JSON Web Token (JWT) 原理与安全实践

1. JWT 基本概念

JSON Web Token (JWT) 是一个开放标准 (RFC 7519)，定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间以 JSON 对象的形式安全传输信息。JWT 可以被验证和信任，因为它是数字签名的。

主要特点：

• 紧凑：JWT 数据体积小，可通过 URL、POST 参数或 HTTP 头部发送
• 自包含：负载中包含所有必要信息，避免了多次查询数据库
• 可签名：可使用 HMAC 算法或 RSA/ECDSA 公钥/私钥对进行签名

2. JWT 与传统 Session 认证对比

基于 Session 的认证流程：

1. 用户提供用户名和密码进行认证
2. 服务器验证后创建 session 并保存用户身份数据
3. 服务器生成 session_id 放入 Cookie 返回给用户
4. 用户后续请求携带 Cookie，服务器通过 session_id 识别用户

Session 认证的缺点：

• 服务器需保存大量 session，增加开销
• 扩展性差，不适用于分布式站点的单点登录(SSO)
• 易受 CSRF 攻击

基于 JWT 的认证流程：

1. 用户通过 POST 请求发送用户名和密码
2. 服务器验证后生成包含用户标识的 JWT 对象
3. 服务器使用 secret 对 JWT 签名并发送给用户
4. 用户后续请求携带 JWT（通常放在 HTTP 头的 Authorization 字段）

JWT 优势：

• 无状态，服务器不需要存储 session
• 适合分布式系统和跨域认证
• 减少数据库查询

3. JWT 结构解析

JWT 由三部分组成，以点(.)分隔：Header.Payload.Signature

3.1 Header (头部)

示例：eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

Base64URL 解码后：

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

Header 参数：

• alg：签名算法（默认 HMAC SHA256，简写 HS256）
• typ：令牌类型（固定为 JWT）

3.2 Payload (负载)

示例：eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ

Base64URL 解码后：

{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

标准声明字段（可选）：

• iss (issuer)：签发人
• exp (expiration time)：过期时间
• sub (subject)：主题（JWT 面向的用户）
• aud (audience)：受众（接收 JWT 的一方）
• nbf (Not Before)：生效时间
• iat (Issued At)：签发时间（Unix 时间戳）
• jti (JWT ID)：唯一标识，用于防止重放攻击

Base64URL 编码特点：

• 去掉填充的 =
• + 替换为 -
• / 替换为 _

3.3 Signature (签名)

示例：SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

签名计算方式：

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

签名用于验证消息在传递过程中未被篡改，只有持有 secret 的一方才能生成有效签名。

4. JWT 的安全问题与防护

4.1 JWT 的固有缺点

• 无法在使用过程中废止某个 token（除非服务器部署额外逻辑）
• 一旦签发，在到期前始终有效
• 默认不加密，负载信息可能泄露

4.2 安全建议

1. 使用 HTTPS 传输 JWT
2. 设置较短的有效期
3. 重要权限操作时重新认证用户
4. 避免在负载中存储敏感信息

4.3 常见攻击方式及防御

攻击1：未经验证的签名绕过

漏洞原理：后端未验证 JWT 签名，攻击者可修改 Payload 实现越权

利用步骤：

1. 获取普通用户的 JWT
2. 修改 Payload 中的用户身份字段（如 sub 改为 administrator）
3. 使用修改后的 JWT 访问特权功能

防御措施：

• 服务端必须验证 JWT 签名
• 使用强密钥保护签名

攻击2：弱密钥爆破

漏洞原理：使用弱密钥或常见密钥签名 JWT，可被暴力破解

利用步骤：

1. 获取目标 JWT
2. 使用 hashcat 等工具爆破 secret：

   hashcat -a 0 -m 16500 <JWT_token> <dictionary_file>
   

3. 获取 secret 后生成管理员 JWT

防御措施：

• 使用足够长且随机的密钥（至少 256 位）
• 定期更换密钥
• 避免使用常见词汇作为密钥

5. JWT 安全实践指南

5.1 开发实践

• 始终验证签名
• 检查过期时间（exp）
• 验证签发者（iss）和受众（aud）
• 使用适当的算法（避免 none 算法）

5.2 密钥管理

• 密钥长度至少 256 位
• 定期轮换密钥
• 不同环境使用不同密钥
• 密钥安全存储（不在代码中硬编码）

5.3 传输安全

• 优先放在 Authorization 头中
• 避免放在 URL 中
• 必须使用 HTTPS

5.4 失效处理

• 设置合理的短有效期
• 实现黑名单机制（针对需要提前失效的场景）
• 敏感操作要求重新认证

6. 总结

JWT 是一种强大的无状态认证机制，但必须正确实现才能确保安全。开发者需要：

1. 充分理解 JWT 的结构和工作原理
2. 实现完整的验证逻辑（签名、过期时间等）
3. 遵循安全最佳实践（密钥管理、传输安全等）
4. 定期进行安全审计和测试

通过合理的设计和实现，JWT 可以成为构建安全、可扩展的分布式认证系统的有力工具。