JWT、JWE、JWS 、JWK 到底是什么？該用 JWT 還是 JWS？
JWT 相信很多小伙伴都知道，JSON Web Token，如果在項(xiàng)目中通過 jjwt 來支持 JWT 的話，可能只需要了解 JWT 一個(gè)概念即可，但是現(xiàn)在很多時(shí)候我們可能不是使用 jjwt，而是選擇 nimbus-jose-jwt 庫，此時(shí)就有可能接觸到一些新的概念，如 JWE、JWS。那么 JWE、JWS 以及 JWT 之間是什么關(guān)系呢？松哥最近看到一篇不錯(cuò)的文章講這個(gè)，我們一起來看下，以下是正文。
什么是 JWT
一個(gè)JWT，應(yīng)該是如下形式的：
- eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
- eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.
- TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ
這些東西看上很凌亂，但是非常緊湊，并且是可打印的主要用于驗(yàn)證簽名的真實(shí)性。
JWT 解決什么問題？
JWT的主要目的是在服務(wù)端和客戶端之間以安全的方式來轉(zhuǎn)移聲明。主要的應(yīng)用場景如下所示：
- 認(rèn)證 Authentication；
- 授權(quán) Authorization // 注意這兩個(gè)單詞的區(qū)別；
- 聯(lián)合識別；
- 客戶端會話（無狀態(tài)的會話）；
- 客戶端機(jī)密。
JWT 的一些名詞解釋
- JWS：Signed JWT簽名過的jwt
- JWE：Encrypted JWT部分payload經(jīng)過加密的jwt；目前加密payload的操作不是很普及；
- JWK：JWT的密鑰，也就是我們常說的 scret；
- JWKset：JWT key set在非對稱加密中，需要的是密鑰對而非單獨(dú)的密鑰，在后文中會闡釋；
- JWA：當(dāng)前JWT所用到的密碼學(xué)算法；
- nonsecure JWT：當(dāng)頭部的簽名算法被設(shè)定為none的時(shí)候，該JWT是不安全的；因?yàn)楹灻牟糠挚杖保腥硕伎梢孕薷摹?/li>
JWT的組成
一個(gè)通常你看到的jwt，由以下三部分組成，它們分別是：
- header：主要聲明了JWT的簽名算法；
- payload：主要承載了各種聲明并傳遞明文數(shù)據(jù)；
- signture：擁有該部分的JWT被稱為JWS，也就是簽了名的JWS；沒有該部分的JWT被稱為nonsecure JWT 也就是不安全的JWT，此時(shí)header中聲明的簽名算法為none。
三個(gè)部分用·分割。形如 xxxxx.yyyyy.zzzzz的樣式。
JWT header
- {
- "typ": "JWT",
- "alg": "none",
- "jti": "4f1g23a12aa"
- }
jwt header 的組成
頭通常由兩部分組成：令牌的類型，即JWT，以及正在使用的散列算法，例如HMAC SHA256或RSA。
當(dāng)然，還有兩個(gè)可選的部分，一個(gè)是jti，也就是JWT ID，代表了正在使用JWT的編號，這個(gè)編號在對應(yīng)服務(wù)端應(yīng)當(dāng)唯一。當(dāng)然，jti也可以放在payload中。
另一個(gè)是cty，也就是content type。這個(gè)比較少見，當(dāng)payload為任意數(shù)據(jù)的時(shí)候，這個(gè)頭無需設(shè)置，但是當(dāng)內(nèi)容也帶有jwt的時(shí)候。也就是嵌套JWT的時(shí)候，這個(gè)值必須設(shè)定為jwt。這種情況比較少見。
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的組成payload通常由三個(gè)部分組成，分別是 Registered Claims ; Public Claims ; Private Claims ;每個(gè)聲明，都有各自的字段。
Registered Claims
- iss 【issuer】發(fā)布者的url地址
- sub 【subject】該JWT所面向的用戶，用于處理特定應(yīng)用，不是常用的字段
- aud 【audience】接受者的url地址
- exp 【expiration】 該jwt銷毀的時(shí)間；unix時(shí)間戳
- nbf 【not before】 該jwt的使用時(shí)間不能早于該時(shí)間；unix時(shí)間戳
- iat 【issued at】 該jwt的發(fā)布時(shí)間；unix 時(shí)間戳
- jti 【JWT ID】 該jwt的唯一ID編號
Public Claims 這些可以由使用JWT的那些標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)需要定義，應(yīng)當(dāng)參考文檔IANA JSON Web Token Registry。
Private Claims 這些是為在同意使用它們的各方之間共享信息而創(chuàng)建的自定義聲明，既不是注冊聲明也不是公開聲明。上面的payload中，沒有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，不應(yīng)該在載荷里面加入任何敏感的數(shù)據(jù)。在上面的例子中，我們傳輸?shù)氖怯脩舻腢ser ID，郵箱等。這個(gè)值實(shí)際上不是什么敏感內(nèi)容，一般情況下被知道也是安全的。但是像密碼這樣的內(nèi)容就不能被放在JWT中了。如果將用戶的密碼放在了JWT中，那么懷有惡意的第三方通過Base64解碼就能很快地知道你的密碼了。
當(dāng)然，這也是有解決方案的，那就是加密payload。在之后會說到
JWS 的概念
JWS 的結(jié)構(gòu)
JWS ，也就是JWT Signature，其結(jié)構(gòu)就是在之前nonsecure JWT的基礎(chǔ)上，在頭部聲明簽名算法，并在最后添加上簽名。創(chuàng)建簽名，是保證jwt不能被他人隨意篡改。
為了完成簽名，除了用到header信息和payload信息外，還需要算法的密鑰，也就是secret。當(dāng)利用非對稱加密方法的時(shí)候，這里的secret為私鑰。
為了方便后文的展開，我們把JWT的密鑰或者密鑰對，統(tǒng)一稱為JSON Web Key，也就是JWK。
jwt signature 的簽名算法
- RSASSA || ECDSA || HMACSHA256(
- base64UrlEncode(header) + "." +
- base64UrlEncode(payload),
- secret)
- >>GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ
- >># 上面這個(gè)是用 HMAC SHA256生成的
到目前為止，jwt的簽名算法有三種。
- 對稱加密HMAC【哈希消息驗(yàn)證碼】：HS256/HS384/HS512
- 非對稱加密RSASSA【RSA簽名算法】（RS256/RS384/RS512）
- ECDSA【橢圓曲線數(shù)據(jù)簽名算法】（ES256/ES384/ES512）
最后將簽名與之前的兩段內(nèi)容用.連接，就可以得到經(jīng)過簽名的JWT，也就是JWS。
- eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIn0.eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19.GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ
當(dāng)驗(yàn)證簽名的時(shí)候，利用公鑰或者密鑰來解密Sign，和 base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload) 的內(nèi)容完全一樣的時(shí)候，表示驗(yàn)證通過。
JWS 的額外頭部聲明
如果對于CA有些概念的話，這些內(nèi)容會比較好理解一些。為了確保服務(wù)器的密鑰對可靠有效，同時(shí)也方便第三方CA機(jī)構(gòu)來簽署JWT而非本機(jī)服務(wù)器簽署JWT，對于JWS的頭部，可以有額外的聲明，以下聲明是可選的，具體取決于JWS的使用方式。如下所示：
- jku: 發(fā)送JWK的地址；最好用HTTPS來傳輸
- jwk: 就是之前說的JWK
- kid: jwk的ID編號
- x5u: 指向一組X509公共證書的URL
- x5c: X509證書鏈
- x5t：X509證書的SHA-1指紋
- x5t#S256: X509證書的SHA-256指紋
- typ: 在原本未加密的JWT的基礎(chǔ)上增加了 JOSE 和 JOSE+ JSON。JOSE序列化后文會說及。適用于JOSE標(biāo)頭的對象與此JWT混合的情況。
- crit: 字符串?dāng)?shù)組，包含聲明的名稱，用作實(shí)現(xiàn)定義的擴(kuò)展，必須由 this->JWT的解析器處理。不常見。
多重驗(yàn)證與JWS序列化
當(dāng)需要多重簽名或者JOSE表頭的對象與JWS混合的時(shí)候，往往需要用到JWS的序列化。JWS的序列化結(jié)構(gòu)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"
- },
- ...
- ]
- }
結(jié)構(gòu)很容易理解。首先是payload字段，這個(gè)不用多講，之后是signatures字段，這是一個(gè)數(shù)組，代表著多個(gè)簽名。每個(gè)簽名的結(jié)構(gòu)如下：
- protected：之前的頭部聲明，利用b64uri加密；
- header：JWS的額外聲明，這段內(nèi)容不會放在簽名之中，無需驗(yàn)證；
- signature：也就是對當(dāng)前header+payload的簽名。
JWE 相關(guān)概念
JWE是一個(gè)很新的概念，總之，除了jwt的官方手冊外，很少有網(wǎng)站或者博客會介紹這個(gè)東西。也并非所有的庫都支持JWE。這里記錄一下自己看官方手冊后理解下來的東西。
JWS是去驗(yàn)證數(shù)據(jù)的，而JWE（JSON Web Encryption）是保護(hù)數(shù)據(jù)不被第三方的人看到的。通過JWE，JWT變得更加安全。
JWE和JWS的公鑰私鑰方案不相同，JWS中，私鑰持有者加密令牌，公鑰持有者驗(yàn)證令牌。而JWE中，私鑰一方應(yīng)該是唯一可以解密令牌的一方。
在JWE中，公鑰持有可以將新的數(shù)據(jù)放入JWT中，但是JWS中，公鑰持有者只能驗(yàn)證數(shù)據(jù)，不能引入新的數(shù)據(jù)。因此，對于公鑰/私鑰的方案而言，JWS和JWE是互補(bǔ)的。
JWE 的構(gòu)成
一個(gè)JWE，應(yīng)該是如下形式的：
- eyJhbGciOiJSU0ExXzUiLCJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2In0.
- UGhIOguC7IuEvf_NPVaXsGMoLOmwvc1GyqlIKOK1nN94nHPoltGRhWhw7Zx0-kFm1NJn8LE9XShH59_
- i8J0PH5ZZyNfGy2xGdULU7sHNF6Gp2vPLgNZ__deLKxGHZ7PcHALUzoOegEI-8E66jX2E4zyJKxYxzZIItRzC5hlRirb6Y5Cl_p-ko3YvkkysZIFNPccxRU7qve1WYPxqbb2Yw8kZqa2rMWI5ng8Otv
- zlV7elprCbuPhcCdZ6XDP0_F8rkXds2vE4X-ncOIM8hAYHHi29NX0mcKiRaD0-D-ljQTPcFPgwCp6X-nZZd9OHBv-B3oWh2TbqmScqXMR4gp_A.
- AxY8DCtDaGlsbGljb3RoZQ.
- KDlTtXchhZTGufMYmOYGS4HffxPSUrfmqCHXaI9wOGY.
- 9hH0vgRfYgPnAHOd8stkvw
如你所見JWE一共有五個(gè)部分，分別是：
- The protected header，類似于JWS的頭部；
- The encrypted key，用于加密密文和其他加密數(shù)據(jù)的對稱密鑰；
- The initialization vector，初始IV值，有些加密方式需要額外的或者隨機(jī)的數(shù)據(jù)；
- The encrypted data (cipher text)，密文數(shù)據(jù)；
- The authentication tag，由算法產(chǎn)生的附加數(shù)據(jù)，來防止密文被篡改。
JWE 密鑰加密算法
一般來說，JWE需要對密鑰進(jìn)行加密，這就意味著同一個(gè)JWT中至少有兩種加密算法在起作用。但是并非將密鑰拿來就能用，我們需要對密鑰進(jìn)行加密后，利用JWK密鑰管理模式來導(dǎo)出這些密鑰。JWK的管理模式有以下五種，分別是：
- Key Encryption
- Key Wrapping
- Direct Key Agreement
- Key Agreement with Key Wrapping
- Direct Encryption
并不是所有的JWA都能夠支持這五種密鑰管理管理模式，也并非每種密鑰管理模式之間都可以相互轉(zhuǎn)換。可以參考Spomky-Labs/jose中給出的表格(https://github.com/Spomky-Labs/jose/blob/master/doc/operation/Encrypt.md)，至于各個(gè)密鑰管理模式的細(xì)節(jié)，還請看JWT的官方手冊，解釋起來較為復(fù)雜。
JWE Header
就好像是JWS的頭部一樣。JWE的頭部也有著自己規(guī)定的額外聲明字段，如下所示：
- type：一般是 jwt
- alg：算法名稱，和JWS相同，該算法用于加密稍后用于加密內(nèi)容的實(shí)際密鑰
- enc：算法名稱，用上一步生成的密鑰加密內(nèi)容的算法。
- zip：加密前壓縮數(shù)據(jù)的算法。該參數(shù)可選，如果不存在則不執(zhí)行壓縮，通常的值為 DEF，也就是deflate算法
- jku/jkw/kid/x5u/x5c/x5t/x5t#S256/typ/cty/crit：和JWS額額外聲明一樣。
JWE 的加密過程
步驟2和步驟3，更具不同的密鑰管理模式，應(yīng)該有不同的處理方式。在此只羅列一些通常情況。
之前談及，JWE一共有五個(gè)部分。現(xiàn)在來詳細(xì)說一下加密的過程：
- 根據(jù)頭部alg的聲明，生成一定大小的隨機(jī)數(shù)；
- 根據(jù)密鑰管理模式確定加密密鑰；
- 根據(jù)密鑰管理模式確定JWE加密密鑰，得到CEK；
- 計(jì)算初始IV，如果不需要，跳過此步驟；
- 如果ZIP頭申明了，則壓縮明文；
- 使用CEK，IV和附加認(rèn)證數(shù)據(jù)，通過enc頭聲明的算法來加密內(nèi)容，結(jié)果為加密數(shù)據(jù)和認(rèn)證標(biāo)記；
- 壓縮內(nèi)容，返回token。
- base64(header) + '.' +base64(encryptedKey) + '.' + // Steps 2 and 3base64(initializationVector) + '.' + // Step 4base64(ciphertext) + '.' + // Step 6base64(authenticationTag) // Step 6
多重驗(yàn)證與JWE序列化
和JWS類似，JWE也定義了緊湊的序列化格式，用來完成多種形式的加密。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"
- }
結(jié)構(gòu)很容易理解，如下所示：
- protected：之前的頭部聲明，利用b64uri加密；
- unprotected：一般放JWS的額外聲明，這段內(nèi)容不會被b64加密；
- iv：64加密后的iv參數(shù)；
- add：額外認(rèn)證數(shù)據(jù)；
- ciphertext：b64加密后的加密數(shù)據(jù)；
- recipients：b64加密后的認(rèn)證標(biāo)志-加密鏈，這是一個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組中包含了兩個(gè)信息；
- header：主要是聲明當(dāng)前密鑰的算法；
- encrypted_key：JWE加密密鑰。
JWT 的工作原理
這里通過juice shop來說下jwt是如何工作的。在身份驗(yàn)證中，當(dāng)用戶使用其憑據(jù)成功登錄時(shí)，將返回JSON Web令牌。如下所示：往此時(shí)，返回了jwt的令牌。
每當(dāng)用戶想要訪問受保護(hù)的路由或資源時(shí)，用戶將使用承載【bearer】模式發(fā)送JWT，通常在Authorization標(biāo)頭中。標(biāo)題的內(nèi)容應(yīng)如下所示：
- Authorization: Bearer <token>
隨后，服務(wù)器會取出token中的內(nèi)容，來返回對應(yīng)的內(nèi)容。須知，這個(gè)token不一定會儲存在cookie中，如果存在cookie中的話，需要設(shè)置為http-only，防止XSS。另外，還可以放在別的地方，比如localStorage、sessionStorage。如果使用vue的話，還可以存在vuex里面。
另外，如果在如Authorization: Bearer中發(fā)送令牌，則跨域資源共享（CORS）將不會成為問題，因?yàn)樗皇褂胏ookie。
此時(shí)，去訪問認(rèn)證頁面，請求頭如下所示，如預(yù)期所見，是利用Authorization:Bearer的請求頭去訪問的。
ECDSA|RSASSA or HMAC ？應(yīng)該選用哪個(gè)？
之前看JWT的時(shí)候看到論壇里的一個(gè)話題，覺得很有意思，用自己的理解來說一下https://stackoverflow.com/questions/38588319/understanding-rsa-signing-for-jwt。
首先，我們必須明確一點(diǎn)，無論用的是 HMAC，RSASSA，ECDSA；密鑰，公鑰，私鑰都不會發(fā)送給客戶端，僅僅會保留在服務(wù)端上。
對稱的算法HMAC適用于單點(diǎn)登錄，一對一的場景中。速度很快。
但是面對一對多的情況，比如一個(gè)APP中的不同服務(wù)模塊，需要JWT登錄的時(shí)候，主服務(wù)端【APP】擁有一個(gè)私鑰來完成簽名即可，而用戶帶著JWT在訪問不同服務(wù)模塊【副服務(wù)端】的時(shí)候，副服務(wù)端只要用公鑰來驗(yàn)證簽名就可以了。從一定程度上也減少了主服務(wù)端的壓力。
當(dāng)然，還有一種情況就是不同成員進(jìn)行開發(fā)的時(shí)候，大家可以用統(tǒng)一的私鑰來完成簽名，然后用各自的公鑰去完成對JWT的認(rèn)證，也是一種非常好的開發(fā)手段。
因此，構(gòu)建一個(gè)沒有多個(gè)小型“微服務(wù)應(yīng)用程序”的應(yīng)用程序，并且開發(fā)人員只有一組的，選擇HMAC來簽名即可。其他情況下，盡量選擇RSA。
