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JWT、JWE、JWS 、JWK 都是什么鬼？还傻傻分不清？

作者：NinthDevilHunster来源：https://www.freebuf.com/articles/web/180874.html

JWT 相信很多小伙伴都知道，JSON Web Token，若项目通过 jjwt 来支持 JWT 如果你只需要理解，你可能只需要理解 JWT 一个概念可以，但现在我们可能不使用它 jjwt，而是选择 nimbus-jose-jwt 在这个时候，库可能会接触到一些新概念，比如 JWE、JWS。那么 JWE、JWS 以及 JWT 关系是什么？

最近看我看到一篇关于这个的好文章。让我们。以下是文本。

JWT

什么是 JWT

一个JWT，以下形式：

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主要目的是在服务端和客户端之间以安全的方式转移声明。主要应用场景如下：

  1. 认证 Authentication；
  2. 授权 Authorization // 注意这两个词的区别；
  3. 联合识别；
  4. 客户端会话(无状态会话)；
  5. 客户机密。

  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操作不太普及；
  3. JWK：JWT我们常说的密钥 scret；
  4. JWKset：JWT key set在非对称加密中，需要密钥对而不是单独的密钥，这将在后面解释；
  5. JWA：当前JWT使用的密码学算法；
  6. nonsecure JWT：头部签名算法设置为none的时候，该JWT不安全；因为签名的一些空缺，每个人都可以修改。

JWT的组成

你通常看到的jwt，它们由以下三部分组成：

  1. header：主要声明了JWT签名算法；
  2. payload：主要承载各种声明并传递明文数据；
  3. signture：拥有这部分JWT被称为JWS，也就是签名JWS；没有这部分JWT被称为nonsecure JWT 也就是不安全JWT，此时header中声明的签名算法是none。

三个部分用·分割。形如 xxxxx.yyyyy.zzzzz的样式。

JWT header

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

头部通常由两部分组成：令牌的类型，即JWT，以及正在使用的散列算法，如HMAC SHA256或RSA。

当然，有两个可选部分，一个是jti，也就是JWT ID，代表正在使用JWT在相应的服务端，这个数字应该是唯一的。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这个头不需要为任何数据设置，但当内容也有时jwt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

加密方法如下：

base64UrlEncode(header) >> eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJub25lIiwianRpIjoiNGYxZzIzYTEyYWEifQ

{   "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，即 Registered Claims ; Public Claims ; Private Claims ;每个声明都有自己的字段。

Registered Claims

  • iss 【issuer】发布者的url地址
  • sub 【subject】该JWT用户用于处理特定特定应用程序的字段
  • aud 【audience】接受者的url地址
  • exp 【expiration】 该jwt销毁时间；unix时间戳
  • nbf 【not before】 该jwt使用时间不得早于此时；unix时间戳
  • iat 【issued at】 该jwt发布时间；unix 时间戳
  • jti 【JWT ID】 该jwt的唯一ID编号

Public Claims 这些都可以用JWT根据需要定义的标准化组织应参考文件IANA JSON Web Token Registry。

Private Claims 这些都是为同意使用各方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。payload中，没有public claims只有private claims。

加密方法如下：

base64UrlEncode(payload) >>eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19

所以，在JWT负载中不应添加任何敏感数据。在上面的例子中，我们传输用户User ID，邮箱等。其实这个值不是敏感内容，一般知道是安全的。但是像密码这样的内容不能放在里面JWT中了。如果在用户密码中放置用户密码JWT中间，恶意第三方通过Base解码可以很快知道你的密码。

当然，也有解决方案，即加密payload。以后再说.

JWS

JWS 的概念

JWS ，也就是JWT Signature，其结构就是在之前nonsecure JWT在头部声明签名算法并最终添加签名的基础上。创建签名是为了确保jwt别人不能随意篡改。

为了完成签名，除了使用header信息和payload除了信息，还需要算法的密钥，即secret。这里使用非对称加密方法时secret为私钥。

为了方便以后的发展，我们将JWT统一称为密钥或密钥对JSON Web Key，也就是JWK。

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

到目前为止，jwt有三种签名算法。

  • 对称加密HMAC哈希新闻验证码：HS256/HS384/HS512
  • 非对称加密RSASSA【RSA签名算法】（RS256/RS384/RS512）
  • ECDSA椭圆曲线数据签名算法（ES256/ES384ES512）

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。

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

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 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：

https://github.com/Spomky-Labs/jose/blob/master/doc/operation/Encrypt.md

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 3base64(initializationVector) + '.' + // Step 4base64(ciphertext) + '.' + // Step 6base64(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。

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。

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。

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