对称加密与非对称加密在 JWT 中的应用详解

对称加密与非对称加密在 JWT 中的应用详解

引言

JSON Web Token（JWT）是一种开放标准（RFC 7519），用于在各方之间安全地传输声明（Claims）。JWT 通常由三部分组成：Header（头部）、Payload（载荷） 和 Signature（签名）。其中，签名 是 JWT 的核心，用于确保数据的完整性和真实性。

在 JWT 中，签名可以使用 对称加密（如 HS256） 或 非对称加密（如 RS256） 生成。本文将详细介绍这两种加密方式的区别，并深入讲解它们在 JWT 生成和验证过程中的具体实现。

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对称加密与非对称加密概述

对称加密（Symmetric Encryption）

• 定义：加密和解密使用相同的密钥。
• 特点：
  • 效率高：计算速度快，适合加密大量数据。
  • 密钥管理复杂：通信双方必须共享同一密钥，密钥分发存在风险。
• 常见算法：AES（高级加密标准）、DES（数据加密标准）、3DES、ChaCha20。
• 应用场景：数据库加密、文件加密、VPN 通信（如 IPsec）、硬盘加密（如 BitLocker）。

非对称加密（Asymmetric Encryption）

• 定义：使用一对密钥（公钥和私钥），公钥加密的数据只能用私钥解密，反之亦然（部分算法支持签名功能）。
• 特点：
  • 安全性高：无需共享私钥，公钥可公开分发。
  • 计算开销大：速度比对称加密慢，通常用于小数据量或密钥交换。
• 常见算法：RSA、ECC（椭圆曲线加密）、ElGamal、DH（Diffie-Hellman，密钥交换协议）。
• 应用场景：数字签名、SSL/TLS 握手、SSH 登录、加密货币（如比特币）。

注意：在jwt中，使用对称加密和非对称加密不是用来加密的，是用来计算签名的

对称加密生成和验证 JWT 的过程

生成 JWT（HS256 示例）

1. 准备数据：

   • Header：指定算法（"alg": "HS256"）和类型（"typ": "JWT"）。
   • Payload：存储实际数据（如用户信息、过期时间 exp）。
   • Secret Key：用于签名（仅签名方持有）。

2. Base64Url 编码 Header 和 Payload：

   • 将 Header 和 Payload 分别进行 Base64Url 编码，得到 encodedHeader 和 encodedPayload。

3. 计算签名：

   • 拼接字符串：signingInput = encodedHeader + "." + encodedPayload。
   • 使用 HMAC-SHA256 算法，对 signingInput 和 Secret Key 计算签名：signature = HMAC-SHA256(signingInput, SecretKey)。
   • 将签名进行 Base64Url 编码，得到 encodedSignature。

4. 组合成 JWT：

   jwt = encodedHeader + "." + encodedPayload + "." + encodedSignature

验证 JWT

1. 解析 JWT：
   • 分割 jwt 为 encodedHeader、encodedPayload 和 encodedSignature。
2. 重新计算签名：
   • 拼接字符串：signingInput = encodedHeader + "." + encodedPayload。
   • 使用相同的 HMAC-SHA256 算法和 Secret Key 计算签名。
3. 比对签名：
   • 比较重新计算的签名和 JWT 中的 encodedSignature 是否一致。
   • 如果一致，则验证通过；否则，验证失败。
4. 验证其他声明（可选）：
   • 检查 Payload 中的 exp（过期时间）、nbf（生效时间）等声明。

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非对称加密生成和验证 JWT 的过程

生成 JWT（RS256 示例）

1. 准备数据：

   • Header：指定算法（"alg": "RS256"）和类型（"typ": "JWT"）。
   • Payload：存储实际数据（如用户信息、过期时间 exp）。
   • Private Key：用于签名（仅签名方持有）。
   • Public Key：用于验证（可公开分发）。

2. Base64Url 编码 Header 和 Payload：

   • 将 Header 和 Payload 分别进行 Base64Url 编码，得到 encodedHeader 和 encodedPayload。

3. 计算签名：

   • 拼接字符串：signingInput = encodedHeader + "." + encodedPayload。
   • 对signingInput进行哈希（如 SHA-256），然后用 RSA 私钥加密哈希值（生成签名）：signature = RSA_Sign(SHA256(signingInput), PrivateKey)
   • 将签名进行 Base64Url 编码，得到 encodedSignature。

4. 组合成 JWT：

   jwt = encodedHeader + “.” + encodedPayload + “.” + encodedSignature

验证 JWT

1. 解析 JWT：
   • 分割 jwt 为 encodedHeader、encodedPayload 和 encodedSignature。
2. 重新计算签名：
   • 拼接字符串：signingInput = encodedHeader + "." + encodedPayload。
   • 对 signingInput进行哈希（SHA-256），然后用 RSA 公钥解密 JWT 中的签名，比对哈希值是否一致：is_valid = RSA_Verify(SHA256(signingInput), encodedSignature, PublicKey)
3. 比对签名：
   • 如果解密后的哈希值与重新计算的哈希值一致，则验证通过；否则，验证失败。
4. 验证其他声明（可选）：
   • 检查 Payload 中的 exp（过期时间）、nbf（生效时间）等声明。

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对称加密与非对称加密在 JWT 中的对比

特性	对称加密（HS256）	非对称加密（RS256/ES256）
密钥	共享密钥（Secret Key）	私钥签名，公钥验证
安全性	较低（密钥共享）	更高（私钥保密）
适用场景	内部系统、简单应用	分布式系统、OAuth/OpenID Connect
性能	较快（HMAC 计算简单）	较慢（RSA/ECDSA 计算开销大）
签名计算	HMAC-SHA256	RSA/ECDSA 签名
密钥管理	密钥共享，风险较高	私钥保密，公钥可公开分发

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总结

• 对称加密（HS256）：
  • 使用相同的密钥进行签名和验证。
  • 适合内部系统，但密钥管理复杂。
• 非对称加密（RS256/ES256）：
  • 使用私钥签名，公钥验证。
  • 安全性更高，适合分布式系统（如 OAuth/OpenID Connect）。
• 选择建议：
  • 如果安全性要求高，且系统是分布式的，优先选择非对称加密。
  • 如果是内部系统，且对性能要求较高，可以选择对称加密。