Безопасность JSON Web Tokens (JWT)

материалы

Введение

В последнее время все чаще можно встретить приложения, использующие для аутентификации пользователей механизмы JSON Web Tokens. Особую популярность JWT завоевал с ростом популярности микросервисной архитектуры: он возлагает задачу по обработке аутентификационных данных на сами микросервисы, а следовательно позволяет избежать различных ошибок авторизации, увеличить производительность и улучшить масштабируемость приложения.

Вместе с тем неправильное использование JWT может негативно сказаться на безопасности приложения. Мы приведем 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: описание

В этом разделе статьи мы расскажем, что такое JSON Web Tokens, из каких частей он состоит, как используется для аутентификации пользователей и в чем заключается преимущество JWT в сравнении с классической схемой аутентификации с использованием сессий.

Структура JWT

Согласно RFC-7519, JSON Web Tokens — один из способов представления данных для передачи между двумя или более сторонами в виде JSON-объекта.

Как правило, структурно JWT состоит из трех частей:

header — заголовок,
payload — полезная нагрузка,
signature — подпись.

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

Заголовок и полезная нагрузка — обычные JSON-объекты, которые необходимо дополнительно закодировать при помощи алгоритма base64url. Закодированные части соединяются друг с другом, и на их основе вычисляется подпись, которая также становится частью токена.

В общем случае токен выглядит следующим образом:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6InVzZXIifQ.ZvkYYnyM929FM4NW9_hSis7_x3_9rymsDAx9yuOcc1I

На рис. 1 можно увидеть, что токен состоит из трех частей, разделенных точками.

Рис. 1. JSON Web Token (пример с сайта jwt.io)

Красная часть — заголовок:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJIUzI1NiJ9

В исходном виде:

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

Фиолетовая часть — полезная нагрузка:

eyJpZCI6IjEzMzciLCJ1c2VybmFtZSI6ImJpem9uZSIsImlhdCI6MTU5NDIwOTYwMCwicm9sZSI6InVzZXIifQ

В исходном виде:

{
  "id": "1337",
  "username": "bizone",
  "iat": 1594209600,
  "role": "user"
}

Голубая часть — подпись:

ZvkYYnyM929FM4NW9_hSis7_x3_9rymsDAx9yuOcc1I

Рассмотрим структуру полей более подробно.

Заголовок

Заголовок — служебная часть токена. Он помогает приложению определить, каким образом следует обрабатывать полученный токен.

Эта часть, как было ранее упомянуто, является JSON-объектом и имеет следующий формат:

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

Здесь присутствуют следующие поля:

typ — тип токена, например JWT;
alg — алгоритм, использованный для генерации подписи.

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.

Полезная нагрузка

В полезной нагрузке передается любая информация, которая помогает приложению тем или иным образом идентифицировать пользователя. Дополнительно могут передаваться определенные служебные поля, однако они не обязательны для заполнения, поэтому на них останавливаться мы не будем.

В нашем случае полезная нагрузка содержит следующий JSON-объект:

{
"id": "1337",
"username": "bizone",
"iat": 1594209600,
"role": "user"
}

Здесь присутствуют следующие поля:

id — уникальный идентификатор пользователя;
username — имя пользователя;
iat — служебное поле, время генерации токена в формате Unix time;
role — роль пользователя, например admin, user, guest.

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.

Подпись

Подпись генерируется следующим образом.

Заголовок и полезная нагрузка кодируются при помощи алгоритма base64url, после чего объединяются в единую строку с использованием точки (".") в качестве разделителя.

Генерируется подпись (в нашем примере — с применением алгоритма HMAC-SHA256), которая добавляется к исходной строке так же через точку.

На псевдокоде алгоритм выглядит примерно так:

signature = HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),
  SECRET_KEY
)

JWT = base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload) + "." + base64UrlEncode(signature)

Получив JWT от пользователя, приложение самостоятельно вычислит значение подписи и сравнит его с тем значением, которое было передано в токене. Если эти значения не совпадут, значит, токен был модифицирован или сгенерирован недоверенной стороной, и принимать такой токен и доверять ему приложение не будет.

Подпись приведенного в пример токена можно проверить с использованием секретного ключа test (например, на сайте jwt.io).

Аутентификация с использованием JWT

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 (уникальный идентификатор, Ф. И. О., роль и т. д.).

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.

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. 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.

Формат JWT: атаки

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 test. 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.

Публичный ключ:

Приватный ключ:

Для тестов мы будем использовать сайт jwt.io (рис. 2).

Рис. 2. 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 (рис. 3).

Рис. 3. Hex-представление ключа

Затем генерируем подпись с использованием openSSL (рис. 4).

Рис. 4. Генерация подписи для JWT

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!) (рис. 5).

Рис. 5. Успешная проверка подписи 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.

Манипуляция ключевыми идентификаторами

Стандарт RFC-7515 описывает параметр заголовка kid (Key ID, идентификатор ключа). Вместе с тем стандарт говорит о том, что формат этого поля строго не определен. Поэтому разработчики вольны интерпретировать его так, как удобно им, что зачастую приводит к различным ошибкам.

Для примера возьмем следующий заголовок JWT:

{
 "alg" : "HS256",
 "typ" : "JWT",
 "kid" : "1337"
}

Предполагается, что для проверки токена будет использован хранящийся в БД ключ с идентификатором 1337. В случае ошибок кодирования это поле может быть уязвимо к SQL-инъекции:

{
 "alg" : "HS256",
 "typ" : "JWT",
 "kid" : "1337' union select 'SECRET_KEY' -- 1"
}

В таком случае для проверки подписи ключа в качестве ключевой фразы вместо предполагаемого ключа из базы данных будет использована строка SECRET_KEY.

В следующем примере предположим, что для проверки токена будет использован ключ из файла keys/service3.key.

{
 "alg" : "HS256",
 "typ" : "JWT",
 "kid" : "keys/service3.key" 
}

Если параметр не валидируется, злоумышленник сможет провести атаку Path Traversal (Directory Traversal) и вместо предполагаемого пути до файла с ключом передаст в поле kid путь до какого-либо публичного файла:

{
 "alg" : "HS256",
 "typ" : "JWT",
 "kid" : "../../../images/public/cat.png" 
}

Злоумышленник может получить доступ к файлу cat.png и подписать JWT с использованием содержимого этого файла, поскольку этот файл общедоступный (например, он опубликован на одной из страниц сервиса). Сервис же, получив в поле kid путь до файла cat.png, использует его содержимое в качестве ключевого файла для проверки подписи токена (которая окажется успешной, ведь злоумышленник заранее об этом позаботился).

Рекомендация по предотвращению подобных атак простая: необходимо всегда валидировать и санитизировать полученные от пользователя данные, даже если они были получены в виде JWT.

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.