JSON Web Token (JWT) 安全学习文档

1. JWT 基本概念

JWT (JSON Web Token) 是一种基于 JSON 格式的 Web 令牌，用于在各方之间安全地传输信息。主要特点包括：

• 使用 JSON 格式存储数据
• 将用户信息加密到 token 中
• 服务器不保存任何用户信息，只保存密钥
• 通过特定加密算法验证 token
• 可替代传统的 cookie/session 身份验证机制

2. JWT 结构组成

JWT 由三部分组成，用点号(.)连接：

header.payload.signature

2.1 Header (头部)

包含两个主要字段：

• alg：声明使用的加密算法，常见值：
  • HS256：HMAC SHA-256
  • RS256：RSA SHA-256
• typ：声明类型，固定为 JWT

可选字段：

• kid：密钥 ID (Key ID)，用于指定加密密钥
• jku：JWK Set URL，指定获取密钥的 URL
• x5u：X.509 URL，指定获取证书的 URL

示例：

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

2.2 Payload (负载)

包含用户数据和权限声明，分为三类声明：

• 注册声明 (预定义)
• 公共声明
• 私有声明

常见字段：

• iss (Issuer)：签发者
• sub (Subject)：主题
• aud (Audience)：接收方
• exp (Expiration Time)：过期时间
• nbf (Not Before)：生效时间
• iat (Issued At)：签发时间
• jti (JWT ID)：唯一标识

2.3 Signature (签名)

用于验证 token 的完整性，防止数据篡改。

生成方法：

signature = HMAC-SHA256(
  base64urlEncode(header) + "." + 
  base64urlEncode(payload),
  secret_key
)

3. JWT 工作流程

1. 用户登录，服务器验证凭证
2. 服务器生成 JWT 并返回给客户端
3. 客户端存储 JWT (通常在 localStorage 或 cookie 中)
4. 客户端在后续请求中携带 JWT (通常在 Authorization 头中)
5. 服务器验证 JWT 并处理请求

4. JWT 安全攻击手法

4.1 修改加密算法攻击

4.1.1 None 算法攻击

• 将 alg 字段设置为 none
• 将 signature 置为空
• 利用开发环境配置不当或生产环境误开启调试模式

4.1.2 RSA 转 HMAC 算法攻击

• 将 alg 从 RS256 修改为 HS256
• 使用收集到的 HMAC 公钥作为 RSA 私钥
• 服务器可能错误地使用 RSA 公钥验证 HMAC 签名

4.2 密钥爆破攻击

条件：

• 已知加密算法类型
• 拥有一个已签名的 JWT
• 密钥复杂度不高

4.3 修改 kid 参数攻击

kid (Key ID) 是可选参数，用于指定加密密钥，可能引发以下漏洞：

4.3.1 任意文件读取

• 利用 kid 参数读取服务器文件系统
• 如："kid": "../../../../etc/passwd"

4.3.2 SQL 注入

• kid 参数从数据库读取密钥时未过滤
• 构造恶意 SQL 语句

4.3.3 命令注入

• 后端使用 Ruby 的 open 函数读取密钥时
• 构造系统命令

4.4 修改 jku 或 x5u 参数攻击

• 类似 kid 参数攻击
• jku：指定远程 JWK Set
• x5u：指定远程 X.509 证书

4.5 信息泄露

• Payload 部分仅进行 base64url 编码，相当于明文
• 可能泄露敏感信息

5. JWT 安全最佳实践

1. 严格验证算法：拒绝 none 算法，不信任客户端指定的算法
2. 密钥管理：
   • 使用强密钥
   • 定期轮换密钥
   • 保护私钥不被泄露
3. 参数过滤：
   • 对 kid、jku、x5u 等参数进行严格过滤
   • 限制文件系统访问
4. 设置合理有效期：使用 exp 字段设置短期有效的 token
5. 敏感信息保护：不要在 payload 中存储敏感信息
6. HTTPS 传输：防止中间人攻击
7. 签名验证：始终验证签名完整性

6. 总结

JWT 提供了一种无状态的认证机制，但不当的实现会导致严重的安全问题。开发人员需要充分理解 JWT 的工作原理和安全风险，遵循最佳实践来保障系统安全。同时，安全测试人员可以利用上述攻击手法对 JWT 实现进行安全评估。