JWT

Tech · 04 Jul 2025

JWT

1. 什麼是 JWT？

JSON Web Token (JWT) 是一種開放標準（RFC 7519），定義了一種簡潔（compact）且自包含（self-contained）的方式，用於在各方之間安全地傳遞資訊作為 JSON 物件。JWT 透過數位簽章確保資料的完整性和真實性，可以使用對稱金鑰（HMAC）或非對稱金鑰（RSA、ECDSA）進行簽名。

關鍵特性

簡潔（Compact）：體積小，可在 URL、POST 參數或 HTTP Header 中發送，傳輸速度快
自包含（Self-contained）：payload 包含所需資訊，無需重新查詢資料庫
跨平台支援：基於 JSON 格式，大部分程式語言都支援

2. JWT 的結構

JWT 由三個部分組成，使用點（.）分隔：

HEADER.PAYLOAD.SIGNATURE

2.1 Header（標頭）

Header 描述 JWT 的元資訊，通常包含：

{
  "alg": "HS256",  // 簽名演算法
  "typ": "JWT"     // Token 類型
}

主要欄位：

alg：簽名演算法，對於未加密的 JWT 設為 none
typ：媒體類型，通常設為 JWT
cty：內容類型，用於嵌套 JWT（很少使用）

2.2 Payload（負載）

Payload 包含聲明（Claims），分為三類：

註冊聲明（Registered Claims）：

iss（issuer）：發行者
sub（subject）：主體，通常為使用者 ID
aud（audience）：受眾，預期接收方
exp（expiration time）：過期時間（UNIX 時間戳）
nbf（not before）：生效時間
iat（issued at）：簽發時間
jti（JWT ID）：唯一識別符，防止重放攻擊

公開聲明（Public Claims）：在 IANA 註冊或使用防衝突名稱

私有聲明（Private Claims）：自定義的應用程式特定資訊

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

2.3 Signature（簽名） Signature 用於驗證 JWT 的完整性和真實性：

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

3. JWT 的運作流程

使用者登入：提供身份驗證資訊
伺服器驗證：驗證使用者身份
簽發 JWT：伺服器生成並回傳 JWT
攜帶 Token：客戶端在後續請求中攜帶 JWT
驗證授權：伺服器驗證 JWT 的有效性並授權存取

Authorization: Bearer <token>

這種方式實現了無狀態認證（Stateless Authentication），伺服器無需儲存 session 資訊。

4. 使用場景

4.1 授權（Authorization）

API 認證與微服務架構
使用者權限驗證
跨域資源存取

4.2 單點登入（SSO）

跨網域身份驗證
多應用程式間的無縫存取
企業級身份管理

4.3 資訊交換

安全的資料傳輸
微服務間的通訊
第三方 API 整合

5. 簽名演算法

5.1 HMAC 演算法

HS256：HMAC + SHA-256（必須支援）
HS384：HMAC + SHA-384
HS512：HMAC + SHA-512

特點：使用共享密鑰，任何擁有密鑰的一方都可以驗證和生成簽名。

5.2 RSA 演算法

RS256：RSA + SHA-256（推薦）
RS384：RSA + SHA-384
RS512：RSA + SHA-512

特點：使用非對稱密鑰，私鑰簽名，公鑰驗證，實現一對多的安全分發。

5.3 ECDSA 演算法

ES256：ECDSA + P-256 + SHA-256（推薦）
ES384：ECDSA + P-384 + SHA-384
ES512：ECDSA + P-521 + SHA-512

6. 安全考量

6.1 儲存安全

避免使用 localStorage/sessionStorage：建議使用 HTTP-only Cookie
保護密鑰：妥善管理簽名密鑰，防止洩漏

6.2 演算法安全

強制指定演算法：不要依賴 alg 欄位，在伺服器端明確指定可接受的演算法
防止 none 演算法攻擊：拒絕接受 alg: none 的未簽名 JWT

6.3 資料敏感性

避免存放敏感資訊：JWT 的 payload 可以被輕易解碼，不要存放密碼、身份證號等敏感資料
控制 payload 大小：避免超過 HTTP header 限制（通常 8KB）

6.4 生命週期管理

設定適當的過期時間：使用 exp 聲明控制 token 有效期
無法撤銷問題：JWT 在有效期內無法單獨撤銷，需要考慮黑名單機制或縮短有效期

7. 優點與缺點

7.1 優點

無狀態：減少伺服器端資源負擔
跨域支援：適合分散式架構
標準化：基於開放標準，互操作性好
自包含：減少資料庫查詢次數
可擴展：支援自定義聲明

7.2 缺點

無法撤銷：一旦簽發就無法撤銷
大小限制：可能超過 URL 或 Cookie 限制
密鑰管理：需要妥善管理簽名密鑰
安全風險：容易受到 XSS 攻擊

8. 實作範例

8.1 Node.js 範例

const jwt = require('jsonwebtoken');
const secret = 'your-256-bit-secret';

// 簽發 JWT
const payload = { 
  sub: '1234567890', 
  name: 'John Doe',
  iat: Math.floor(Date.now() / 1000)
};

const token = jwt.sign(payload, secret, { 
  algorithm: 'HS256', 
  expiresIn: '1h' 
});

// 驗證 JWT
try {
  const decoded = jwt.verify(token, secret, { 
    algorithms: ['HS256'] 
  });
  console.log('Decoded payload:', decoded);
} catch (err) {
  console.error('Invalid token:', err.message);
}

8.2 Ruby 範例

require 'json'
require 'base64'
require 'openssl'

# 建立 header 和 payload
header = { alg: "HS256", typ: "JWT" }
payload = { sub: "1234567890", name: "John Doe", admin: true }

# Base64 編碼
encoded_header = Base64.urlsafe_encode64(JSON(header))
encoded_payload = Base64.urlsafe_encode64(JSON(payload))

# 生成簽名
digest = OpenSSL::Digest::SHA256.new
data = "#{encoded_header}.#{encoded_payload}"
signature = OpenSSL::HMAC.digest(digest, 'secret', data)
encoded_signature = Base64.urlsafe_encode64(signature).gsub('=', '')

# 完整的 JWT
jwt_token = "#{encoded_header}.#{encoded_payload}.#{encoded_signature}"
puts jwt_token

9. JWT 的擴展規範

9.1 JSON Web Signature (JWS)

定義於 RFC 7515
提供數位簽名功能
確保資料完整性和來源真實性

9.2 JSON Web Encryption (JWE)

定義於 RFC 7516
提供加密功能
確保資料機密性

9.3 JSON Web Key (JWK)

定義於 RFC 7517
統一密鑰表示格式
簡化密鑰管理和共享

10. 最佳實踐

10.1 設計原則

最小權限原則：只在 payload 中包含必要的資訊
短生命週期：設定較短的過期時間
強簽名演算法：使用 RS256 或 ES256 而非 HS256

10.2 實作建議

使用 HTTPS：確保傳輸過程中的安全性
定期輪換密鑰：降低密鑰洩漏的風險
實作刷新機制：透過 refresh token 延長使用期限

10.3 監控與日誌

記錄異常：監控無效 token 的使用
審計追蹤：記錄 token 的簽發和使用歷史

11. 總結

JWT 是一種強大且靈活的身份驗證和授權機制，特別適合現代的分散式系統架構。雖然存在一些安全考量，但透過適當的實作和安全措施，JWT 能夠提供安全、高效的身份驗證解決方案。

在選擇 JWT 時，需要根據具體的應用場景權衡其優缺點，並確保遵循最佳實踐以最大化安全性和效能。對於需要即時撤銷功能的應用，可能需要結合其他技術（如 Redis 黑名單）來補強 JWT 的限制。

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