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JSON Web Token绝非银弹,“蹲坑”需谨慎小心!

JSON Web Token绝非银弹,“蹲坑”需谨慎小心!

越来越多的开发者开始学习JWT技术并在实际项目中运用JWT来保护应用安全。一时间,JWT技术风光无限,很多公司的应用程序也开始使用JWT(Json Web Token)来管理用户会话信息。本文将从JWT的基本原理出发,分析在使用JWT构建基于Token的身份验证系统时需要谨慎对待的细节。

​ 任何技术框架都有自身的局限性,不可能一劳永逸,JWT也不例外。接下来,将从JWT的概念,基本原理和适用范围来剖析为什么说JWT不是银弹,需要谨慎处理。

​ 众所周知,如果我们的账户信息(用户名和密码)泄露,存储在服务器上的隐私数据将受到毁灭性的打击,如果是管理员的账户信息泄露,系统还有被攻击的危险。那么,JWT的信息发生泄露,会带来什么样的影响?该如何防范?这将是本文重点阐述的内容。

1、什么是Token?

​ Token(令牌)通常是指Security Token(安全令牌),可以分为Hardware Token(硬件令牌),Authentication Token(授权令牌),USB Token(USB令牌),Cryptographic Token(加密令牌),Virtual Token(虚拟令牌)和Key Fob(钥匙卡)。其主要作用是验证身份的合法性,以允许计算机系统的用户可以操作系统资源。生活中常见的令牌如:登录密码,指纹,声纹,门禁卡,银行电子卡等。Token的主要目的是为计算机系统提供一个可以识别用户的任意数值,例如“token123”这样的明文字符串,或者像“41ea873f-3a4d-57c8-1e38-ef74f31015af”之类的加密字符。

​ 由于篇幅关系,Token就了解到这里。接下来将聊聊有关JWT(JSON Web Token)的原理。

2、什么是JSON Web Token?

​ JSON Web Token(JWT)是一个基于RFC 7519的开放数据标准,它定义了一种宽松且紧凑的数据组合方式,使用JSON对象在各应用之间传输加密信息。该JSON对象可以通过数字签名进行鉴签和校验,一般地,JWT可以采用HMAC算法,RSA或者ECDSA的公钥/私钥对数据进行签名操作。

​ 一个JWT通常有HEADER(头),PAYLOAD(有效载荷)和SIGNATURE(签名)三个部分组成,三者之间使用“.”链接,格式如下:

下面是的字符串是一个JWT的实际案例:

注意三者之间有一个点号(“.”)相连

​ 为了更直观的了解JWT的创建过程和使用方式,我们通过一个简单的例子来演示这两个过程。

3、如何创建JWT?

​ JWT通常由“标头.有效载荷.签名”的格式组成。其中,标头用于存储有关如何计算JWT签名的信息,如对象类型,签名算法等。下面是JWT中Header部分的JSON对象实例:

在此JSON对象中,type表示该对象为JWT,alg表示创建JWT时使用HMAC-SHA256散列算法计算签名。有效载荷主要用于存储用户信息,如用户ID,Email,角色和权限信息等。下面是有效载荷的一个简单示例:

而签名则需要使用Base64URL编码技术对标头(Header)和有效载荷(Payload)进行编码,并作为参数和秘钥一同传递给签名算法,生成最终的签名(Signature)。以HMAC-SHA256算法为例,下面是生成签名的一个伪代码:

​ 现在,我们已经了解了JWT的基本原理,接下来将使用Java来演示生成JWT的完整过程。

4、基于Java实现的JWT(JJWT)案例

4-1、依赖

以Maven工程为例,需要在pom.xml文件中添加入下的配置信息:

如果是非Maven工程,你也可以到Maven中央仓库搜索jjwt,然后选择相应的版本(0.9.0)下载到本地,并将jar包添加到工程的类路径(classpath)中。

4-2、生成JWT

​ 在工程中新建JJWTUitls.java工具类,使用jjwt提供的方法实现JWT的生成,实现细节如下:

在此方法中,JJWT已经处理好JWT标头(Header)的信息,我们只需要提供签名所使用的算法(如SignatureAlgorithm.HS256),有效载荷,主题(包含了用户信息),过期时间(exp-time)和秘钥即可,最后使用jjwt的builder()方法组装JWT。下面是生成秘钥方法key()的源代码:

4-3、解析JWT

​ 使用JJWT解析JWT相对简单,首先获取秘钥,然后通过Jwts.parse()方法设置秘钥并JWT进行解析,实现细节如下:

4-4、测试JJWT

​ 最后,在工程中新建一个JavaJWT.java类,并在main方法中检验JJWTUtils工具类中生成和解析JWT两个方法是否有效。实现细节如下:

如上图所示,“jwt”将作为JWT标头(Header)“type”的值,有效载荷(payload)中的主题信息如下:

且JWT签名的有效时间为60,000毫秒。执行main方法,输出信息如下所示:

​ 从测试结果可以看出,我们成功的使用JJWT创建并解析了JWT。接下来,我们将了解到在实际的应用中,JWT对用户信息进行验证的基本流程。

5、 JSON Web Token的工作流程

​ 在身份验证中,当用户成功登录系统时,授权服务器将会把JSON Web Token返回给客户端,用户需要将此凭证信息存储在本地(cookie或浏览器缓存)。当用户发起新的请求时,需要在请求头中附带此凭证信息,当服务器接收到用户请求时,会先检查请求头中有无凭证,是否过期,是否有效。如果凭证有效,将放行请求;若凭证非法或者过期,服务器将回跳到认证中心,重新对用户身份进行验证,直至用户身份验证成功。以访问API资源为例,下图显示了获取并使用JWT的基本流程:

​ 现在,我们已经完全了解了JWT是什么,怎么实现以及用来干什么这三个问题。在上述的案例中,我们使用HS256算法对JWT进行签名,在这个过程中,只有身份验证服务器和应用服务器知道秘钥是什么。如果身份验证服务器和应用服务器完全独立,则应用服务器的JWT校验工作也可以交由认证服务器完成。当客户端对应用服务器发起调用时,应用服务器会使用秘钥对签名进行校验,如果签名有效且未过期,则允许客户端的请求,反之则拒绝请求。

6、使用JSON Web Token的利弊

​ 优势与劣势是相对而言的,这里主要以传统的Session模式作为参考,总结使用JWT可以获得优势以及带来的弊端。

6-1、 使用JWT的优势

​ 使用JSON Web Token保护应用安全,你至少可以获得以下几个优势:

  1. 更少的数据库连接:因其基于算法来实现身份认证,在使用JWT时查询数据的次数更少(更少的数据连接不等于不连接数据库),可以获得更快的系统响应时间。
  2. 构建更简单:如果你的应用程序本身是无状态的,那么选择JWT可以加快系统构建过程。
  3. 跨服务调用:你可以构建一个认证中心来处理用户身份认证和发放签名的工作,其他应用服务在后续的用户请求中不需要(理论上)在询问认证中心,可使用自有的公钥对用户签名进行验证。
  4. 无状态:你不需要向传统的Web应用那样将用户状态保存于Session中。

6-2、使用JWT的弊端

​ JWT不是万能的,使用JWT也会带来诸多问题。就个人使用情况,使用JWT时可能会面临以下几个麻烦:

  1. 严重依赖于秘钥:JWT的生成与解析过程都需要依赖于秘钥(Secret),且都以硬编码的方式存在于系统中(也有放在外部配置文件中的)。如果秘钥不小心泄露,系统的安全性将收到威胁。
  2. 服务端无法管理客户端的信息:如果用户身份发生异常(信息泄露,或者被攻击),服务端很难向操作Session那样主动将异常用户进行隔离。
  3. 服务端无法主动推送消息:服务端由于是无状态的,他将无法使用像Session那样的方式推送消息到客户端,例如过期时间将至,服务端无法主动为用户续约,需要客户端向服务端发起续约请求。
  4. 冗余的数据开销:一个JWT签名的大小要远比一个Session ID长很多,如果你对有效载荷(payload)中的数据不做有效控制,其长度会成几何倍数增长,且在每一次请求时都需要负担额外的网络开销。

​ JSON Web Token 很流行,但是它相比于Session,OIDC(OpenId Connect)等技术还比较新,支持JSON Web Token的库还比较少,而且JWT也并非比传统Session更安全,他们都没有解决CSRF和XSS的问题。因此,在决定使用JWT前,你需要仔细考虑其利弊。

7、JSON Web Token并非银弹,“蹲坑”需谨慎

考虑这样一个问题:如果客户端的JWT令牌泄露或者被盗取,会发生什么严重的后果?有什么补救措施?

​ 如果单纯的依靠JSON Web Token解决用户认证的所有问题,那么系统的安全性将是脆弱的。由于JWT令牌存储于客户端中,一旦客户端存储的令牌发生泄露事件或者被攻击,攻击者就可以轻而易举的伪造用户身份去修改/删除系统资源,岁如按JWT自带过期时间,但在过期之前,攻击者可以肆无忌惮的操作系统数据。通过算法来校验用户身份合法性是JWT的优势,同时也是最大的弊端——它太过于依赖算法。

​ 反观传统的用户认证措施,通常会包含多种组合,如手机验证码,人脸识别,语音识别,指纹锁等。用户名和密码只做用户身份识别使用,当用户名和密码泄露后,在遇到敏感操作时(如新增,修改,删除,下载,上传),都会采用另外的方式对用户的合法性进行验证(发送验证码,邮箱验证码,指纹信息等)以确保数据安全。

​ 与传统的身份验证方式相比,JWT过多的依赖于算法,缺乏灵活性,而且服务端往往是被动执行用户身份验证操作,无法及时对异常用户进行隔离。那是否有补救措施呢?答案是坑定的。接下来,将介绍在发生令牌泄露事件后,如何保证系统的安全。

8、使用JSON Web Token 爬坑指南

​ 不管是基于Sessions还是基于JSON Web Token,一旦密令被盗取,都是一件棘手的事情。接下来,将讲述基于JSON Web Token的方式发生令牌泄露是该采取什么样的措施(解决方案包含但不局限与本文所涉及的内容)。

为了防止用户JWT令牌泄露而威胁系统安全,你可以在以下几个方面完善系统功能:

  1. 清除已泄露的令牌:此方案最直接,也容易实现,你需将JWT令牌在服务端也存储一份,若发现有异常的令牌存在,则从服务端令牌列表中将此异常令牌清除。当用户发起请求时,强制用户重新进行身份验证,直至验证成功。对于服务端的令牌存储,可以借助Redis等缓存服务器进行管理,也可以使用Ehcache将令牌信息存储在内存中。
  2. 敏感操作保护:在涉及到诸如新增,修改,删除,上传,下载等敏感性操作时,定期(30分钟,15分钟甚至更短)检查用户身份,如手机验证码,扫描二维码等手段,确认操作者是用户本人。如果身份验证不通过,则终止请求,并要求重新验证用户身份信息。
  3. 地域检查:通常用户会在一个相对固定的地理范围内访问应用程序,可以将地理位置信息作为一个辅助来甄别用户的JWT令牌是否存在问题。如果发现用户A由经常所在的地区1变到了相对较远的地区2,或者频繁在多个地区间切换,不管用户有没有可能在短时间内在多个地域活动(一般不可能),都应当终止当前请求,强制用户重新进行验证身份,颁发新的JWT令牌,并提醒(或要求)用户重置密码。
  4. 监控请求频率:如果JWT密令被盗取,攻击者或通过某些工具伪造用户身份,高频次的对系统发送请求,以套取用户数据。针对这种情况,可以监控用户在单位时间内的请求次数,当单位时间内的请求次数超出预定阈值值,则判定该用户密令是有问题的。例如1秒内连续超过5次请求,则视为用户身份非法,服务端终止请求并强制将该用户的JWT密令清除,然后回跳到认证中心对用户身份进行验证。
  5. 客户端环境检查:对于一些移动端应用来说,可以将用户信息与设备(手机,平板)的机器码进行绑定,并存储于服务端中,当客户端发起请求时,可以先校验客户端的机器码与服务端的是否匹配,如果不匹配,则视为非法请求,并终止用户的后续请求。

总结

​ 本文从Token的基本含义,JSON Web Token的原理和流程出发,并结合实际的案例分析了使用JSON Web Token的优势与劣势;与此同时,结合自己实际使用JSON Web Token过程中发现的问题给出了避免“踩坑”的解决方案。

​ 世上没有完美的解决方案,系统的安全性需要开发者积极主动地去提升,其过程是漫长且复杂的,也许一开始的MVP系统并不需要那么强大的安全性,但随着业务的增长系统需要升级,或者说最终将重写整个系统,提前了解技术背后可能会遇到的问题,不失为一种好的编程习惯。

​ JSON Web Token的出现,为解决Web应用安全性问题提供了一种新思路。但JSON Web Token也不是银弹,你任然需要做很多复杂的工作才能提升系统的安全性。