JSON Web Token(JWT、JWS、JSE)

JWS只是JWT的一種實現(xiàn)，除了JWS外，JWE(JSON Web Encryption)也是JWT的一種實現(xiàn)：

一個JWT（這里應(yīng)該是JWS），應(yīng)該是如下形式的：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.
TJVA95OrM7E2cBab30RMHrHDcEfxjoYZgeFONFh7HgQ

這些東西看上很凌亂，但是非常緊湊，并且是可打印的主要用于驗證簽名的真實性。

JWT的主要目的是在服務(wù)端和客戶端之間以安全的方式來轉(zhuǎn)移聲明。主要的應(yīng)用場景如下所示：

1.認(rèn)證 Authentication；

2.授權(quán) Authorization // 注意這兩個單詞的區(qū)別；

3.聯(lián)合識別；

4.客戶端會話（無狀態(tài)的會話）；

5.客戶端機密。

1.JWS：Signed JWT簽名過的jwt

2.JWE：Encrypted JWT部分payload經(jīng)過加密的jwt；

目前加密payload的操作不是很普及；

3.JWK：JWT的密鑰，也就是我們常說的scret；

4.JWKset：JWT key set在非對稱加密中，需要的是密鑰對而非單獨的密鑰，在后文中會闡釋；

5.JWA：當(dāng)前JWT所用到的密碼學(xué)算法；

6.nonsecure JWT：當(dāng)頭部的簽名算法被設(shè)定為none的時候，該JWT是不安全的；因為簽名的部分空缺，所有人都可以修改。

一個通常你看到的jwt，由以下三部分組成，它們分別是：

1.header：主要聲明了JWT的簽名算法；

2.payload：主要承載了各種聲明并傳遞明文數(shù)據(jù)；

3.signture：擁有該部分的JWT被稱為JWS，也就是簽了名的JWS；沒有該部分的JWT被稱為nonsecure JWT 也就是不安全的JWT，此時header中聲明的簽名算法為none。

三個部分用·分割。形如 xxxxx.yyyyy.zzzzz的樣式。

{  "typ": "JWT",  "alg": "none",  "jti": "4f1g23a12aa"}

頭通常由兩部分組成：令牌的類型，即JWT，alg代表正在使用的散列算法，例如HMAC SHA256或RSA。

當(dāng)然，還有兩個可選的部分，一個是jti，也就是JWT ID，代表了正在使用JWT的編號，這個編號在對應(yīng)服務(wù)端應(yīng)當(dāng)唯一。當(dāng)然，jti也可以放在payload中。

另一個是cty，也就是content type。這個比較少見，當(dāng)payload為任意數(shù)據(jù)的時候，這個頭無需設(shè)置，但是當(dāng)內(nèi)容也帶有jwt的時候。也就是嵌套JWT的時候，這個值必須設(shè)定為jwt。這種情況比較少見。

jwt header 的加密算法

加密的方式如下：

base64UrlEncode(header)>> eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJub25lIiwianRpIjoiNGYxZzIzYTEyYWEifQ

{  "iss": "http://shaobaobaoer.cn",  "aud": "http://shaobaobaoer.cn/webtest/jwt_auth/",  "jti": "4f1g23a12aa",  "iat": 1534070547,  "nbf": 1534070607,  "exp": 1534074147,  "uid": 1,  "data": {    "uname": "shaobao",    "uEmail": "shaobaobaoer@126.com",    "uID": "0xA0",    "uGroup": "guest"
  }
}

payload通常由三個部分組成，分別是 Registered Claims ; Public Claims ; Private Claims ;每個聲明，都有各自的字段。

Registered Claims

iss  【issuer】發(fā)布者的url地址

sub 【subject】該JWT所面向的用戶，用于處理特定應(yīng)用，不是常用的字段

aud 【audience】接受者的url地址

exp 【expiration】 該jwt銷毀的時間；unix時間戳

nbf  【not before】 該jwt的使用時間不能早于該時間；unix時間戳

iat   【issued at】 該jwt的發(fā)布時間；unix 時間戳

jti    【JWT ID】 該jwt的唯一ID編號

Public Claims這些可以由使用JWT的那些標(biāo)準(zhǔn)化組織根據(jù)需要定義，應(yīng)當(dāng)參考文檔IANA JSON Web Token Registry。

Private Claims這些是為在同意使用它們的各方之間共享信息而創(chuàng)建的自定義聲明，既不是注冊聲明也不是公開聲明。上面的payload中，沒有public claims只有private claims。

加密的方式如下：

base64UrlEncode(payload)>> eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19

所以，在JWT中，不應(yīng)該在載荷里面加入任何敏感的數(shù)據(jù)。在上面的例子中，我們傳輸?shù)氖怯脩舻腢ser ID，郵箱等。這個值實際上不是什么敏感內(nèi)容，一般情況下被知道也是安全的。但是像密碼這樣的內(nèi)容就不能被放在JWT中了。如果將用戶的密碼放在了JWT中，那么懷有惡意的第三方通過Base64解碼就能很快地知道你的密碼了。

當(dāng)然，這也是有解決方案的，那就是加密payload。在之后會說到。

JWS ，也就是JWT Signature，其結(jié)構(gòu)就是在之前nonsecure JWT的基礎(chǔ)上，在頭部聲明簽名算法，并在最后添加上簽名。創(chuàng)建簽名，是保證jwt不能被他人隨意篡改。

為了完成簽名，除了用到header信息和payload信息外，還需要算法的密鑰，也就是secret。當(dāng)利用非對稱加密方法的時候，這里的secret為服務(wù)器保管的私鑰。

為了方便后文的展開，我們把JWT的密鑰或者密鑰對，統(tǒng)一稱為JSON Web Key，也就是JWK。

jwt signature 的簽名算法

RSASSA || ECDSA || HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret)>> GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ>> # 上面這個是用 HMAC SHA256生成的

到目前為止，jwt的簽名算法有三種。

對稱加密HMAC【哈希消息驗證碼】：HS256/HS384/HS512

非對稱加密RSASSA【RSA簽名算法】（RS256/RS384/RS512）和ECDSA【橢圓曲線數(shù)據(jù)簽名算法】（ES256/ES384/ES512）

最后將簽名與之前的兩段內(nèi)容用.連接，就可以得到經(jīng)過簽名的JWT，也就是JWS。

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIn0.eyJpc3MiOiJodHRwOi8vc2hhb2Jhb2Jhb2VyLmNuIiwiYXVkIjoiaHR0cDovL3NoYW9iYW9iYW9lci5jbi93ZWJ0ZXN0L2p3dF9hdXRoLyIsImp0aSI6IjRmMWcyM2ExMmFhIiwiaWF0IjoxNTM0MDcwNTQ3LCJuYmYiOjE1MzQwNzA2MDcsImV4cCI6MTUzNDA3NDE0NywidWlkIjoxLCJkYXRhIjp7InVuYW1lIjoic2hhb2JhbyIsInVFbWFpbCI6InNoYW9iYW9iYW9lckAxMjYuY29tIiwidUlEIjoiMHhBMCIsInVHcm91cCI6Imd1ZXN0In19.GQPGEpixjPZSZ7CmqXB-KIGNzNl4Y86d3XOaRsfiXmQ

當(dāng)驗證簽名的時候，利用公鑰或者密鑰來解密Sign，和 base64UrlEncode(header) + “.” + base64UrlEncode(payload) 的內(nèi)容完全一樣的時候，表示驗證通過。

如果對于CA有些概念的話，這些內(nèi)容會比較好理解一些。為了確保服務(wù)器的密鑰對可靠有效，同時也方便第三方CA機構(gòu)來簽署JWT而非本機服務(wù)器簽署JWT，對于JWS的頭部，可以有額外的聲明，以下聲明是可選的，具體取決于JWS的使用方式。如下所示：

jku: 發(fā)送JWK的地址；最好用HTTPS來傳輸

jwk: 就是之前說的JWK

kid: jwk的ID編號

x5u: 指向一組X509公共證書的URL

x5c: X509證書鏈

x5t：X509證書的SHA-1指紋

x5t#S256: X509證書的SHA-256指紋

typ: 在原本未加密的JWT的基礎(chǔ)上增加了 JOSE 和 JOSE+ JSON。JOSE序列化后文會說及。適用于JOSE標(biāo)頭的對象與此JWT混合的情況。

crit: 字符串?dāng)?shù)組，包含聲明的名稱，用作實現(xiàn)定義的擴展，必須由 this->JWT的解析器處理。不常見。

當(dāng)需要多重簽名或者JOSE表頭的對象與JWS混合的時候，往往需要用到JWS的序列化。JWS的序列化結(jié)構(gòu)如下所示:

{    "payload": "eyJpc3MiOiJqb2UiLA0KICJleHAiOjEzMDA4MTkzODAsDQogImh0dHA6Ly9leGFtcGxlLmNvbS9pc19yb290Ijp0cnVlfQ","signatures": 
    [
        {            "protected": "eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9",            "header": { "kid": "2010-12-29" },            "signature":"signature1"
        },
        {            "protected": "eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9",            "header": { "kid": "e9bc097a-ce51-4036-9562-d2ade882db0d" },            "signature":"signature2"
        },
        ...
    ]
}

結(jié)構(gòu)很容易理解。首先是payload字段，這個不用多講，之后是signatures字段，這是一個數(shù)組，代表著多個簽名。每個簽名的結(jié)構(gòu)如下：

protected：之前的頭部聲明，利用b64uri加密；

header：JWS的額外聲明，這段內(nèi)容不會放在簽名之中，無需驗證；

signature：也就是對當(dāng)前header+payload的簽名。

JWE是一個很新的概念，總之，除了jwt的官方手冊外，很少有網(wǎng)站或者博客會介紹這個東西。也并非所有的庫都支持JWE。這里記錄一下自己看官方手冊后理解下來的東西。

JWS是去驗證數(shù)據(jù)的，而JWE（JSON Web Encryption）是保護(hù)數(shù)據(jù)不被第三方的人看到的。通過JWE，JWT變得更加安全。

JWE和JWS的公鑰私鑰方案不相同，JWS中，私鑰持有者加密令牌，公鑰持有者驗證令牌。而JWE中，私鑰一方應(yīng)該是唯一可以解密令牌的一方。

在JWE中，公鑰持有可以將新的數(shù)據(jù)放入JWT中，但是JWS中，公鑰持有者只能驗證數(shù)據(jù)，不能引入新的數(shù)據(jù)。因此，對于公鑰/私鑰的方案而言，JWS和JWE是互補的。

一個JWE，應(yīng)該是如下形式的：

eyJhbGciOiJSU0ExXzUiLCJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2In0.
UGhIOguC7IuEvf_NPVaXsGMoLOmwvc1GyqlIKOK1nN94nHPoltGRhWhw7Zx0-kFm1NJn8LE9XShH59_
i8J0PH5ZZyNfGy2xGdULU7sHNF6Gp2vPLgNZ__deLKxGHZ7PcHALUzoOegEI-8E66jX2E4zyJKxYxzZIItRzC5hlRirb6Y5Cl_p-ko3YvkkysZIFNPccxRU7qve1WYPxqbb2Yw8kZqa2rMWI5ng8Otv
zlV7elprCbuPhcCdZ6XDP0_F8rkXds2vE4X-ncOIM8hAYHHi29NX0mcKiRaD0-D-ljQTPcFPgwCp6X-nZZd9OHBv-B3oWh2TbqmScqXMR4gp_A.
AxY8DCtDaGlsbGljb3RoZQ.
KDlTtXchhZTGufMYmOYGS4HffxPSUrfmqCHXaI9wOGY.
9hH0vgRfYgPnAHOd8stkvw

如你所見JWE一共有五個部分，分別是：

The protected header，類似于JWS的頭部；

The encrypted key，用于加密密文和其他加密數(shù)據(jù)的對稱密鑰；

The initialization vector，初始IV值，有些加密方式需要額外的或者隨機的數(shù)據(jù)；

The encrypted data (cipher text)，密文數(shù)據(jù)；

The authentication tag，由算法產(chǎn)生的附加數(shù)據(jù)，來防止密文被篡改。

一般來說，JWE需要對密鑰進(jìn)行加密，這就意味著同一個JWT中至少有兩種加密算法在起作用。但是并非將密鑰拿來就能用，我們需要對密鑰進(jìn)行加密后，利用JWK密鑰管理模式來導(dǎo)出這些密鑰。JWK的管理模式有以下五種，分別是：

Key Encryption

Key Wrapping

Direct Key Agreement

Key Agreement with Key Wrapping

Direct Encryption

并不是所有的JWA都能夠支持這五種密鑰管理管理模式，也并非每種密鑰管理模式之間都可以相互轉(zhuǎn)換。可以參考Spomky-Labs/jose中給出的表格至于各個密鑰管理模式的細(xì)節(jié)，還請看JWT的官方手冊，解釋起來較為復(fù)雜。

就好像是JWS的頭部一樣。JWE的頭部也有著自己規(guī)定的額外聲明字段，如下所示：

type：一般是 jwt

alg：算法名稱，和JWS相同，該算法用于加密稍后用于加密內(nèi)容的實際密鑰

enc：算法名稱，用上一步生成的密鑰加密內(nèi)容的算法。

zip：加密前壓縮數(shù)據(jù)的算法。該參數(shù)可選，如果不存在則不執(zhí)行壓縮，通常的值為 DEF，也就是deflate算法

jku/jkw/kid/x5u/x5c/x5t/x5t#S256/typ/cty/crit：和JWS額額外聲明一樣。

步驟2和步驟3，更具不同的密鑰管理模式，應(yīng)該有不同的處理方式。在此只羅列一些通常情況。

之前談及，JWE一共有五個部分。現(xiàn)在來詳細(xì)說一下加密的過程：

1.根據(jù)頭部alg的聲明，生成一定大小的隨機數(shù)；

2.根據(jù)密鑰管理模式確定加密密鑰；

3.根據(jù)密鑰管理模式確定JWE加密密鑰，得到CEK；

4.計算初始IV，如果不需要，跳過此步驟；

5.如果ZIP頭申明了，則壓縮明文；

6.使用CEK，IV和附加認(rèn)證數(shù)據(jù)，通過enc頭聲明的算法來加密內(nèi)容，結(jié)果為加密數(shù)據(jù)和認(rèn)證標(biāo)記；

7.壓縮內(nèi)容，返回token。

base64(header) + '.' +base64(encryptedKey) + '.' + // Steps 2 and 3base64(initializationVector) + '.' + // Step 4base64(ciphertext) + '.' + // Step 6base64(authenticationTag) // Step 6

和JWS類似，JWE也定義了緊湊的序列化格式，用來完成多種形式的加密。大致格式如下所示：

{    "protected": "eyJlbmMiOiJBMTI4Q0JDLUhTMjU2In0",    "unprotected": { "jku":"https://server.example.com/keys.jwks" },    "recipients":[
        {        "header": { "alg":"RSA1_5","kid":"2011-04-29" },        "encrypted_key":        "UGhIOguC7Iu...cqXMR4gp_A"
        },
        {        "header": { "alg":"A128KW","kid":"7" },        "encrypted_key": "6KB707dM9YTIgH...9locizkDTHzBC2IlrT1oOQ"
        }
    ],    "iv": "AxY8DCtDaGlsbGljb3RoZQ",    "ciphertext": "KDlTtXchhZTGufMYmOYGS4HffxPSUrfmqCHXaI9wOGY",    "tag": "Mz-VPPyU4RlcuYv1IwIvzw"}

結(jié)構(gòu)很容易理解，如下所示：

protected：之前的頭部聲明，利用b64uri加密；

unprotected：一般放JWS的額外聲明，這段內(nèi)容不會被b64加密；

iv：64加密后的iv參數(shù)；

add：額外認(rèn)證數(shù)據(jù)；

ciphertext：b64加密后的加密數(shù)據(jù)；

recipients：b64加密后的認(rèn)證標(biāo)志-加密鏈，這是一個數(shù)組，每個數(shù)組中包含了兩個信息；

header：主要是聲明當(dāng)前密鑰的算法；

encrypted_key：JWE加密密鑰。