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JSON Web Token(JWT、JWS、JSE)
电子禅石 | 2024-02-23 13:13:24    阅读:200   发布文章

前言

基于session/cookie的web网站认证方式转变为了基于OAuth2等开放授权协议的单点登录模式(SSO),相应的基于服务器session+浏览器cookie的Auth手段也发生了转变,Json Web Token出现成为了当前的热门的Token Auth机制。

Json Web Token(JWT)

JSON Web Token(JWT)是一个非常轻巧的规范。这个规范允许我们使用JWT在两个组织之间传递安全可靠的信息。

官方定义:JSON Web Token (JWT) is a compact URL-safe means of representing claims to be transferred between two parties

JWT 的官方文档: https://jwt.io/introduction/

JWS只是JWT的一种实现,除了JWS外,JWE(JSON Web Encryption)也是JWT的一种实现:

 什么是 JWT

一个JWT(这里应该是JWS),应该是如下形式的:

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.
TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

这些东西看上很凌乱,但是非常紧凑,并且是可打印的主要用于验证签名的真实性。

JWT 解决什么问题?

JWT的主要目的是在服务端和客户端之间以安全的方式来转移声明。主要的应用场景如下所示:

1.认证 Authentication;

2.授权 Authorization // 注意这两个单词的区别;

3.联合识别;

4.客户端会话(无状态的会话);

5.客户端机密。

JWT 的一些名词解释

1.JWS:Signed JWT签名过的jwt

2.JWE:Encrypted JWT部分payload经过加密的jwt;

目前加密payload的操作不是很普及;

3.JWK:JWT的密钥,也就是我们常说的scret;

4.JWKset:JWT key set在非对称加密中,需要的是密钥对而非单独的密钥,在后文中会阐释;

5.JWA:当前JWT所用到的密码学算法;

6.nonsecure JWT:当头部的签名算法被设定为none的时候,该JWT是不安全的;因为签名的部分空缺,所有人都可以修改。

0×01 JWT的组成

一个通常你看到的jwt,由以下三部分组成,它们分别是:

1.header:主要声明了JWT的签名算法;

2.payload:主要承载了各种声明并传递明文数据;

3.signture:拥有该部分的JWT被称为JWS,也就是签了名的JWS;没有该部分的JWT被称为nonsecure JWT 也就是不安全的JWT,此时header中声明的签名算法为none。

三个部分用·分割。形如 xxxxx.yyyyy.zzzzz的样式。

JWT header
{  "typ": "JWT",  "alg": "none",  "jti": "4f1g23a12aa"}

头通常由两部分组成:令牌的类型,即JWT,alg代表正在使用的散列算法,例如HMAC SHA256或RSA。

当然,还有两个可选的部分,一个是jti,也就是JWT ID,代表了正在使用JWT的编号,这个编号在对应服务端应当唯一。当然,jti也可以放在payload中。

另一个是cty,也就是content type。这个比较少见,当payload为任意数据的时候,这个头无需设置,但是当内容也带有jwt的时候。也就是嵌套JWT的时候,这个值必须设定为jwt。这种情况比较少见。

jwt header 的加密算法

加密的方式如下:

base64UrlEncode(header)>> eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJub25lIiwianRpIjoiNGYxZzIzYTEyYWEifQ
JWT payload
复制代码
{  "iss": "http://shaobaobaoer.cn",  "aud": "http://shaobaobaoer.cn/webtest/jwt_auth/",  "jti": "4f1g23a12aa",  "iat": 1534070547,  "nbf": 1534070607,  "exp": 1534074147,  "uid": 1,  "data": {    "uname": "shaobao",    "uEmail": "shaobaobaoer@126.com",    "uID": "0xA0",    "uGroup": "guest"
  }
}
复制代码

payload通常由三个部分组成,分别是 Registered Claims ; Public Claims ; Private Claims ;每个声明,都有各自的字段。

Registered Claims

iss  【issuer】发布者的url地址

sub 【subject】该JWT所面向的用户,用于处理特定应用,不是常用的字段

aud 【audience】接受者的url地址

exp 【expiration】 该jwt销毁的时间;unix时间戳

nbf  【not before】 该jwt的使用时间不能早于该时间;unix时间戳

iat   【issued at】 该jwt的发布时间;unix 时间戳

jti    【JWT ID】 该jwt的唯一ID编号

Public Claims这些可以由使用JWT的那些标准化组织根据需要定义,应当参考文档IANA JSON Web Token Registry。

Private Claims这些是为在同意使用它们的各方之间共享信息而创建的自定义声明,既不是注册声明也不是公开声明。上面的payload中,没有public claims只有private claims。

jwt payload 的加密算法

加密的方式如下:

base64UrlEncode(payload)>> eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19

所以,在JWT中,不应该在载荷里面加入任何敏感的数据。在上面的例子中,我们传输的是用户的User ID,邮箱等。这个值实际上不是什么敏感内容,一般情况下被知道也是安全的。但是像密码这样的内容就不能被放在JWT中了。如果将用户的密码放在了JWT中,那么怀有恶意的第三方通过Base64解码就能很快地知道你的密码了。

当然,这也是有解决方案的,那就是加密payload。在之后会说到。

0×02 JWS 的概念JWS 的结构

JWS ,也就是JWT Signature,其结构就是在之前nonsecure JWT的基础上,在头部声明签名算法,并在最后添加上签名。创建签名,是保证jwt不能被他人随意篡改。

为了完成签名,除了用到header信息和payload信息外,还需要算法的密钥,也就是secret。当利用非对称加密方法的时候,这里的secret为服务器保管的私钥。

为了方便后文的展开,我们把JWT的密钥或者密钥对,统一称为JSON Web Key,也就是JWK。

jwt signature 的签名算法

复制代码
RSASSA || ECDSA || HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)>> GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ>> # 上面这个是用 HMAC SHA256生成的
复制代码

到目前为止,jwt的签名算法有三种。

对称加密HMAC【哈希消息验证码】:HS256/HS384/HS512

非对称加密RSASSA【RSA签名算法】(RS256/RS384/RS512)和ECDSA【椭圆曲线数据签名算法】(ES256/ES384/ES512)

最后将签名与之前的两段内容用.连接,就可以得到经过签名的JWT,也就是JWS。

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIn0.eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19.GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ

当验证签名的时候,利用公钥或者密钥来解密Sign,和 base64UrlEncode(header) + “.” + base64UrlEncode(payload) 的内容完全一样的时候,表示验证通过。

JWS 的额外头部声明

如果对于CA有些概念的话,这些内容会比较好理解一些。为了确保服务器的密钥对可靠有效,同时也方便第三方CA机构来签署JWT而非本机服务器签署JWT,对于JWS的头部,可以有额外的声明,以下声明是可选的,具体取决于JWS的使用方式。如下所示:

jku: 发送JWK的地址;最好用HTTPS来传输

jwk: 就是之前说的JWK

kid: jwk的ID编号

x5u: 指向一组X509公共证书的URL

x5c: X509证书链

x5t:X509证书的SHA-1指纹

x5t#S256: X509证书的SHA-256指纹

typ: 在原本未加密的JWT的基础上增加了 JOSE 和 JOSE+ JSON。JOSE序列化后文会说及。适用于JOSE标头的对象与此JWT混合的情况。

crit: 字符串数组,包含声明的名称,用作实现定义的扩展,必须由 this->JWT的解析器处理。不常见。

多重验证与JWS序列化

当需要多重签名或者JOSE表头的对象与JWS混合的时候,往往需要用到JWS的序列化。JWS的序列化结构如下所示:

复制代码
{    "payload": "eyJpc3MiOiJqb2UiLA0KICJleHAiOjEzMDA4MTkzODAsDQogImh0dHA6Ly9leGFtcGxlLmNvbS9pc19yb290Ijp0cnVlfQ","signatures": 
    [
        {            "protected": "eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9",            "header": { "kid": "2010-12-29" },            "signature":"signature1"
        },
        {            "protected": "eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9",            "header": { "kid": "e9bc097a-ce51-4036-9562-d2ade882db0d" },            "signature":"signature2"
        },
        ...
    ]
}
复制代码

结构很容易理解。首先是payload字段,这个不用多讲,之后是signatures字段,这是一个数组,代表着多个签名。每个签名的结构如下:

protected:之前的头部声明,利用b64uri加密;

header:JWS的额外声明,这段内容不会放在签名之中,无需验证;

signature:也就是对当前header+payload的签名。

0×03 JWE 相关概念

JWE是一个很新的概念,总之,除了jwt的官方手册外,很少有网站或者博客会介绍这个东西。也并非所有的库都支持JWE。这里记录一下自己看官方手册后理解下来的东西。

JWS是去验证数据的,而JWE(JSON Web Encryption)是保护数据不被第三方的人看到的。通过JWE,JWT变得更加安全。

JWE和JWS的公钥私钥方案不相同,JWS中,私钥持有者加密令牌,公钥持有者验证令牌。而JWE中,私钥一方应该是唯一可以解密令牌的一方。

在JWE中,公钥持有可以将新的数据放入JWT中,但是JWS中,公钥持有者只能验证数据,不能引入新的数据。因此,对于公钥/私钥的方案而言,JWS和JWE是互补的。

 JWSJWE
producerpri_keypub_key
consumerpub_keypri_key
JWE 的构成

一个JWE,应该是如下形式的:

复制代码
eyJhbGciOiJSU0ExXzUiLCJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2In0.
UGhIOguC7IuEvf_NPVaXsGMoLOmwvc1GyqlIKOK1nN94nHPoltGRhWhw7Zx0-kFm1NJn8LE9XShH59_
i8J0PH5ZZyNfGy2xGdULU7sHNF6Gp2vPLgNZ__deLKxGHZ7PcHALUzoOegEI-8E66jX2E4zyJKxYxzZIItRzC5hlRirb6Y5Cl_p-ko3YvkkysZIFNPccxRU7qve1WYPxqbb2Yw8kZqa2rMWI5ng8Otv
zlV7elprCbuPhcCdZ6XDP0_F8rkXds2vE4X-ncOIM8hAYHHi29NX0mcKiRaD0-D-ljQTPcFPgwCp6X-nZZd9OHBv-B3oWh2TbqmScqXMR4gp_A.
AxY8DCtDaGlsbGljb3RoZQ.
KDlTtXchhZTGufMYmOYGS4HffxPSUrfmqCHXaI9wOGY.
9hH0vgRfYgPnAHOd8stkvw
复制代码

如你所见JWE一共有五个部分,分别是:

The protected header,类似于JWS的头部;

The encrypted key,用于加密密文和其他加密数据的对称密钥;

The initialization vector,初始IV值,有些加密方式需要额外的或者随机的数据;

The encrypted data (cipher text),密文数据;

The authentication tag,由算法产生的附加数据,来防止密文被篡改。

JWE 密钥加密算法

一般来说,JWE需要对密钥进行加密,这就意味着同一个JWT中至少有两种加密算法在起作用。但是并非将密钥拿来就能用,我们需要对密钥进行加密后,利用JWK密钥管理模式来导出这些密钥。JWK的管理模式有以下五种,分别是:

Key Encryption

Key Wrapping

Direct Key Agreement

Key Agreement with Key Wrapping

Direct Encryption

并不是所有的JWA都能够支持这五种密钥管理管理模式,也并非每种密钥管理模式之间都可以相互转换。可以参考Spomky-Labs/jose中给出的表格至于各个密钥管理模式的细节,还请看JWT的官方手册,解释起来较为复杂。

JWE Header

就好像是JWS的头部一样。JWE的头部也有着自己规定的额外声明字段,如下所示:

type:一般是 jwt

alg:算法名称,和JWS相同,该算法用于加密稍后用于加密内容的实际密钥

enc:算法名称,用上一步生成的密钥加密内容的算法。

zip:加密前压缩数据的算法。该参数可选,如果不存在则不执行压缩,通常的值为 DEF,也就是deflate算法

jku/jkw/kid/x5u/x5c/x5t/x5t#S256/typ/cty/crit:和JWS额额外声明一样。

JWE 的加密过程

步骤2和步骤3,更具不同的密钥管理模式,应该有不同的处理方式。在此只罗列一些通常情况。

之前谈及,JWE一共有五个部分。现在来详细说一下加密的过程:

1.根据头部alg的声明,生成一定大小的随机数;

2.根据密钥管理模式确定加密密钥;

3.根据密钥管理模式确定JWE加密密钥,得到CEK;

4.计算初始IV,如果不需要,跳过此步骤;

5.如果ZIP头申明了,则压缩明文;

6.使用CEK,IV和附加认证数据,通过enc头声明的算法来加密内容,结果为加密数据和认证标记;

7.压缩内容,返回token。

复制代码
base64(header) + '.' +base64(encryptedKey) + '.' + // Steps 2 and 3base64(initializationVector) + '.' + // Step 4base64(ciphertext) + '.' + // Step 6base64(authenticationTag) // Step 6
复制代码
多重验证与JWE序列化

和JWS类似,JWE也定义了紧凑的序列化格式,用来完成多种形式的加密。大致格式如下所示:

复制代码
{    "protected": "eyJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2In0",    "unprotected": { "jku":"https://server.example.com/keys.jwks" },    "recipients":[
        {        "header": { "alg":"RSA1_5","kid":"2011-04-29" },        "encrypted_key":        "UGhIOguC7Iu...cqXMR4gp_A"
        },
        {        "header": { "alg":"A128KW","kid":"7" },        "encrypted_key": "6KB707dM9YTIgH...9locizkDTHzBC2IlrT1oOQ"
        }
    ],    "iv": "AxY8DCtDaGlsbGljb3RoZQ",    "ciphertext": "KDlTtXchhZTGufMYmOYGS4HffxPSUrfmqCHXaI9wOGY",    "tag": "Mz-VPPyU4RlcuYv1IwIvzw"}
复制代码

结构很容易理解,如下所示:

protected:之前的头部声明,利用b64uri加密;

unprotected:一般放JWS的额外声明,这段内容不会被b64加密;

iv:64加密后的iv参数;

add:额外认证数据;

ciphertext:b64加密后的加密数据;

recipients:b64加密后的认证标志-加密链,这是一个数组,每个数组中包含了两个信息;

header:主要是声明当前密钥的算法;

encrypted_key:JWE加密密钥。

总结:
JWT:只有Header部分(alg为none)和Payload两个部分组成,两个部分通过base64编码,以一个点号拼接起来的token,缺点:无法保证token有没有被修改。
JWS:由Header部分(alg为服务器加密算法名)、Payload部分、和Signature三个部分组成,以两个点拼接起来的token
而JWE的计算过程相对繁琐,不够轻量级,因此适合与数据传输而非token认证,但该协议也足够安全可靠,用简短字符串描述了传输内容,兼顾数据的安全性与完整性。
refer:
https://www.freebuf.com/articles/web/180874.html


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