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JSON Web Token（JWT）初探

JSON Web Token 是一个开放标准( RFC 7519 )，它定义了一种紧凑且独立的方式，以 JSON 对象的形式在各方之间安全地传输信息。

JWT简介

不同的人对JWT也有着不同的看法，下面是我的理解

原理

简单来说，用户在经服务端认证成功后，返回一个带签名的json对象，此后用户的访问通信都由此json对象向服务端表明自己身份

特点

  • 服务器无需保存大量session数据，从有状态服务变为了无状态服务，这样有一个好处就是容易实现服务器的横向拓展，能够更好的实现负载均衡
  • 数据共享性强，因为服务器不保存JWT，每台服务器都能获取用户信息，利于实现跨域认证
  • 利于项目的前后端分离

JWT结构

JWT具体表现为一个 token 字符串，形如

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eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.cAOIAifu3fykvhkHpbuhbvtH807-Z2rI1FS3vX1XMjE

JWT由头部（header）、载荷（payload）与签名（signature）三部分组成，以“.”分割

前两部分可被 base64 解码为 json格式的字符串，签名则是通过指定算法对前两部分的加密所生成的信息，如

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HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)

JWT其实是URL-safe的，因为其可能会被用于在URL中传递，为了避免URL解析错误，JWT的base64稍有些不同，具体实现可参考如下php代码

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public  function base64UrlEncode($string) {
$data = base64_encode($string);
$data = str_replace(array('+','/','='),array('-','_',''),$data);
return $data;
}

public function base64UrlDecode($string){
	$data = str_replace(array('-','_'),array('+','/'),$string);
	$mod4 = strlen($data) % 4;
  		if ($mod4) {
      		$data .= substr('====', $mod4);
	}
	return base64_decode($data);
}

示例：

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{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

alg 表示签名算法（algorithm），且默认是 HMAC SHA256，是一种使用单向散列函数来构造消息认证码的方法。

typ 表示类型，为与传统实现兼容，统一使用大写的JWT

Payload

payload是JWT的核心内容，存放一些要传递的数据，可以定义私有字段

官方字段示例：

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{
  "iss": "xxx"
  "sub": "xxx",
  "aud": "xxx",
  "exp": 1551518526,
  "nbf": 1551514827,
  "iat": 1551514827,
  "jti": "xxx"
}
  • “iss” (Issuer) Claim
  • “sub” (Subject) Claim
  • “aud” (Audience) Claim
  • “exp” (Expiration Time) Claim
  • “nbf” (Not Before) Claim
  • “iat” (Issued At) Claim
  • “jti” (JWT ID) Claim

一些敏感信息放在payload中可能会造成一些安全问题

Signature

signature 是对前两部分的签名，防止数据篡改

其使用的 secret key 存在服务端

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public function GenToken(array $header,array $payload){
	$jwt_header = $this->base64UrlEncode(json_encode($header));
	$jwt_payload = $this->base64UrlEncode(json_encode($payload));
	$jwt_hap = $jwt_header.".".$jwt_payload;
	$signature = $this->base64UrlEncode(hash_hmac('sha256',$jwt_hap,$this->secret_key,true));
	$jwt_token = $jwt_hap.".".$signature;
	setcookie("token",$jwt_token);
	}

JWT 安全

通过 jwt.io 的 Debugger 验证和生成JWT

使用“none”算法的JWT

部分JWT库在alg为none，signature为空时通过验证，以此可以构造任意payload欺骗服务器

漏洞示例：CVE-2018-1000531

更改 RS256 为 HS256

当服务器算法类型为 RS256 这种非对称加密算法时，如果修改算法类型为 HS256，服务器可能把原来的 public key 当作 secret key，此时我们就可以通过 HS256 算法用 public key 加密伪造的 payload 通过服务器验证

爆破 secret key

如果服务器的密钥较短的话可以使用爆破

爆破工具：

jwtbrute

jwtcrack

JWT cracker

使用JWT

服务端

https://jwt.io/ 中已经列出了很多JWT的签名/验证库以供使用

如 pyjwt、python-jose、jsonwebtoken

python-jose常用方法:

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from jose import jwt,jws,jwk
from jose.utils import base64url_decode

token = jwt.encode({'key': 'value'}, 'secret', algorithm='HS256')
print token
print jwt.decode(token, 'secret', algorithms='HS256')

signed = jws.sign({'a': 'b'}, 'secret', algorithm='HS256')
print jws.verify(signed, 'secret', algorithms=['HS256'])

token = "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsImtpZCI6IjAxOGMwYWU1LTRkOWItNDcxYi1iZmQ2LWVlZjMxNGJjNzAzNyJ9.SXTigJlzIGEgZGFuZ2Vyb3VzIGJ1c2luZXNzLCBGcm9kbywgZ29pbmcgb3V0IHlvdXIgZG9vci4gWW91IHN0ZXAgb250byB0aGUgcm9hZCwgYW5kIGlmIHlvdSBkb24ndCBrZWVwIHlvdXIgZmVldCwgdGhlcmXigJlzIG5vIGtub3dpbmcgd2hlcmUgeW91IG1pZ2h0IGJlIHN3ZXB0IG9mZiB0by4.s0h6KThzkfBBBkLspW1h84VsJZFTsPPqMDA7g1Md7p0"

hmac_key = {
    "kty": "oct",
    "kid": "018c0ae5-4d9b-471b-bfd6-eef314bc7037",
    "use": "sig",
    "alg": "HS256",
    "k": "hJtXIZ2uSN5kbQfbtTNWbpdmhkV8FJG-Onbc6mxCcYg"
}
key = jwk.construct(hmac_key)
message, encoded_sig = token.rsplit('.', 1)
decoded_sig = base64url_decode(str(encoded_sig))
print key.verify(message, decoded_sig)

output:
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJrZXkiOiJ2YWx1ZSJ9.FG-8UppwHaFp1LgRYQQeS6EDQF7_6-bMFegNucHjmWg
{u'key': u'value'}
{"a":"b"}
True

python-jose 文档：

python-jose — python-jose 0.2.0 documentation

利用 jsonwebtoken 实现 RS256 签发/效验 JWT

生成私钥

ssh-keygen -t rsa -b 4096 -f jwtRS256.key

生成公钥

openssl rsa -in jwtRS256.key -pubout -outform PEM -out jwtRS256Public.key

安装 jsonwebtoken

sudo npm install jsonwebtoken

rs256.js:

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const jwt = require('jsonwebtoken')
const fs = require('fs')

const payload = {
        name: 'guest',
        admin: 'false'
}

const pri = fs.readFileSync('./jwtRS256.key')
const pub = fs.readFileSync('./jwtRS256Public.key')
const token = jwt.sign(payload,pri,{algorithm: 'RS256'})
console.log(token)

jwt.verify(token,pub,(error,decoded) => {
        if (error) {
                console.log(error.message)
                return
        }
        console.log(decoded)
})

如果需求简单可以参考

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<?php 

date_default_timezone_set('Asia/Shanghai'); 
error_reporting(0);

class JWT
{
	public $secret_key = "your secret";

	public  function base64UrlEncode($string) {
	$data = base64_encode($string);
	$data = str_replace(array('+','/','='),array('-','_',''),$data);
	return $data;
	}

	public function base64UrlDecode($string){
		$data = str_replace(array('-','_'),array('+','/'),$string);
		$mod4 = strlen($data) % 4;
   		if ($mod4) {
       		$data .= substr('====', $mod4);
		}
		return base64_decode($data);
	}

	public function GenToken(array $header,array $payload){
		$jwt_header = $this->base64UrlEncode(json_encode($header));
		$jwt_payload = $this->base64UrlEncode(json_encode($payload));
		$jwt_hap = $jwt_header.".".$jwt_payload;

		$signature = $this->base64UrlEncode(hash_hmac('sha256',$jwt_hap,$this->secret_key,true));
		$jwt_token = $jwt_hap.".".$signature;
		setcookie("token",$jwt_token);
	}

	public function VerToken($string){
		$token_data = explode('.',$string);
		$jwt_hap = $token_data[0].".".$token_data[1];
		$signature = $this->base64UrlEncode(hash_hmac('sha256',$jwt_hap,$this->secret_key,true));
		if ($signature === $token_data[2]){
			return true;
		}else{
			return false;
		}
	}

	public function decodeTokenAndGetjwtpart($string,$part){
		$token_data = explode('.',$string);
		if ($part === 'header')
		{
			return $this->base64UrlDecode($token_data[0]);
		}
		else if ($part === 'payload')
		{
			return $this->base64UrlDecode($token_data[1]);
		}
		else
		{
			return flase;
		}
	}

	public function isExpiration($string)
	{
		$json_pay_data = $this->decodeTokenAndGetjwtpart($string,'payload');
		$exp = json_decode($json_pay_data)->exp;
		if ($exp)
		{
			if (time()>intval($exp))
			{
				return true;
			}
		}else
		{
			return true;
		}

		return false;
	}

}

$jwt = new JWT();

?>

最好使用HTTPS协议加密传输内容

客户端

用户的状态在服务端的内存中是不存储的，所以这是一种无状态的认证机制，数据储存在客户端。

如果不跨域，可将JWT放在Cookie中自动发送，跨越请求时将JWT放在POST数据中

较好的方式是放在Authorization请求字段中

Authorization: Bearer <token>

References:

https://jwt.io/

RFC 7519 - JSON Web Token (JWT)

http://www.ruanyifeng.com/blog/2018/07/json_web_token-tutorial.html

文章作者: J0k3r
文章链接: http://j0k3r.top/2019/03/02/jwt-notes/
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JWT