Cookie、Session 和 Token 的基本原理

参考资料：

• Cookie、Session、Token 究竟区别在哪？如何进行身份认证，保持用户登录状态？- B 站

1 为什么提出 Cookie？HTTP 无状态

HTTP 是无状态的。你这次访问完服务器后，再次访问服务器，服务器是不知道又是你来访问的。

百度百科：HTTP 无状态

• HTTP 无状态协议，是指协议对于事务处理没有记忆能力。缺少状态意味着如果后续处理需要前面的信息，则它必须重传，这样可能导致每次连接传送的数据量增大。另一方面，在服务器不需要先前信息时它的应答就较快。
• HTTP 的每次请求都是独立的，它的应答情况与前后请求是无直接关系的，它不会受到前面请求的应答情况的直接影响，也不会直接影响后面请求的应答情况。

保持登录状态

• 通常，用户名和密码都保存在数据库中。每次登录的时候，比对用户输入的用户名、密码和数据库中的用户名、密码，比对成功就返回相应的页面。而如果我们想要保持登录状态，其核心就是存储用户名、密码，也就是允许记住用户名、密码。
• 假设我们就让浏览器来记住用户名、密码，那么我们还需要解决 HTTP 无状态的问题，也就是让浏览器想办法在每一次 HTTP 请求中都加入用户名、密码。而 Cookie 就是一种能够实现每次 HTTP 请求都自动携带数据给服务器的技术。

2 Cookie

Cookie 的基本流程如下图所示：

• 浏览器发起 HTTP 请求，服务器会使用 Set-Cookie 字段设置 Cookie；
• Cookie 中有 Name 和 Value 两个属性，均由服务器来进行填充；
• 浏览器收到 Cookie 后，会将 Cookie 存储起来；
• 浏览器以后每次发送 HTTP 请求都会自动携带该 Cookie；

我们可以直接在浏览器中查看存储了哪些 Cookie，由此可见把用户名、密码存储在 Cookie 当中是很不安全的。只要电脑被黑，Cookie 中的重要信息就会被泄露。因此，大家提出了一种新的技术 —— Session 会话。

个人感觉上图只是为了说明 Cookie 的作用，并没有代入存储用户名、密码的场景。

3 Session

Session 的基本流程如下图所示：

可以看出 Cookie 其实是一种数据的载体，它和 Session 并不是一种同级的关系。Cookie 里面可以存放一次 Session 会话的各种参数，并在后续的 HTTP 请求中自动进行携带。

• 会话的开始：浏览器访问服务器时；
• 会话的结束：服务器为该会话设置的结束时间；

服务器为与每个用户的会话都设置了唯一的 SessionID 和结束会话的时间 Max-age 。由于 SessionID 和 Max-age 都是服务器自己定义的东西，因此一般都存储在数据库中。

• 浏览器将登录时填写的用户名、密码发送给服务器；
• 服务器验证身份成功，创建 SessionID 和 Max-age 等参数；
• 服务器将 SessionID 和 Max-age 等参数放入 Cookie 中，其中 Cookie 的有效期被设置为 Max-age，然后发送给浏览器；
• 浏览器收到 Cookie 后对 SessionID 和 Max-age 等参数进行保存；

浏览器保存 Cookie 后，之后的每个 HTTP 请求都会自动把 Cookie 发送给服务器，即每次都会把 SessionID 发送给服务器。当 Cookie 的有效期到期时，浏览器会自动对其进行删除，代表着会话的结束。下一次用户登录时，就需要重新输入用户名、密码了。

由于在 Session 中浏览器保存的是 SessionID，即一个没有规律的字符串，而非用户名、密码，因此即使电脑被黑，黑客也无法获取到用户名、密码。此外，服务器在发送 Cookie 之前会对 Cookie 进行签名，一旦黑客修改了 SessionID，就会变成服务器无法识别的字符串。

4 Token

为什么使用 Token？

在特定时间有大量用户访问服务器的时候，服务器将要面临存储大量 SessionID 的情况。如果拥有多台服务器，那么为了避免某台服务器超载，可能会面临把 SessionID 分享给其他服务器的问题，即把一些用户分配给其他服务器。一直让服务器这样分享也不是办法，于是可以让数据库存储 SessionID，但是如果数据库崩溃了又会影响服务器获取 SessionID 。在各种原因和需求的前提下，就出现了一种技术叫 JWT，即 JSON Web Token 。

Token 的简介

Token 的基本流程如下图所示：

• 浏览器将登录时填写的用户名、密码发送给服务器；
• 服务器生成一个 JWT，服务器保存的不是 JWT 本身，而是 JWT 签名的密文；
• 服务器将 JWT 发送给浏览器；
• 浏览器以 Cookie 或者 Storage 的形式存储 JWT；

JWT 由三部分组成：
$$header.payload.signature$$

• $\mathrm{header}$ 部分声明使用什么算法来生成签名
• $\mathrm{payload}$ 部分是特定的数据，比如：有效期等
• $\mathrm{signature}$ 部分是签名信息

首先对 $\mathrm{header}$ 部分和 $\mathrm{payload}$ 部分进行 Base64 编码，然后使用 $\mathrm{header}$ 部分声明的算法对这两部分进行签名，从而得到 $\mathrm{signature}$ 部分。

JWT 在线演示网站：https://jwt.io/

5 总结

• Cookie 是一种数据载体，Session 和 Token 都可以放入其中；
• Session 诞生并保存在服务器中；
• Token 诞生在服务器，但是保存在浏览器中。