Что такое JWT токен?

Эта статья посвящена детальному разбору JWT и его возможностей. Мы изучим структуру токена и построим его с нуля. Затем рассмотрим наиболее распространенные способы использования.

· 9 мин.
Что такое JWT токен?

Во время разработки сервиса с пользователям типичной задачей является реализация авторизации.

Когда у вас один сервис, все довольно просто:

  • Пользователь отправляет логин и пароль сервису.
  • Сервис генерирует случайную строку по какому-то алгоритму.
  • Сервис отдает эту строку клиенту и запоминает кому он ее отдал.
  • При последующих запросах клиент отправляет куку сервису. Например, клиент хочет получить инфомрацию о себе.
  • Сервис знает, что эту строку он отдал такому-то клиенту, поэтому отправляет клиенту его персональные данные.

Эта строка обычно хранится в куках браузера, а потому называется авторизационной кукой.

Все было отлично, пока не пришли микросервисы. Допустим у нас есть сервер авторизации, который находится на домене auth.foo.com, и парочка других сервисов. Один из ваших сервисов находится на домене blog.foo.com.

Когда пользователь авторизуется на сервере авторизации, то кука будет записана для домена auth.foo.com. Сервис blog.foo.com уже не будет иметь доступ к этой куке.

Это можно исправить, если хранить куку в LocalStorage браузера. Тогда возникает другая проблема. У сервиса blog.foo.com нет возможности проверить куку, так как он ее не выдавал. Сервису необходимо сделать запрос на сервер авторизации, чтобы проверить существование куки и кому она принадлежит. Это создает нагрузку на сервер авторизации.

Решением всех этих проблемы является JWT токен (JSON Web Token), который возлагает задачу по обработке аутентификационных данных на сами микросервисы, а следовательно позволяет избежать различных ошибок авторизации, увеличить производительность и улучшить масштабируемость приложения.

Однако неправильное использование JWT может негативно сказаться на безопасности приложения. Разберем примеры использования JWT, разберем распространенные ошибки в реализации схем аутентификации с применением JWT, рассмотрим основные виды атак на эти схемы и дадим рекомендации по их предотвращению.

Формат JWT

JWT состоит из трех основных частей: заголовка (header), нагрузки (payload) и подписи (signature). Заголовок и нагрузка формируются отдельно в формате JSON, кодируются в base64, а затем на их основе вычисляется подпись. Закодированные части соединяются друг с другом, и на их основе вычисляется подпись, которая также становится частью токена.

Бывают и исключения, когда в JWT отсутствует подпись. Подобный случай будет рассмотрен далее.

Заголовок является служебной частью и состоит из двух полей: типа токена, в данном случае JWT, и алгоритма хэширования подписи:

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

Значение поля typ зачастую игнорируется приложениями, однако стандарт не рекомендует отказываться от него для обеспечения обратной совместимости.

Поле alg обязательно для заполнения. В приведенном случае был применен алгоритм HS256 (HMAC-SHA256), в котором для генерации и проверки подписи используется единый секретный ключ.

Для подписи JWT могут применяться и алгоритмы асимметричного шифрования, например RS256 (RSA-SHA256). Стандарт допускает использование и других алгоритмов, включая HS512, RS512, ES256, ES512, none и др.

Использование алгоритма none указывает на то, что токен не был подписан. В подобном токене отсутствует часть с подписью, и установить его подлинность невозможно.

Закодируем этот JSON в base64 и получим: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

Payload

Полезна нагрузка — это любые данные, которые вы хотите передать в токене. Стандарт предусматривает несколько зарезервированных полей:

  • iss — (issuer) издатель токена
  • sub — (subject) “тема”, назначение токена
  • aud — (audience) аудитория, получатели токена
  • exp — (expire time) срок действия токена
  • nbf — (not before) срок, до которого токен не действителен
  • iat — (issued at) время создания токена
  • jti — (JWT id) идентификатор токена

Все эти claims не являются обязательными, но их использование не по назначению может привести к коллизиям.

Любые другие данные можно передавать по договоренности между сторонами, использующими токен. Например, payload может выглядеть так:

{
  "iss": "Auth Server",
  "sub": "auth",
  "exp": 1505467756869,
  "iat": 1505467152069,
  "user": 1
}

Поскольку набор полей в части полезной нагрузки произвольный, приложение может хранить в этой части практически любые данные. Например, для ускорения работы приложения в полезной нагрузке могут храниться Ф.И.О. пользователя, чтобы не запрашивать эти сведения каждый раз из базы данных.

Payload не шифруется при использовании токена, поэтому не стоит передавать в нем чувствительные данные. Например, паспортные данные.

Размер payload не ограничен, но не стоит передавать в нем много данных. Из-за размера токена могут начаться проблемы с производительностью.

Закодируем наш payload в base64 и получим вторую часть токена: eyJpc3MiOiJBdXRoIFNlcnZlciIsInN1YiI6ImF1dGgiLCJleHAiOjE1MDU0Njc3NTY4NjksImlhdCI6MTUwNTQ2NzE1MjA2OSwidXNlciI6MX0.

У нас уже есть 2/3 токена, осталось сгенерировать подпись.

Signature

Подпись генерируется следующим образом: Закодированные заголовок и полезная нагрузка объединяются с точкой (".") в качестве разделителя. Затем эта строка хешируется указанным в header алгоритмом. Результат работы алгоритма хеширования и есть подпись.

В нашем примере токен будет выглядеть так: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpc3MiOiJBdXRoIFNlcnZlciIsInN1YiI6ImF1dGgiLCJleHAiOjE1MDU0Njc3NTY4NjksImlhdCI6MTUwNTQ2NzE1MjA2OSwidXNlciI6MX0.9VPGwNXYfXnNFWH3VsKwhFJ0MazwmNvjSSRZ1vf3ZUU

Другие сервисы знают пароль, которым авторизационный сервис подписывает токены. Или у них есть публичный ключ, которым они могут проверить подпись. Поэтому если кто-то попытается изменить данные в токене, то он станет не валидным. Например, если вы храните в токене роль пользователя, а злоумышленник попробует подставить туда “admin”, то он не сможет сгенерировать новую подпись для поддельного токена.

Официальный сайт jwt.io предлагает два алгоритма хэширования: HS256 и RS256. Но можно использовать любой алгоритм с приватным ключом.

Официальный сайт jwt.io предлагает два алгоритма хэширования: HS256 и RS256. Но можно использовать любой алгоритм с приватным ключом.

Аутентификация

Схема аутентификации с использованием JWT предельно проста.

Пользователь вводит свои учетные данные в приложении или доверенном сервисе аутентификации. При успешной аутентификации сервис предоставляет пользователю токен, содержащий сведения об этом пользователе.

При последующих обращениях токен передается приложению в запросах от пользователя: в cookie, заголовках запроса, POST или GET параметрах и т. д.

Получив токен, приложение сперва проверяет его подпись. Убедившись, что подпись действительна, приложение извлекает из части полезной нагрузки сведения о пользователе и на их основе авторизует его.

Можно реализовать всю эту схему вручную, а можно использовать одну из библиотек указанных на jwt.io.

Преимущества JWT

Перечислим преимущества использования JWT в сравнении с классической схемой аутентификации, использующей сессии.

Во-первых, подход с использованием токенов позволяет не хранить информацию обо всех выданных токенах, как при классической схеме. Когда пользователь обращается к приложению, он передает ему свой токен. Приложению остается только проверить подпись и извлечь необходимые поля из полезной нагрузки.

Во-вторых, приложению вообще не обязательно заниматься выдачей и валидацией токенов самостоятельно, зачастую для этих целей используется отдельный сервис аутентификации.

В-третьих, при использовании отдельного сервиса аутентификации становится возможным организовать единую точку входа в различные сервисы с одними и теми же учетными данными (SSO). Единожды пройдя процедуру аутентификации, пользователь сможет получить доступ со своим токеном к тем ресурсам, которые доверяют этому сервису аутентификации.

В-четвертых, как было указано ранее, приложение может хранить в части полезной нагрузки практически любые данные, что при грамотной архитектуре приложения может существенно увеличить производительность.

Благодаря перечисленным факторам схема аутентификации с использованием JWT широко используется в различных корпоративных приложениях. Особенно популярна эта схема в тех приложениях, которые реализуют парадигмы микросервисной архитектуры: при таком подходе каждый сервис получает необходимые ему сведения о пользователе непосредственно из токена, а не тратит время на получение этой информации из базы данных.

Уязвимости JWT

В этом разделе будут рассмотрены основные атаки на JWT и даны рекомендации по их предотвращению.

Перехват токена

Перехват пользовательского токена может привести к ряду неприятных последствий.

Во-первых, так как JWT передается в открытом виде, для получения хранящихся в части полезной нагрузки исходных данных достаточно применить к этой части функцию base64UrlDecode. То есть злоумышленник, перехвативший токен, сможет извлечь хранящиеся в токене данные о пользователе.

В соответствии с лучшими практиками для предотвращения подобной угрозы рекомендуется:

  • использовать при передаче токенов защищенное соединение;
  • не передавать в токенах чувствительные пользовательские данные, ограничившись обезличенными идентификаторами.

Во-вторых, злоумышленник, перехвативший токен, сможет его переиспользовать и получить доступ к приложению от лица пользователя, чей JWT был перехвачен.

Здесь рекомендации будут следующие:

  • как и в первом случае, использовать защищенное соединение при передаче токенов;
  • ограничить время жизни JWT и использовать механизм refresh tokens.

Refresh tokens

В современных схемах аутентификации, основанных на JWT, после прохождения аутентификации пользователь получает два токена:

  • access token — JWT, на основе которого приложение идентифицирует и авторизует пользователя;
  • refresh token — токен произвольного формата, служащий для обновления access token.

Access token при таком подходе имеет сильно ограниченное время жизни (например, одну минуту). Refresh token же имеет длительное время жизни (день, неделя, месяц), но он одноразовый и служит исключительно для обновления access token пользователя.

Схема аутентификации в таком случае выглядит следующим образом:

  • пользователь проходит процедуру аутентификации и получает от сервера access token и refresh token;
  • при обращении к ресурсу пользователь передает в запросе свой access token, на основе которого сервер идентифицирует и авторизует клиента;
  • при истечении access token клиент передает в запросе свой refresh token и получает от сервера новые access token и refresh token;
  • при истечении refresh token пользователь заново проходит процедуру аутентификации.

Подбор ключа симметричного алгоритма подписи

При использовании симметричных алгоритмов для подписи JWT (HS256, HS512 и др.) злоумышленник может попытаться подобрать ключевую фразу.

Подобрав ее, злоумышленник получит возможность манипулировать JWT-токенами так, как это делает само приложение, а следовательно сможет получить доступ к системе от лица любого зарегистрированного в ней пользователя.

В нашем примере из первой части статьи для подписи JWT в качестве ключевой фразы была использована строка password. Она простая, короткая и содержится во всех основных словарях для перебора паролей. Злоумышленнику не составит труда подобрать эту ключевую фразу с использованием программ John the Ripper или hashcat.

Рекомендации для защиты от атаки в этом случае такие:

  • использовать ключевые фразы большой длины, состоящие из больших и малых букв латинского алфавита, цифр и спецсимволов, и хранить их в строгой конфиденциальности;
  • обеспечить периодическую смену ключевой фразы. Это снизит удобство использования для пользователей (поскольку время от времени им придется проходить процедуру аутентификации заново), но поможет избежать компрометации ключевой информации.

Использование алгоритма none

Как было упомянуто в первой части статьи, использование в заголовке JWT алгоритма none указывает на то, что токен не был подписан. В подобном токене отсутствует часть с подписью, и установить его подлинность становится невозможно.

Рассмотрим подобную атаку на нашем примере. Наш токен в незакодированном виде выглядит следующим образом

header:
{
    "typ": "JWT",
    "alg": "HS256"
}
payload:
{
    "id": "1337",
    "username": "bizone",
    "iat": 1594209600,
    "role": "user"
}
signature:
ZvkYYnyM929FM4NW9_hSis7_x3_9rymsDAx9yuOcc1I

Предположим, мы хотим, чтобы приложение считало нас администратором. Для этого необходимо установить значение admin в поле role полезной нагрузки. Но при внесении в токен этого изменения подпись токена станет невалидной, и приложение не примет такой JWT.

Для обхода защитного механизма мы можем попытаться изменить значение поля alg в заголовке токена на none. Наш токен примет следующий вид:

header:
{
    "typ": "JWT",
    "alg": "none"
}
payload:
{
    "id": "1337",
    "username": "bizone",
    "iat": 1594209600,
    "role": "admin"
}

Поскольку мы используем алгоритм none, подпись отсутствует. В закодированном виде наш JWT будет выглядеть так: eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJub25lIn0.eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6ImFkbWluIn0

Этот токен мы и передадим на сервер. Уязвимое приложение, проверив заголовок JWT и обнаружив в нем alg: none, примет этот токен без всяких проверок, как если бы он был легитимным, в результате чего мы получим привилегии администратора.

Чтобы защититься от такой атаки:

  • необходимо вести на стороне приложения белый список разрешенных алгоритмов подписи и отбрасывать все токены с алгоритмом подписи, отличным от разрешенного на сервере;
  • желательно работать строго с одним алгоритмом, например HS256 или RS256.

Изменение алгоритма подписи

При использовании асимметричных алгоритмов подпись токена осуществляется с использованием приватного ключа сервиса, а проверка подписи — с использованием публичного ключа сервиса.

Некоторые реализации библиотек для работы с JWT содержат логические ошибки, заключающиеся в том, что при получении токена, подписанного с использованием симметричного алгоритма (например, HS256), для проверки подписи в качестве ключевой фразы будет использован публичный ключ сервиса. Поскольку публичный ключ сервиса не засекречен, злоумышленник может легко получить его и использовать для подписи собственных токенов.

Для рассмотрения примера этого варианта атаки нам понадобится новый JWT:

header:
{
    "alg": "RS256",
    "typ": "JWT"
}
payload:
{
    "id": "1337",
    "username": "bizone",
    "iat": 1594209600,
    "role": "user"
}
signature:
YLOVSKef-paSnnM8P2JLaU2FiS8TbhYqjewLmgRJfCj1Q6rVehAHQ-lABnKoRjlEmHZX-rufHEocDxGUYiGMjMexUQ3zt-WqZITvozJ4pkvbV-mJ1nKj64NmqaR9ZkBWtmF-PHJX50eYjgo9rzLKbVOKYOUa5rDkJPHP3U0aaBXFP39zsGdOTuELv436WXypIZBeRq2yA_mDH13TvzegWCK5sjD4Gh177bCq57tBYjhGIQrDypVe4cWBPlvwFlmG8tdpWGu0uFp0GcbTAfLUlbTSuGROj88BY0XeUs0iqmGlEICES3uqNx7vEmdT5k_AmL436SLedE0VHcyxve5ypQ

В кодированном виде он будет выглядеть следующим образом: eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6InVzZXIifQ.YLOVSKef-paSnnM8P2JLaU2FiS8TbhYqjewLmgRJfCj1Q6rVehAHQ-lABnKoRjlEmHZX-rufHEocDxGUYiGMjMexUQ3zt-WqZITvozJ4pkvbV-mJ1nKj64NmqaR9ZkBWtmF-PHJX50eYjgo9rzLKbVOKYOUa5rDkJPHP3U0aaBXFP39zsGdOTuELv436WXypIZBeRq2yA_mDH13TvzegWCK5sjD4Gh177bCq57tBYjhGIQrDypVe4cWBPlvwFlmG8tdpWGu0uFp0GcbTAfLUlbTSuGROj88BY0XeUs0iqmGlEICES3uqNx7vEmdT5k_AmL436SLedE0VHcyxve5ypQ

Поскольку в этом случае мы используем для подписи алгоритм RS256, нам понадобятся публичный и приватный ключи.

-----BEGIN PUBLIC KEY-----
MIIBIjANBgkqhkiG9w0BAQEFAAOCAQ8AMIIBCgKCAQEAnzyis1ZjfNB0bBgKFMSv
vkTtwlvBsaJq7S5wA+kzeVOVpVWwkWdVha4s38XM/pa/yr47av7+z3VTmvDRyAHc
aT92whREFpLv9cj5lTeJSibyr/Mrm/YtjCZVWgaOYIhwrXwKLqPr/11inWsAkfIy
tvHWTxZYEcXLgAXFuUuaS3uF9gEiNQwzGTU1v0FqkqTBr4B8nW3HCN47XUu0t8Y0
e+lf4s4OxQawWD79J9/5d3Ry0vbV3Am1FtGJiJvOwRsIfVChDpYStTcHTCMqtvWb
V6L11BWkpzGXSW4Hv43qa+GSYOD2QU68Mb59oSk2OB+BtOLpJofmbGEGgvmwyCI9
MwIDAQAB
-----END PUBLIC KEY-----
Публичный ключ
-----BEGIN RSA PRIVATE KEY-----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-----END RSA PRIVATE KEY-----
Приватный ключ

Для тестов мы будем использовать сайт jwt.io

Исходный JWT

Как и в предыдущем примере, модифицируем токен:

header:
{
    "typ": "JWT",
    "alg": "HS256"
}
payload:
{
    "id": "1337",
    "username": "bizone",
    "iat": 1594209600,
    "role": "admin"
}

В кодированном виде заголовок и зполезная нагрузка будут выглядеть следующим образом:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6ImFkbWluIn0

Остается только подсчитать подпись с использованием публичного ключа сервиса.

Для начала переводим ключ в hex-представление:

Переводим ключ в hex

Затем генерируем подпись с использованием openSSL:

Генерируем подпись

Полученное значение E1R1nWNsO-H7h5WoYCBnm6c1zZy-0hu2VwpWGMVPK2g добавляем к уже имеющейся строке, и наш токен принимает следующий вид: eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6ImFkbWluIn0.E1R1nWNsO-H7h5WoYCBnm6c1zZy-0hu2VwpWGMVPK2g

Подставляем в поле secret на jwt.io наш публичный ключ, и JWT успешно проходит проверку. Не забудьте поставить галочку secret base64 encoded.

Проверка JWT

Для предотвращения такой атаки рекомендуется:

  • работать только с одним алгоритмом, например HS256 или RS256;
  • выбирать хорошо известные и проверенные библиотеки для работы с JWT, которые с меньшей вероятностью содержат логические ошибки в процедурах проверки токенов.

Заключение

JSON Web Tokens — популярная и удобная технология. При правильном использовании JWT избавляет от распространенных ошибок недостаточной авторизации, позволяет просто и удобно распределить информационные потоки между сервисами, организовать единую точку входа в различные сервисы с одними и теми же учетными данными и даже повысить производительность сервиса.

Вместе с тем при неправильном использовании JWT можно подвергнуть свою систему существенным рискам, вплоть до компрометации учетных записей абсолютно всех пользователей системы.

Итак, для безопасного использования JWT следует:

  • использовать защищенное соединение при передаче токенов;
  • не передавать в токенах чувствительные пользовательские данные;
  • ограничить время жизни JWT и использовать механизм refresh tokens;
  • использовать ключевые фразы большой длины;
  • обеспечить периодическую смену ключевой фразы;
  • вести на стороне приложения белый список разрешенных алгоритмов подписи;
  • в идеальном случае работать строго с одним алгоритмом подписи;
  • выбирать хорошо известные и проверенные библиотеки для работы с JWT;
  • всегда валидировать и санитизировать полученные от пользователя данные.

После беглого знакомства с JSON web tokens может сложиться впечатление, что они встроены в современные механизмы авторизации и аутентификации, такие как OAuth или OpenID. Однако это не совсем так. JSON токены действительно используются в этих системах, но не являются их частью. Более того, сфера их использование гораздо шире авторизации.