目中创建一个`JwtFilter`类，继承`BasicHttpAuthenticationFilter`，用于处理JWT的认证过程。

public class JwtFilter extends BasicHttpAuthenticationFilter {

    @Override
    protected boolean isAccessAllowed(ServletRequest request, ServletResponse response, Object mappedValue) {
        // 判断请求是否包含JWT Token
        if (isJwtToken(request)) {
            try {
                // 执行JWT的认证过程
                executeJwtAuthentication(request, response);
                return true;
            } catch (AuthenticationException e) {
                // 认证失败，返回错误信息
                response401(response, e.getMessage());
                return false;
            }
        }
        // 没有JWT Token，继续执行其他过滤器
        return true;
    }

    private void executeJwtAuthentication(ServletRequest request, ServletResponse response) throws AuthenticationException {
        // 获取请求中的JWT Token
        String token = getJwtToken(request);
        // 构造JWT令牌
        JwtToken jwtToken = new JwtToken(token);
        // 委托给Realm进行认证和授权
        getSubject(request, response).login(jwtToken);
    }

    private boolean isJwtToken(ServletRequest request) {
        // 判断请求头是否存在Authorization字段，且以"Bearer "开头
        String authHeader = getAuthzHeader(request);
        return authHeader != null && authHeader.startsWith("Bearer ");
    }

    private String getAuthzHeader(ServletRequest request) {
        HttpServletRequest httpRequest = WebUtils.toHttp(request);
        return httpRequest.getHeader("Authorization");
    }

    private String getJwtToken(ServletRequest request) {
        String authHeader = getAuthzHeader(request);
        return authHeader.substring("Bearer ".length());
    }

    private void response401(ServletResponse response, String message) {
        HttpServletResponse httpResponse = WebUtils.toHttp(response);
        httpResponse.setStatus(HttpServletResponse.SC_UNAUTHORIZED);
        try {
            httpResponse.getWriter().write(message);
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

然后，在`ShiroConfig`类中添加如下配置来注册自定义的过滤器：

@Configuration
public class ShiroConfig {

    // ...

    @Bean
    public ShiroFilterFactoryBean shiroFilterFactoryBean(SecurityManager securityManager) {
        ShiroFilterFactoryBean filterFactoryBean = new ShiroFilterFactoryBean();
        filterFactoryBean.setSecurityManager(securityManager);
        // 设置未认证的请求跳转到登录页面
        filterFactoryBean.setLoginUrl("/login");
        // 设置自定义的过滤器
        Map<String, Filter> filters = new HashMap<>();
        filters.put("jwt", new JwtFilter());
        filterFactoryBean.setFilters(filters);
        // 设置URL过滤规则
        Map<String, String> filterChainDefinitionMap = new LinkedHashMap<>();
        filterChainDefinitionMap.put("/login", "anon");
        filterChainDefinitionMap.put("/**", "jwt");
        filterFactoryBean.setFilterChainDefinitionMap(filterChainDefinitionMap);
        return filterFactoryBean;
    }

}

在上述配置中，我们将未认证的请求跳转到登录页面，同时将所有请求都走自定义的JWT过滤器。

至此，我们已经完成了Spring Boot集成Shiro，并使用JWT实现认证和授权功能的配置。接下来，我们可以在控制器中使用Shiro的注解来限制访问权限。

需要注意的是，我们还需要在控制器中添加一个登录接口，用于接收用户的登录请求并生成JWT Token。这个部分的实现请参考前面章节中的代码。

在实际项目中，为了方便管理和维护，还可以根据具体需求对Shiro进行进一步的定制和配置。

### 参考资料

- [Apache Shiro官方文档](https://shiro.apache.org/documentation.html)

本章节详细介绍了如何在Spring Boot项目中集成Shiro，并使用JWT实现认证和授权功能。我们通过添加Shiro的依赖、配置安全管理器和自定义过滤器的方式来完成集成和配置。在实际项目中，可以根据具体需求对Shiro进行进一步的定制和配置。在下一章节中，我们将介绍如何实现无状态认证，以及无状态认证的优缺点。

# 5. 实现无状态认证

### 5.1 无状态认证的概念和原理

无状态认证是相对于有状态认证而言的，传统的认证方式通常需要在服务端存储用户的认证信息，比如Session、Token等。而无状态认证则是不依赖于服务端存储任何状态信息，而是将认证信息存储在客户端，每次请求时都携带认证信息进行验证。

无状态认证的原理是，服务端将用户的认证信息封装成一个特定格式的Token，经过加密后发送给客户端。客户端在之后的每一次请求中都会带上这个Token，服务端在接收到请求后解析Token，验证其有效性，从而完成认证。

### 5.2 使用JWT实现无状态认证

JWT（JSON Web Token）是一种用于身份认证的标准，它可以实现无状态认证。JWT由三部分组成：头部（Header），负载（Payload），签名（Signature）。头部包含了签名算法等信息，负载包含了用户的相关信息，签名用于验证Token的完整性和真实性。

以下是使用Java和Spring Boot集成JWT实现无状态认证的示例代码：

// 导入相关依赖
import io.jsonwebtoken.Claims;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.SignatureAlgorithm;

// 生成Token
public String generateToken(User user) {
    Claims claims = Jwts.claims().setSubject(user.getUsername());
    claims.put("userId", user.getId());
    claims.put("role", user.getRole());

    return Jwts.builder()
            .setClaims(claims)
            .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, "secretKey")
            .compact();
}

// 验证Token
public boolean validateToken(String token) {
    try {
        Jwts.parser().setSigningKey("secretKey").parseClaimsJws(token);
        return true;
    } catch (Exception e) {
        return false;
    }
}

// 解析Token
public User parseToken(String token) {
    Claims claims = Jwts.parser().setSigningKey("secretKey").parseClaimsJws(token).getBody();
    User user = new User();
    user.setUserId(claims.get("userId").toString());
    user.setUsername(claims.getSubject());
    user.setRole(claims.get("role").toString());
    return user;
}

### 5.3 无状态认证的优缺点

无状态认证的优点是：
- 服务端无需存储认证信息，减轻了服务器的压力；
- 适用于分布式架构，用户认证信息可在多个服务器间共享。

无状态认证的缺点是：
- Token的长度较长，每次请求都需要携带Token，可能会增加网络传输的开销；
- Token一旦泄漏，可能会被非法使用，因此需要采取相应的安全措施保护Token的安全性。

总结：无状态认证通过在客户端存储认证信息，避免了服务端存储用户状态的问题，使得系统更加灵活和可扩展，但也需要注意保护Token的安全性。使用JWT实现无状态认证是一种较为常见和成熟的做法，能够满足大部分身份认证场景的需求。

# 6. 总结和扩展

在本文中，我们介绍了如何使用Spring Boot和Shiro来实现JWT无状态认证。通过本文的学习，我们可以得出以下几点结论和扩展：

#### 6.1 本文总结

本文首先介绍了Spring Boot、Shiro和JWT的基本概念，然后详细讲解了如何将它们结合起来实现无状态认证。通过本文的学习，读者可以了解到无状态认证的优势，以及如何在实际项目中应用JWT和Shiro进行认证和授权。

#### 6.2 使用其他认证方式的可能性

除了JWT和Shiro，还有许多其他认证方式可以实现无状态认证，比如OAuth2、OpenID Connect等。在实际项目中，可以根据需求选择合适的认证方式，或者结合多种认证方式来满足项目需求。未来可能会有更多新的认证方式出现，开发者需要保持学习和更新自己的认证技术栈。

#### 6.3 对未来技术发展的展望

随着互联网和移动互联网的快速发展，用户对安全性和隐私保护的要求越来越高。未来，随着人工智能、区块链等新技术的发展，认证技术也将得到进一步的提升和改进。同时，随着数据泄露和网络攻击事件的频发，认证和授权技术必将成为互联网和信息安全领域的重要研究方向。

总的来说，我们需要不断学习和跟进最新的认证技术，同时也要关注安全领域的发展动态，以便及时应对和适应新的挑战。

通过本文对Spring Boot、Shiro和JWT的介绍，希望读者能对无状态认证有更深入的理解，并且能够在实际项目中灵活应用，提高系统的安全性和用户体验。

以上就是本文的总结和展望部分，希望能够对读者有所帮助。