深入了解 Json Web Token 之概念篇

发表于 4年以前 | 总阅读数：605 次

以下，可能你能够在各大网站上搜到，但是对于JWE 的内容，却鲜有见闻。下文是我读了json web token handle book后，用自己的理解写下的，如有疑问，欢迎评论。主要参考文本 JWT Hand Book，部分文字翻译自该手册。

什么是 JWT

一个JWT，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。

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"
}

jwt header 的组成 头通常由两部分组成：令牌的类型，即JWT，以及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
{
  "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"
  }
}

jwt payload的组成 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

暴露的信息

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。

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

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

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:

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

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。

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。

JWE 的构成

一个JWE，应该是如下形式的：

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

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 WrappingDirect 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。

base64(header) + '.' +

base64(encryptedKey) + '.' + // Steps 2 and 3

base64(initializationVector) + '.' + // Step 4

base64(ciphertext) + '.' + // Step 6

base64(authenticationTag) // Step 6

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：

{
    "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"
}

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。

0x04 JWT 的工作原理

这里通过juice shop来说下jwt是如何工作的。在身份验证中，当用户使用其凭据成功登录时，将返回JSON Web令牌。如下所示：往此时，返回了jwt的令牌。

每当用户想要访问受保护的路由或资源时，用户将使用承载【bearer】模式发送JWT，通常在Authorization标头中。标题的内容应如下所示：

Authorization: Bearer <token>

随后，服务器会取出token中的内容，来返回对应的内容。须知，这个token不一定会储存在cookie中，如果存在cookie中的话，需要设置为http-only，防止XSS。另外，还可以放在别的地方，比如localStorage、sessionStorage。如果使用vue的话，还可以存在vuex里面。另外，如果在如Authorization: Bearer中发送令牌，则跨域资源共享（CORS）将不会成为问题，因为它不使用cookie。

此时，去访问认证页面，请求头如下所示，如预期所见，是利用Authorization:Bearer的请求头去访问的。

关于更多的关于JWT认证的内容，可以看八幅漫画理解使用JSON Web Token设计单点登录系统 ——— by John Wu

ECDSA|RSASSA or HMAC ？应该选用哪个？

之前看JWT的时候看到论坛里的一个话题，觉得很有意思，用自己的理解来说一下https://stackoverflow.com/questions/38588319/understanding-rsa-signing-for-jwt。首先，我们必须明确一点，无论用的是 HMAC，RSASSA，ECDSA；密钥，公钥，私钥都不会发送给客户端，仅仅会保留在服务端上。

对称的算法HMAC适用于单点登录，一对一的场景中。速度很快。

但是面对一对多的情况，比如一个APP中的不同服务模块，需要JWT登录的时候，主服务端【APP】拥有一个私钥来完成签名即可，而用户带着JWT在访问不同服务模块【副服务端】的时候，副服务端只要用公钥来验证签名就可以了。从一定程度上也减少了主服务端的压力。

当然，还有一种情况就是不同成员进行开发的时候，大家可以用统一的私钥来完成签名，然后用各自的公钥去完成对JWT的认证，也是一种非常好的开发手段。

因此，构建一个没有多个小型“微服务应用程序”的应用程序，并且开发人员只有一组的，选择HMAC来签名即可。其他情况下，尽量选择RSA。