在Spring Boot中使用 jose4j 实现 JSON Web Token (JWT)

JSON Web Token 或 JWT 作为服务之间安全通信的一种方式而闻名。
JWT 有两种形式：JWS 和 JWE，它们之间的区别在于：
JWS 的有效载荷（通讯的内容）没有加密，而 JWE 是加密的。

本文将探讨 Java Spring Boot 中 JWT 的实现，学习使用jose4j在Java中创建JWS和JWE。
本文中的代码托管在以下 GitHub 存储库中：https ://github.com/brilianfird/jwt-demo

jose4j是 Java 中流行的 JWT 库之一，具有完整的功能。

<dependency>
<groupId>org.bitbucket.b_c</groupId>
<artifactId>jose4j</artifactId>
<version>0.7.12</version>
</dependency>

JSON Web Signature (JWS) 由三部分组成：

JOSE 标头
Payload有效载荷
签名

JOSE 标头：

{
    alg:"HS264"
}

JOSE 标头存储有关如何处理 JWS 的元数据。alg存储有关 JWT 使用哪种签名算法的信息。

接下来，让我们检查有效载荷：
{
“sub”：“1234567890”，
“name”：“Brilian Firdaus”，
“iat”：1651422365
}

JSON 有效载荷存储我们要传输到客户端的数据。它还存储了一些 JWT 声明，以供我们验证。
在上面的示例中，我们将三个字段注册为 JWT 声明。

sub表示用户的唯一id
name表示用户名
iat表示我们在一个 epoch 中创建 JWT 的时间

最后一部分是签名，它是使 JWS 安全的部分。通常，JWS 的签名将采用字节的形式。
让我们看一个 Base64 编码签名的示例：

qsg3HKPxM96PeeXl-sMrao00yOh1T0yQfZa-BsrtjHI

现在，如果我们看到上面的三个部分，您可能想知道如何将这三个部分无缝地传递给消费者。
答案是紧凑的序列化。使用紧凑序列化，我们可以轻松地与消费者共享 JWS，因为 JWS 将成为一个长字符串。
Base64.encode(JOSE 标头) + "." + Base64.encode（有效负载）+“。” + Base64.encode(签名)

结果将是：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsImtpZCI6IjIwMjItMDUtMDEifQ.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkJyaWxpYW4gRmlyZGF1cyIsImlhdCI6MTY1MTQyMjM2NX0.qsg3HKPxM96PeeXl-sMraoBy00

紧凑序列化部分在 JWT 规范中也是强制性的。所以为了让 JWS 被认为是 JWT，我们必须进行紧凑的序列化。

未受保护
我们将探讨的第一种 JWS 是不受保护的 JWS。人们很少使用这种类型的 JWS（基本上只是一个常规的 JSON），但让我们首先探索一下以了解实现的基础。
让我们从创建标头开始。与之前使用算法的示例不同HS256，现在我们将不使用算法。

生成不受保护的 JWS：
@Test
public void JWS_noAlg() throws Exception {

JwtClaims jwtClaims = new JwtClaims();
jwtClaims.setSubject("7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef"); // set sub
jwtClaims.setIssuedAtToNow(); // set iat
jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(10080); // set exp
jwtClaims.setIssuer("https://codecurated.com"); // set iss
jwtClaims.setStringClaim("name", "Brilian Firdaus"); // set name
jwtClaims.setStringClaim("email", "brilianfird@gmail.com");//set email
jwtClaims.setClaim("email_verified", true); //set email_verified

JsonWebSignature jws = new JsonWebSignature();
jws.setAlgorithmConstraints(AlgorithmConstraints.NO_CONSTRAINTS);
jws.setAlgorithmHeaderValue(AlgorithmIdentifiers.NONE);
jws.setPayload(jwtClaims.toJson());

String jwt = jws.getCompactSerialization(); //produce eyJ.. JWT
System.out.println("JWT: " + jwt);
}

让我们看看我们在代码中做了什么：

我们设置了一堆声明（sub, iat, exp, iss, name, email, email_verified）
我们将签名算法设置为NONE，算法约束设置为，NO_CONSTRAINT因为jose4j会抛出异常，因为算法缺乏安全性
我们将 JWS 打包在紧凑序列化中，它将生成一个包含 JWS 的字符串。结果是一个 JWT 编译的字符串。

让我们看看我们通过调用jws.getCompactSerialization()得到什么输出：
eyJhbGciOiJub25lIn0.eyJzdWIiOiI3NTYwNzU1ZS1mNDVkLTRlYmItYTA5OC1iODk3MWMwMmViZWYiLCJpYXQiOjE2NTI1NTYyNjYsImV4cCI6MTY1MzE2MTA2NiwiaXNzIjoiaHR0cHM6Ly9jb2RlY3VyYXRlZC5jb20iLCJuYW1lIjoiQnJpbGlhbiBGaXJkYXVzIiwiZW1haWwiOiJicmlsaWFuZmlyZEBnbWFpbC5jb20iLCJlbWFpbF92ZXJpZmllZCI6dHJ1ZX0.

如果我们尝试对其进行解码，我们将获得带有我们之前设置的字段的 JWS：
{
"header": {
"alg": "none"
},
"payload": {
"sub": "7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef",
"iat": 1652556266,
"exp": 1653161066,
"iss": "https://codecurated.com",
"name": "Brilian Firdaus",
"email": "brilianfird@gmail.com",
"email_verified": true
}
}

我们已经成功地使用 Javajose4j库创建了 JWT！

现在，让我们继续 JWT 使用的过程。
要使用 JWT，我们可以使用库JwtConsumer中的类jose4j。让我们看一个例子：
@Test
public void JWS_consume() throws Exception {
String jwt = "eyJhbGciOiJub25lIn0.eyJzdWIiOiI3NTYwNzU1ZS1mNDVkLTRlYmItYTA5OC1iODk3MWMwMmViZWYiLCJpYXQiOjE2NTI1NTYyNjYsImV4cCI6MTY1MzE2MTA2NiwiaXNzIjoiaHR0cHM6Ly9jb2RlY3VyYXRlZC5jb20iLCJuYW1lIjoiQnJpbGlhbiBGaXJkYXVzIiwiZW1haWwiOiJicmlsaWFuZmlyZEBnbWFpbC5jb20iLCJlbWFpbF92ZXJpZmllZCI6dHJ1ZX0.";

JwtConsumer jwtConsumer = new JwtConsumerBuilder()
       // required for NONE alg
.setJwsAlgorithmConstraints(AlgorithmConstraints.NO_CONSTRAINTS)
// disable signature requirement
.setDisableRequireSignature()
// require the JWT to have iat field
.setRequireIssuedAt()
// require the JWT to have exp field
.setRequireExpirationTime()
// expect the iss to be https://codecurated.com
.setExpectedIssuer("https://codecurated.com")
.build();

// process JWT to jwt context
JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(jwt);
// get JWS object
JsonWebSignature jws = (JsonWebSignature)jwtContext.getJoseObjects().get(0);
// get claims
JwtClaims jwtClaims = jwtContext.getJwtClaims();

// print claims as map
System.out.println(jwtClaims.getClaimsMap());
}

通过使用JwtConsumer，我们可以轻松地制定有关在处理传入 JWT 时要验证的内容的规则。通过.getJoseObjects()和getJwtClaims()方法实现了一种简单的方法分别来获取 JWS 对象和声明。
现在我们知道如何在没有签名算法的情况下生成和使用 JWT，使用它来理解 JWT 会容易得多。
不同之处在于我们需要设置算法并创建一个密钥来生成/验证 JWT。

HMAC SHA-256
HMAC SHA-256(HS256)是一个具有对称密钥的MAC函数。我们需要为它的秘钥生成至少32个字节，并将其送入jose4j库中的HmacKey类以确保安全。
我们将使用Java中的SecureRandom库来确保密钥的随机性。
byte[] key = new byte[32];

SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
secureRandom.nextBytes(key);

HmacKey hmacKey = new HmacKey(key);

密钥应被视为一种凭证。因此，它应该被存储在一个安全的环境中。作为建议，你可以将其作为环境变量或存储在[Vault](https://www.vaultproject.io/)中。

让我们看看如何创建和使用用HS256签名的JWT。
@Test
public void JWS_HS256() throws Exception {

// generate key
byte[] key = new byte[32];
SecureRandom secureRandom = new SecureRandom();
secureRandom.nextBytes(key);
HmacKey hmacKey = new HmacKey(key);

JwtClaims jwtClaims = new JwtClaims();
jwtClaims.setSubject("7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef"); // set sub
jwtClaims.setIssuedAtToNow(); // set iat
jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(10080); // set exp
jwtClaims.setIssuer("https://codecurated.com"); // set iss
jwtClaims.setStringClaim("name", "Brilian Firdaus"); // set name
jwtClaims.setStringClaim("email", "brilianfird@gmail.com");//set email
jwtClaims.setClaim("email_verified", true); //set email_verified

JsonWebSignature jws = new JsonWebSignature();
// Set alg header as HMAC_SHA256
jws.setAlgorithmHeaderValue(AlgorithmIdentifiers.HMAC_SHA256);
// Set key to hmacKey
jws.setKey(hmacKey);
jws.setPayload(jwtClaims.toJson());

String jwt = jws.getCompactSerialization(); //produce eyJ.. JWT

// we don't need NO_CONSTRAINT and disable require signature anymore
JwtConsumer jwtConsumer = new JwtConsumerBuilder()
.setRequireIssuedAt()
.setRequireExpirationTime()
.setExpectedIssuer("https://codecurated.com")
// set the verification key
.setVerificationKey(hmacKey)
.build();

// process JWT to jwt context
JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(jwt);
// get JWS object
JsonWebSignature consumedJWS = (JsonWebSignature)jwtContext.getJoseObjects().get(0);
// get claims
JwtClaims consumedJWTClaims = jwtContext.getJwtClaims();

// print claims as map
System.out.println(consumedJWTClaims.getClaimsMap());

// Assert header, key, and claims
Assertions.assertEquals(jws.getAlgorithmHeaderValue(), consumedJWS.getAlgorithmHeaderValue());
Assertions.assertEquals(jws.getKey(), consumedJWS.getKey());
Assertions.assertEquals(jwtClaims.toJson(), consumedJWTClaims.toJson());
}

与创建一个没有签名算法的JWS相比，代码上并没有太大的区别。我们首先使用SecureRandom和HmacKey类制作密钥。由于HS256使用对称密钥，我们只需要一个密钥，我们将用它来签署和验证JWT。

我们还通过使用jws.setAlgorithmheaderValue(AlgorithmIdentifiers.HMAC_SHA256)将算法头值设置为HS256，并使用jws.setKey(hmacKey)设置密钥。

在JWT的使用消费者中，我们只需要通过在jwtConsumer对象上使用.setVerificationKey(hmacKey)来设置HMAC密钥，jose4j将通过解析JWS的JOSE头来自动确定在JWS中使用何种算法。

ES256
与只需要一个密钥的HS256不同，我们需要为ES256算法生成两个密钥：私钥和公钥。

我们可以使用私钥来创建和验证JWT，而我们只能使用公钥来验证JWT。由于这些特性，私钥通常被存储为凭证，而公钥可以作为JWK托管在公共场合，这样JWT的消费者就可以自己查询主机并获得密钥。

jose4j库提供了一个简单的API来生成私钥和公钥作为JWK。
EllipticCurveJsonWebKey ellipticCurveJsonWebKey = EcJwkGenerator.generateJwk(EllipticCurves.P256);

// get private key
ellipticCurveJsonWebKey.getPrivateKey();

// get public key
ellipticCurveJsonWebKey.getECPublicKey();

现在我们知道了如何生成密钥，用ES256算法创建JWT，这与用HS256算法创建JWT几乎一样。

...
JsonWebSignature jws = new JsonWebSignature();
// Set alg header as ECDSA_USING_P256_CURVE_AND_SHA256
jws.setAlgorithmHeaderValue(AlgorithmIdentifiers.ECDSA_USING_P256_CURVE_AND_SHA256);
// Set key to the generated private key
jws.setKey(ellipticCurveJsonWebKey.getPrivateKey());
jws.setPayload(jwtClaims.toJson());
...
JwtConsumer jwtConsumer = new JwtConsumerBuilder()
.setRequireIssuedAt()
.setRequireExpirationTime()
.setExpectedIssuer("https://codecurated.com")
// set the verification key as the public key
.setVerificationKey(ellipticCurveJsonWebKey.getECPublicKey())
.build();
...

唯一不同的地方是。

我们将算法头设置为ECDSA_USING_P256_CURVE_AND_SHA256
我们在创建JWT时使用私钥
我们使用公钥来验证JWT

托管JWK
我们可以使用JsonWebKeySet类轻松创建JSON网络密钥集。
@GetMapping("/jwk")
public String jwk() throws JoseException {
// Create public key and private key pair
EllipticCurveJsonWebKey ellipticCurveJsonWebKey = EcJwkGenerator.generateJwk(EllipticCurves.P256);

// Create JsonWebkeySet object
JsonWebKeySet jsonWebKeySet = new JsonWebKeySet();

// Add the public key to the JsonWebKeySet object
jsonWebKeySet.addJsonWebKey(ellipticCurveJsonWebKey);

// toJson() method by default won't host the private key
return jsonWebKeySet.toJson();
}

我们还需要改变密钥解析器的一些属性。
// Define verification key resolver
HttpsJwks httpsJkws = new HttpsJwks("http://localhost:8080/jwk");
HttpsJwksVerificationKeyResolver verificationKeyResolver =
new HttpsJwksVerificationKeyResolver(httpsJkws);

JwtConsumer jwtConsumer = new JwtConsumerBuilder()
.setRequireIssuedAt()
.setRequireExpirationTime()
.setExpectedIssuer("https://codecurated.com")
// set verification key resolver
.setVerificationKeyResolver(verificationKeyResolver)
.build();

由于我们托管了JSON网络密钥集，我们需要查询主机。jose4j也通过使用HttpsJwksVerificationKeyResolver提供了一个简单的方法来实现。

在Java中实现JWE
与JWS不同，JSON Web加密是JWT的一种类型，它是经过加密的，除了拥有私钥的人，没有人可以看到它的内容。首先，让我们看看它的一个例子。
eyJhbGciOiJFQ0RILUVTK0EyNTZLVyIsImVuYyI6IkExMjhDQkMtSFMyNTYiLCJlcGsiOnsia3R5IjoiRUMiLCJ4IjoiMEdxMEFuWUk1RVFxOUVZYjB4dmxjTGxKanV6ckxhSjhUdHYzk5MU9sayIsInkiOiJya1Q2cjlqUWhjRU1xaGtubHJ6S0hVemFKMlhWakFpWGpIWGZZU9aY0hRIiwiY3J2IjoiUC0yNTYifX0。 DUrC7Y_ejpt1n9c8wXetwU65sxkEYxG6RBsCUdokVODJBtwypL9VjQ.ydZx-UDWDN7jbGeESXvPHg.6 ksHUeeGgGj0txFNXmsSQUCnAv52tJuGR5vgrX54vnLkryPFv2ATdLwYXZz3mAjeDes4s9otz4-Fzg1IBZ4qsfCVa6_3CVdkb8BTU4OvQx23SFEgtj8zh-8ZrqZbpKIT.p-E09mQIleNCCmwX3YL-uQ

JWE的结构是：

BASE64URL(UTF8(JWE Protected Header)) || ’.’ ||
BASE64URL(JWE Encrypted Key) || ’.’ ||
BASE64URL(JWE Initialization Vector) || ’.’ ||
BASE64URL(JWE Ciphertext) || ’.’ ||
BASE64URL(JWE Authentication Tag)

而如果我们解密JWE，我们将得到以下的内容。

{
   "iss": "https://codecurated.com"。
   "exp":1654274573。
   "iat":1654256573。
   "sub": "12345"
}

下面看看如何创建JWE:：
@Test
public void JWE_ECDHES256() throws Exception {
// Determine signature algorithm and encryption algorithm
String alg = KeyManagementAlgorithmIdentifiers.ECDH_ES_A256KW;
String encryptionAlgorithm = ContentEncryptionAlgorithmIdentifiers.AES_128_CBC_HMAC_SHA_256;

// Generate EC JWK
EllipticCurveJsonWebKey ecJWK = EcJwkGenerator.generateJwk(EllipticCurves.P256);

// Create
JwtClaims jwtClaims = new JwtClaims();
jwtClaims.setIssuer("https://codecurated.com");
jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(300);
jwtClaims.setIssuedAtToNow();
jwtClaims.setSubject("12345");

// Create JWE
JsonWebEncryption jwe = new JsonWebEncryption();
jwe.setPlaintext(jwtClaims.toJson());

// Set JWE's signature algorithm and encryption algorithm
jwe.setAlgorithmHeaderValue(alg);
jwe.setEncryptionMethodHeaderParameter(encryptionAlgorithm);

// Unlike JWS, to create the JWE we use the public key
jwe.setKey(ecJWK.getPublicKey());
String compactSerialization = jwe.getCompactSerialization();
System.out.println(compactSerialization);

// Create JWT Consumer
JwtConsumer jwtConsumer =
new JwtConsumerBuilder()
// We set the private key as decryption key
.setDecryptionKey(ecJWK.getPrivateKey())
// JWE doesn't have signature, so we disable it
.setDisableRequireSignature()
.build();

// Get the JwtContext of the JWE
JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(compactSerialization);

System.out.println(jwtContext.getJwtClaims());
}

与JWS相比，创建和消费JWE的主要区别是。

我们使用公钥作为加密密钥，使用私钥作为解密密钥
我们在JWE中没有签名，所以消费者将需要跳过签名要求

总结
在这篇文章中，我们已经学会了使用jose4j在Java中创建JWS和JWE。