JWT 原理与设计上的缺陷及利用（基础篇）

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发布于 2023-03-29 15:47:08

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发布于 2023-03-29 15:47:08

文章被收录于专栏：FreeBuf

基本概念

`JSON Web Token (JWT)`是一个开放标准 ( RFC 7519)，它定义了一种紧凑且自包含的方式，用于在各方之间以`JSON`对象的形式安全传输信息。此信息可以验证和信任，因为它是数字签名的。`JWT`可以使用密钥（使用`HMAC`算法）或使用`RSA`或`ECDSA`的公钥/私钥对进行签名。

不理解上述解释没有关系，在解释 JWT 具体是个啥之前，先看看它会被用在什么地方。

跨域认证

在`HTTP/HTTPS`协议中，由于其是无状态协议，所以其中对于用户身份的认证过程一般是这样的：

基于 session 的认证

用户向服务器提供用户名与密码进行用户认证。
服务器收到验证用户身份合法后，为了避免该用户下次再次请求还需要重新认证（无状态协议不会记录），服务器会在当前会话（session）里面保存相关与用于身份有关的数据（用户身份等）。
服务器根据该session生成一个session_id用于唯一标识该session，并将其放入Cookie中返回给用户。
随后用户的每次请求都会带上该Cookie，服务器便可从该 Cookie 中获取到该用户的session_id以便对应之前保存在服务端的数据得知用户的身份。

但这种方式存在的一些缺点：

随着用户的增多，服务端将保存大量session，增大开销解决方案1：启用Session Ticket参数，将加密的session通过服务端的密钥加密后保存于客户端本地进行验证。
扩展性不好，不适用于分布式站点的单点登录（SSO）的场景：若是存在服务器集群，比如最简单的一家公司有两个网站，要求两个网站实现单点登录的功能（即：登录一个网站另一个关联网站也自动登录），此时若采用session认证，就需要两个网站共享session，在并发量大的情况下，不可能直接传输，而是应当将session持久化保存在本地（比如说数据库中），再向其请求，但这样工程量较大，而且一旦数据库持久化出问题单点登录将会失败（所有用户的单点登录）。
易受CSRF等攻击。

基于 JWT 的认证

首先用户通过浏览器向服务器发起一个POST请求，其中携带着username和password进行认证。
服务器验证用户身份后，会生成具有该用户标识信息的一个JWT对象，为了防止其中关于用户的信息在传输过程中被篡改，再用自己生成的一个secret对其加上签名并将其发给用户。
之后用户再次请求时，只需要带上这个JWT对象（类似于一个token），服务器即可验证其身份。客户端得到JWT对象字符串后，一般将JWT对象字符串放在HTTP请求的头信息的Authorization字段中（也可以放在Cookie中，但放在Cookie中是无法跨域的）发给服务器。

JWT 对象结构

这里可直接通过其官网进行Debugger，官方网站：https://jwt.io/

以官网提供的例子为例，JWT对象长这样：

一个 JWT 对象由三个部分组成，以.进行分隔，所以上面这个JWT对象可以分为三部分：

`Header.Payload.Signature`

Header（头部） eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9
Payload（负载） eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ
Signature（签名） SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

Header（头部）

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9是一个Base64URL 编码后的数据，解码后得到的内容为：

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

Header部分是一个JSON对象，描述JWT的元数据，其中有这几个参数：

alg签名使用的算法默认为HMAC SHA256（简写为HS256）
typ用于标识该令牌（token）的类型为JWT

Payload（负载）

eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ同样为Base64URL 编码后的数据。

{  "sub": "1234567890",  "name": "John Doe",  "iat": 1516239022}

但此处有一个特殊的地方在于，此处使用Base64URL编码与Base64有点小区别，编码后的数据，会将其用于填充的==去掉。

Base64有三个字符+/和=，在 URL 里面有特殊含义，所以要被替换掉：=被省略+替换成-/替换成_这就是Base64URL算法。

Payload部分也是一个JSON对象，用来存放实际需要传递的数据。JWT规定了7个官方字段供选用：

iss (issuer)：签发人
exp (expiration time)：过期时间
sub (subject)：主题（jwt所面向的用户）
aud (audience)：受众（接收jwt的一方）
nbf (Not Before)：生效时间
iat (Issued At)：签发时间（Unix 时间格式）
jti (JWT ID)：编号（jst的唯一标识，主要用来作为一次性 token ，从而避免重放攻击）

这些只是官方的字段，若像定义，还可以定义私有的字段。

JWT 默认是不加密的，任何人都可以控制，将私密信息放到此处将会被泄露。

Signature（签名）

SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c此处并不是Base64编码的数据。

SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c计算过程：

首先，需要指定一个secret，这个密钥由服务器生成，只有服务器才知道，不能泄露给用户。然后，使用Header里面指定的签名算法（默认是HMAC SHA256），按照下面的公式产生签名。

HMACSHA256(  base64UrlEncode(header) + "." +  base64UrlEncode(payload),  secret)

用于对前两部分加一个签名，防止前两部分的数据被篡改（被篡改后计算所得值不同）。

JWT 特点

JWT默认是不加密，但也是可以加密的。生成原始Token以后，可以用密钥再加密一次。

JWT 的缺点

由于服务器不保存session状态，因此无法在使用过程中废止某个token，或者更改token的权限。也就是说，一旦JWT签发了，在到期之前就会始终有效，除非服务器部署额外的逻辑，建议：

JWT不应该使用HTTP协议明码传输，要使用HTTPS协议传输。
JWT的有效期应该设置得比较短。对于一些比较重要的权限，使用时应该再次对用户进行认证。

针对 JWT 相关的攻击

未经验证的签名绕过 JWT 身份验证

由于后端没有对JWT的签名进行验证，可导致Payload字段遭到修改，以达到越权访问的目的。

这里使用Burp官方提供的Lab: JWT authentication bypass via unverified signature靶场，实验链接：https://portswigger.net/web-security/jwt/lab-jwt-authentication-bypass-via-unverified-signature

题目要求：

为我们提供了一个常规用户的账户与密码wiener:peter让我们越权使用 admin 账户，并用其删除carlos账户。

1：登录后抓包

注意之后的所有操作中若在Burp中对JWT的对象属性进行修改后，都要点击Apply changes否则修改不会对应在原报文中。

通过wiener:peter进行账户登录后，启动Burp挂上代理并点击My account进行抓包。

从中可以看到用于验证客户端浏览器身份的JWT对象字符串，此处是放在Cookie中进行传输通过对其中Payload段进行Base64URL解密，可以获得其Payload携带的信息（见截图右下角）。

此处也可以使用Burp的插件JSON Web Token来查看JWT对象的结构。

2：改包越权访问 administrator 账户

由于后端没有对JWT对象做签名的验证，所以此处可以直接修改其中的sub字段为administrator，并修改登录的id为adminisrator。

之后便会访问到administrator的界面，点击其特有的Admin panel管理界面并抓包。

此时再次修改请求发出用于确认身份的JWT对象中sub属性为administrator。

成功访问，删除用户即可。

若对上述过程还存疑，可看该视频：https://youtu.be/Xy0pvy8ZdvU

爆破 Secret 进行越权

使用hashcat对JWT服务端的secret进行破解。

这里使用Burp官方提供的Lab: JWT authentication bypass via weak signing key靶场，实验链接：https://portswigger.net/web-security/jwt/lab-jwt-authentication-bypass-via-weak-signing-key

题目要求：

本实验使用基于 JWT 的机制来处理会话。它使用极弱的密钥来签署和验证令牌。这可以很容易地使用一个常见的秘‍密词表暴力破解。其余账户与要完成的任务与上一题相同。

1：正常登录获取 JWT token

此处与上一题的过程相同，首先抓包获取JWT token。

2：爆破 secret

此处使用Burp官方提供的一个字典文件通过hashcat来暴力破解其secret值。

hashcat -a 0 -m 16500 JWT_token JWTsecretDirectory

JWT_token要破解的刚刚抓包获取的JWT token
JWTsecretDirectory官方提供的secret字典

最终破解得到secret = secret1

3：计算 administrator 的 JWT token

之后的操作就简单了，和前一题类似。

参考文章：

1.http://book.fsec.io/201-%E6%BC%8F%E6%B4%9E%E5%8E%9F%E7%90%86%E4%B8%8E%E5%B7%A5%E5%85%B7/201-A-%E6%BC%8F%E6%B4%9E%E5%8E%9F%E7%90%86/201-A24-JWT%E6%BC%8F%E6%B4%9E.html

2.https://www.4hou.com/posts/zlK2

3.https://jwt.io/

4.https://portswigger.net/web-security/jwt

5.https://github.com/wallarm/jwt-secrets/blob/master/jwt.secrets.list

6.https://www.freebuf.com/articles/web/337347.html