Пять простых шагов для понимания JSON Web Tokens (JWT)

Представляю вам мой довольно вольный перевод статьи 5 Easy Steps to Understanding JSON Web Tokens (JWT). В этой статье будет рассказано о том, что из себя представляют JSON Web Tokens (JWT) и с чем их едят. То есть какую роль они играют в проверке подлинности пользователя и обеспечении безопасности данных приложения.

Для начала рассмотрим формальное определение.

JSON Web Token (JWT) — это JSON объект, который определен в открытом стандарте RFC 7519. Он считается одним из безопасных способов передачи информации между двумя участниками. Для его создания необходимо определить заголовок (header) с общей информацией по токену, полезные данные (payload), такие как id пользователя, его роль и т.д. и подписи (signature).
Кстати, правильно JWT произносится как /dʒɒt/

Простыми словами, JWT — это лишь строка в следующем формате header.payload.signature.
Предположим, что мы хотим зарегистрироваться на сайте. В нашем случае есть три участника — пользователь user, сервер приложения application server и сервер аутентификации authentication server. Сервер аутентификации будет обеспечивать пользователя токеном, с помощью которого он позднее сможет взаимодействовать с приложением.

Приложение использует JWT для проверки аутентификации пользователя следующим образом:

1. Сперва пользователь заходит на сервер аутентификации с помощью аутентификационного ключа (это может быть пара логин/пароль, либо Facebook ключ, либо Google ключ, либо ключ от другой учетки).
2. Затем сервер аутентификации создает JWT и отправляет его пользователю.
3. Когда пользователь делает запрос к API приложения, он добавляет к нему полученный ранее JWT.
4. Когда пользователь делает API запрос, приложение может проверить по переданному с запросом JWT является ли пользователь тем, за кого себя выдает. В этой схеме сервер приложения сконфигурирован так, что сможет проверить, является ли входящий JWT именно тем, что был создан сервером аутентификации (процесс проверки будет объяснен позже более детально).

Структура JWT

JWT состоит из трех частей: заголовок header, полезные данные payload и подпись signature. Давайте пройдемся по каждой из них.

Шаг 1. Создаем HEADER

Хедер JWT содержит информацию о том, как должна вычисляться JWT подпись. Хедер — это тоже JSON объект, который выглядит следующим образом:

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

Поле typ не говорит нам ничего нового, только то, что это JSON Web Token. Интереснее здесь будет поле alg, которое определяет алгоритм хеширования. Он будет использоваться при создании подписи. HS256 — не что иное, как HMAC-SHA256, для его вычисления нужен лишь один секретный ключ (более подробно об этом в шаге 3). Еще может использоваться другой алгоритм RS256 — в отличие от предыдущего, он является ассиметричным и создает два ключа: публичный и приватный. С помощью приватного ключа создается подпись, а с помощью публичного только лишь проверяется подлинность подписи, поэтому нам не нужно беспокоиться о его безопасности.

Шаг 2. Создаем PAYLOAD

Payload — это полезные данные, которые хранятся внутри JWT. Эти данные также называют JWT-claims (заявки). В примере, который рассматриваем мы, сервер аутентификации создает JWT с информацией об id пользователя — userId.

payload = { "userId": "b08f86af-35da-48f2-8fab-cef3904660bd" }

Мы положили только одну заявку (claim) в payload. Вы можете положить столько заявок, сколько захотите. Существует список стандартных заявок для JWT payload — вот некоторые из них:

• iss (issuer) — определяет приложение, из которого отправляется токен.
• sub (subject) — определяет тему токена.
• exp (expiration time) — время жизни токена.

Эти поля могут быть полезными при создании JWT, но они не являются обязательными. Если хотите знать весь список доступных полей для JWT, можете заглянуть в Wiki. Но стоит помнить, что чем больше передается информации, тем больший получится в итоге сам JWT. Обычно с этим не бывает проблем, но все-таки это может негативно сказаться на производительности и вызвать задержки во взаимодействии с сервером.

Шаг 3. Создаем SIGNATURE

Подпись вычисляется с использованием следующего псевдо-кода:

const SECRET_KEY = 'cAtwa1kkEy'
const unsignedToken = base64urlEncode(header) + '.' + base64urlEncode(payload)
const signature = HMAC-SHA256(unsignedToken, SECRET_KEY)

Алгоритм base64url кодирует хедер и payload, созданные на 1 и 2 шаге. Алгоритм соединяет закодированные строки через точку. Затем полученная строка хешируется алгоритмом, заданным в хедере на основе нашего секретного ключа.

// header eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9
// payload eyJ1c2VySWQiOiJiMDhmODZhZi0zNWRhLTQ4ZjItOGZhYi1jZWYzOTA0NjYwYmQifQ
// signature -xN_h82PHVTCMA9vdoHrcZxH-x5mb11y1537t3rGzcM

Шаг 4. Теперь объединим все три JWT компонента вместе

Теперь, когда у нас есть все три составляющих, мы можем создать наш JWT. Это довольно просто, мы соединяем все полученные элементы в строку через точку.

const token = encodeBase64Url(header) + '.' + encodeBase64Url(payload) + '.' + encodeBase64Url(signature)
// JWT Token
// eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJ1c2VySWQiOiJiMDhmODZhZi0zNWRhLTQ4ZjItOGZhYi1jZWYzOTA0NjYwYmQifQ.-xN_h82PHVTCMA9vdoHrcZxH-x5mb11y1537t3rGzcM

Вы можете попробовать создать свой собственный JWT на сайте jwt.io.
Вернемся к нашему примеру. Теперь сервер аутентификации может слать пользователю JWT.

Как JWT защищает наши данные?

Очень важно понимать, что использование JWT НЕ скрывает и не маскирует данные автоматически. Причина, почему JWT используются — это проверка, что отправленные данные были действительно отправлены авторизованным источником. Как было продемонстрировано выше, данные внутри JWT закодированы и подписаны, обратите внимание, это не одно и тоже, что зашифрованы. Цель кодирования данных — преобразование структуры. Подписанные данные позволяют получателю данных проверить аутентификацию источника данных. Таким образом закодирование и подпись данных не защищает их. С другой стороны, главная цель шифрования — это защита данных от неавторизованного доступа. Для более детального объяснения различия между кодированием и шифрованием, а также о том, как работает хеширование, смотрите эту статью. Поскольку JWT только лишь закодирована и подписана, и поскольку JWT не зашифрована, JWT не гарантирует никакой безопасности для чувствительных (sensitive) данных.

Шаг 5. Проверка JWT

В нашем простом примере из 3 участников мы используем JWT, который подписан с помощью HS256 алгоритма и только сервер аутентификации и сервер приложения знают секретный ключ. Сервер приложения получает секретный ключ от сервера аутентификации во время установки аутентификационных процессов. Поскольку приложение знает секретный ключ, когда пользователь делает API-запрос с приложенным к нему токеном, приложение может выполнить тот же алгоритм подписывания к JWT, что в шаге 3. Приложение может потом проверить эту подпись, сравнивая ее со своей собственной, вычисленной хешированием. Если подписи совпадают, значит JWT валидный, т.е. пришел от проверенного источника. Если подписи не совпадают, значит что-то пошло не так — возможно, это является признаком потенциальной атаки. Таким образом, проверяя JWT, приложение добавляет доверительный слой (a layer of trust) между собой и пользователем.

В заключение

Мы прошлись по тому, что такое JWT, как они создаются и как валидируются, каким образом они могут быть использованы для установления доверительных отношений между пользователем и приложением. Но это лишь кусочек пазла большой темы авторизации и обеспечения защиты вашего приложения. Мы рассмотрели лишь основы, но без них невозможно двигаться дальше.

Что дальше?

Подумаем о безопасности и добавим Refresh Token. Смотрите следующую мою статью на эту тему.

Полезные ссылки

1. 5 Easy Steps to Understanding JSON Web Tokens (JWT)
2. Securing React Redux Apps With JWT Tokens
3. Зачем нужен Refresh Token, если есть Access Token?