JSON Web Token (JWT) 安全攻防实战指南

1. JWT 基础概念回顾

JSON Web Token (JWT) 是一种开放标准 (RFC 7519)，用于在各方之间安全地传输信息作为 JSON 对象。JWT 通常由三部分组成：

• Header (头部)
• Payload (负载)
• Signature (签名)

格式为：header.payload.signature

2. JWT 攻击手段详解

2.1 敏感信息泄露

攻击原理：当服务端的秘钥泄密时，JWT 的伪造变得非常简单。

防御措施：

• 妥善保管私钥
• 使用密钥管理系统
• 定期轮换密钥

2.2 将加密方式改为'none'

攻击原理：

• 将 alg 字段更改为 none
• 删除签名数据，仅保留 header.payload.
• 某些 JWT 库支持无算法验证

防御措施：

• 禁用 none 算法
• 将开启 alg:none 作为额外配置选项
• 强制验证签名

实战案例：Juice Shop JWT issue 1

1. 获取正常 JWT 令牌
2. 修改头部为 {"alg":"none","typ":"JWT"}
3. 删除签名部分
4. 提交修改后的令牌

2.3 将算法 RS256 修改为 HS256

攻击原理：

• RS256 使用非对称加密（私钥签名，公钥验证）
• HS256 使用对称加密（同一密钥签名和验证）
• 攻击者获取公钥后，可修改算法为 HS256 并用公钥签名

防御措施：

• 禁止 HS256 等对称加密算法读取公钥
• 将秘钥与验证算法严格匹配
• 检查密钥类型与算法是否匹配

2.4 HS256 密钥破解

攻击原理：当 HS256 密钥强度较弱时，可直接暴力破解。

防御措施：

• 使用足够复杂（长且随机）的密钥
• 定期更换密钥
• 使用密钥派生函数增强密钥强度

实战工具：

• c-jwt-cracker：专门用于爆破 JWT HS256 密钥的工具

2.5 错误的堆叠加密+签名验证假设

2.5.1 错误的堆叠加密

攻击原理：

• 修改 JWE (JSON Web Encryption) 的 ciphertext
• 即使解密失败，部分库仍会输出部分解密结果
• 可能获得修改后的特权字段

防御措施：

• 解密所有数据，而非提取单个字段
• 使用附加认证数据 (ADD)
• 严格验证解密完整性

2.5.2 签名假设验证

攻击原理：

• 嵌套 JWS (JSON Web Signature) 中，仅验证外层签名
• 内层 payload 可被篡改

防御措施：

• 验证所有层面的签名
• 禁止不必要的数据嵌套

2.6 无效椭圆曲线攻击

攻击原理：

• 利用椭圆曲线加密中未验证输入参数的漏洞
• 通过精心设计的输入恢复私钥

防御措施：

• 验证所有输入参数的有效性
• 检查公钥是否为有效椭圆曲线点
• 验证私钥在有效值范围内

2.7 替换攻击

2.7.1 不同接收方攻击

攻击原理：

• 同一认证机构为多个应用签发 JWT
• 攻击者用 App1 的令牌访问 App2

防御措施：

• 使用 aud (Audience) 声明限制令牌使用范围
• 如 "aud": "App1"

2.7.2 相同接收方攻击/跨越式 JWT

攻击原理：

• 同一站点下多个应用使用相同密钥
• 部分应用未验证 aud 声明
• 攻击者用受限应用的令牌访问未验证应用

防御措施：

• 所有子应用强制验证 aud 声明
• 为不同应用使用不同密钥

2.8 JWT + SQL 注入

攻击原理：

• 通过 kid (Key ID) 参数确定使用哪个密钥
• 当 kid 通过数据库查询获取时，可能引入 SQL 注入
• 注入恶意查询控制返回的密钥内容

防御措施：

• 对 kid 参数严格过滤
• 使用参数化查询访问数据库
• 限制数据库账户权限

3. 实战练习详解

3.1 敏感信息泄露实战

环境：http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/hs256.php

步骤：

1. 获取公钥/私钥：

   • http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/private.pem
   • http://demo.sjoerdlangkemper.nl/jwtdemo/public.pem

2. 使用私钥生成新令牌：

$keychain = new Keychain();
$sign = new Sha256();
$token = "eyJ0eXAiO...";
$token = (new Parser())->parse((string) $token);
$hacktoken = (new Builder())
    ->setIssuer($token->getClaim('iss'))
    ->setIssuedAt($token->getClaim('iat'))
    ->setExpiration($token->getClaim('exp'))
    ->set("data",["hack"=>"shaobaobaoer"])
    ->sign($sign,$keychain->getPrivateKey('file://key_box/private.pem'))
    ->getToken();
echo $hacktoken.PHP_EOL;
var_dump($hacktoken->verify($sign,$keychain->getPublicKey('file://key_box/public.pem')));

3.2 Juice Shop JWT issue 1

目标：伪造无签名 JWT 令牌，冒充用户 jwtn3d@juice-sh.op

步骤：

1. 获取正常 JWT 令牌
2. 修改头部为 {"alg":"none","typ":"JWT"}
3. 修改 payload 中的 email 字段
4. 删除签名部分，格式为 header.payload.
5. 提交修改后的令牌

3.3 加密方式更改实战

原理：将 RS256 改为 HS256，用公钥作为 HMAC 密钥

示例代码：

$secret = file_get_contents("./key_box/public.pem");
$sign = new Sha256();
$token = "eyJ0eXAiO...";
$token = (new Parser())->parse((string) $token);
$hacktoken = (new Builder())
    ->setIssuer($token->getClaim('iss'))
    ->setIssuedAt($token->getClaim('iat'))
    ->setExpiration($token->getClaim('exp'))
    ->set("data",["hack"=>"shaobaobaoer"])
    ->sign($sign,$secret)
    ->getToken();
echo $hacktoken.PHP_EOL;
var_dump($hacktoken->verify($sign,$secret));

3.4 HMAC 秘钥爆破实战

工具：c-jwt-cracker

步骤：

1. 获取 JWT 令牌，如：
   eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJhZG1pbiI6ImZhbHNlIn0.oe4qhTxvJB8nNAsFWJc7_m3UylVZzO3FwhkYuESAyUM
2. 使用工具爆破密钥：

   ./jwtcrack eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJhZG1pbiI6ImZhbHNlIn0.oe4qhTxvJB8nNAsFWJc7_m3UylVZzO3FwhkYuESAyUM
   

3. 获取密钥后（如"54l7y"），使用正确密钥生成新令牌

4. 防御最佳实践

1. 算法处理：

   • 明确指定允许的算法
   • 禁止 none 算法
   • 区分对称和非对称密钥使用场景

2. 密钥管理：

   • 使用足够强度的密钥
   • 定期轮换密钥
   • 安全存储私钥

3. 声明验证：

   • 验证 iss (Issuer)、aud (Audience) 等标准声明
   • 验证 exp (Expiration Time)、nbf (Not Before) 等时间声明
   • 自定义声明也需验证

4. 库选择：

   • 选择维护良好、安全记录良好的库
   • 定期更新库版本
   • 评估库的安全特性

5. 其他措施：

   • 使用 HTTPS 传输 JWT
   • 考虑短期有效的令牌
   • 实现令牌撤销机制

5. 推荐的 JWT 库

PHP 库评测：

1. firebase/php-jwt (★3786)

   • 支持 PHP5/7
   • 操作简单但功能有限

2. lcobucci/jwt (★2729)

   • 支持 PHP5/7
   • 不支持 JWE
   • 操作简单

3. spomky-labs/jose (★351)

   • 仅支持 PHP7
   • 功能齐全，支持多重 JWE/JWS 及序列化

6. 参考资料

1. JWT 官方手册
2. JWT 库漏洞报告
3. 无效曲线攻击文档

通过理解这些攻击手段和防御措施，开发人员可以更安全地实现 JWT，安全研究人员也可以更有效地测试 JWT 实现的安全性。