JSON Web Tokens (JWT) 詳解：結構、簽名與安全實踐
在開發網站、應用程序或API時，用戶登錄和身份驗證是不可避免的需求。JSON Web令牌(JWT)正是解決這一問題的常用方案，它能在不同系統間安全地傳遞身份驗證憑證。
本文將深入講解：
- JWT的基本概念
- JWT的結構與生成原理
- 不同的JWT簽名技術與算法(對稱與非對稱)
- JWT在實際身份驗證流程中的應用
- 使用JWT的安全最佳實踐
JWT是什么？
JSON Web令牌(JWT)是一種開放標準(RFC 7519)，它定義了一種緊湊且自包含的方式，用于在各方之間作為JSON對象安全地傳輸信息。由于采用數字簽名，這些信息可以被驗證和信任。JWT可以使用密鑰(HMAC算法)或RSA/ECDSA的公私鑰對進行簽名。 —— jwt.io對JWT的介紹
簡單來說，JWT就像一封帶有防篡改封印的信件。它是一種特殊的安全消息，能在通信雙方間傳遞且確保來源可信。
每個JWT都通過以下方式之一進行數字簽名：
- 密鑰（用于HMAC等對稱算法）
- 私鑰（用于RSA/ECDSA等非對稱算法）
這些密鑰或私鑰僅由JWT簽發系統（如Auth0、AWS Cognito等身份認證服務）掌握。簽名可證明兩點：
- 真實性：確認消息確實來自聲稱的發送方
- 完整性：確保消息自簽名后未被篡改
JWT的三元結構
JWT由三個核心部分組成：
- 頭部(Header)
- 載荷(Payload)
- 簽名(Signature)
頭部
頭部包含令牌的元信息，就像包裹上的標簽說明內容物和處理方式。通常包括：
alg：指定簽名算法，如HS256或RS256typ：令牌類型，通常為JWT
示例(解碼后)：
{
"alg": "RS256",
"typ": "JWT"
}載荷
這是JWT的核心數據部分，包含"聲明"(claims)信息。聲明是關于實體(通常是用戶)的陳述和附加數據?？煞譃槿悾?/span>
1. 注冊聲明（推薦但不強制的標準聲明）：
iss- 簽發者（如你的應用域名）sub- 主題（如用戶ID）aud- 受眾（令牌的目標接收方）exp- 過期時間（時間戳）iat- 簽發時間（時間戳）nbf- 生效時間（在此之前令牌無效）jti- 令牌唯一標識（防重放攻擊）
2. 公共聲明：可自定義的通用聲明，建議使用URI避免命名沖突
3. 私有聲明：為特定應用場景定制的聲明
示例載荷：
{
"sub":"1234567890",
"name":"張三",
"admin":true,
"iat":1678886400,
"exp":1678890000
}重要提示：載荷僅經過Base64Url編碼，而非加密！切勿在載荷中存儲密碼等敏感信息，除非整個JWT經過額外加密(JWE)。
簽名
簽名是JWT的安全核心，通過以下要素生成：
- 編碼后的頭部
- 編碼后的載荷
- 密鑰（對稱算法）或私鑰（非對稱算法）
偽代碼表示： 簽名 = 算法(Base64Url(頭部) + "." + Base64Url(載荷), 密鑰)
最終JWT格式為： Base64編碼頭部.Base64編碼載荷.Base64編碼簽名
非對稱簽名(RS256)解析
RS256算法采用RSA+SHA-256的非對稱加密體系，使用公私鑰對實現簽名驗證。
簽發流程
- 準備數據：將頭部和載荷進行Base64Url編碼并拼接
- 計算哈希：對拼接字符串進行SHA-256哈希
- 私鑰簽名：用私鑰對哈希值進行簽名
驗證流程
- 分離部件：拆分JWT為頭部、載荷和簽名
- 獲取公鑰：從JWKS端點等來源獲取對應公鑰
- 本地哈希計算：重新計算頭部+載荷的哈希值(Hash A)
- 簽名解密：用公鑰解密簽名得到原始哈希(Hash B)
- 比對驗證：Hash A與Hash B一致則驗證通過
非對稱驗證流程圖
非對稱簽名類比：鎖與鑰匙
私鑰：唯一能上鎖的特殊鑰匙，僅持有者擁有
公鑰：可驗證鎖是否由對應私鑰上鎖，但不能創建新鎖
對稱簽名：HS256(HMAC+SHA-256)
HS256采用單一共享密鑰進行簽名和驗證。
HS256工作流程
- 共享密鑰：簽發方和驗證方持有相同密鑰
- 數據組合：編碼頭部和載荷并拼接
- HMAC簽名：使用密鑰生成HMAC-SHA256簽名
- 組成JWT：拼接形成完整令牌
驗證機制
- 分離JWT部件
- 使用相同密鑰重新計算簽名
- 比對接收簽名與計算簽名
非對稱驗證流程圖
關鍵區別
- 密鑰管理：對稱算法需安全共享密鑰
- 性能：HS256計算速度通常快于RS256
實戰：典型身份驗證流程
- 用戶登錄：客戶端提交憑證到認證服務器
- 簽發JWT：服務器驗證憑證后簽發簽名令牌
- 存儲JWT：客戶端安全存儲令牌
- API調用：在請求頭中加入
Authorization: Bearer <JWT> - 驗證授權：API驗證JWT后執行請求
這種無狀態(stateless)設計簡化了服務器擴展。
JWT安全最佳實踐
- 強制使用HTTPS：防止令牌被竊取
- 保護簽名密鑰：嚴防密鑰泄露
- 短期有效令牌：設置較短過期時間(如15分鐘)
- 使用刷新令牌：維持用戶會話體驗
- 避免敏感數據：載荷內容可被解碼
- 全面驗證聲明：檢查exp、iss、aud等關鍵聲明
- 考慮撤銷機制：對于關鍵場景實現令牌黑名單
