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:<font>"HS264"</font><font>
}
</font>

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) + <font>"."</font><font> + Base64.encode（有效负载）+“。” + Base64.encode(签名)
</font>

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  
<b>public</b> <b>void</b> JWS_noAlg() throws Exception {  
  
  JwtClaims jwtClaims = <b>new</b> JwtClaims();  
  jwtClaims.setSubject(<font>"7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef"</font><font>); </font><font><i>// set sub</i></font><font>
  jwtClaims.setIssuedAtToNow();  </font><font><i>// set iat</i></font><font>
  jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(10080); </font><font><i>// set exp</i></font><font>
  jwtClaims.setIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>); // set iss
  jwtClaims.setStringClaim(</font><font>"name"</font><font>, </font><font>"Brilian Firdaus"</font><font>);   </font><font><i>// set name</i></font><font>
  jwtClaims.setStringClaim(</font><font>"email"</font><font>, </font><font>"brilianfird@gmail.com"</font><font>);</font><font><i>//set email  </i></font><font>
  jwtClaims.setClaim(</font><font>"email_verified"</font><font>, <b>true</b>);  </font><font><i>//set email_verified</i></font><font>
  
  JsonWebSignature jws = <b>new</b> JsonWebSignature();  
  jws.setAlgorithmConstraints(AlgorithmConstraints.NO_CONSTRAINTS);  
  jws.setAlgorithmHeaderValue(AlgorithmIdentifiers.NONE);  
  jws.setPayload(jwtClaims.toJson());  
  
  String jwt = jws.getCompactSerialization(); </font><font><i>//produce eyJ.. JWT</i></font><font>
  System.out.println(</font><font>"JWT: "</font><font> + jwt);  
}
</font>

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：

{
  <font>"header"</font><font>: {
    </font><font>"alg"</font><font>: </font><font>"none"</font><font>
  },
  </font><font>"payload"</font><font>: {
    </font><font>"sub"</font><font>: </font><font>"7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef"</font><font>,
    </font><font>"iat"</font><font>: 1652556266,
    </font><font>"exp"</font><font>: 1653161066,
    </font><font>"iss"</font><font>: </font><font>"https://codecurated.com"</font><font>,
    </font><font>"name"</font><font>: </font><font>"Brilian Firdaus"</font><font>,
    </font><font>"email"</font><font>: </font><font>"brilianfird@gmail.com"</font><font>,
    </font><font>"email_verified"</font><font>: <b>true</b>
  }
}
</font>

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  
<b>public</b> <b>void</b> JWS_consume() throws Exception {  
  String jwt = <font>"eyJhbGciOiJub25lIn0.eyJzdWIiOiI3NTYwNzU1ZS1mNDVkLTRlYmItYTA5OC1iODk3MWMwMmViZWYiLCJpYXQiOjE2NTI1NTYyNjYsImV4cCI6MTY1MzE2MTA2NiwiaXNzIjoiaHR0cHM6Ly9jb2RlY3VyYXRlZC5jb20iLCJuYW1lIjoiQnJpbGlhbiBGaXJkYXVzIiwiZW1haWwiOiJicmlsaWFuZmlyZEBnbWFpbC5jb20iLCJlbWFpbF92ZXJpZmllZCI6dHJ1ZX0."</font><font>;  
  
  JwtConsumer jwtConsumer = <b>new</b> JwtConsumerBuilder()  
          </font><font><i>// required for NONE alg  </i></font><font>
          .setJwsAlgorithmConstraints(AlgorithmConstraints.NO_CONSTRAINTS) 
          </font><font><i>// disable signature requirement  </i></font><font>
          .setDisableRequireSignature()
          </font><font><i>// require the JWT to have iat field  </i></font><font>
          .setRequireIssuedAt() 
          </font><font><i>// require the JWT to have exp field </i></font><font>
          .setRequireExpirationTime()  
          </font><font><i>// expect the iss to be https://codecurated.com  </i></font><font>
          .setExpectedIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>) 
          .build();  
          
  </font><font><i>// process JWT to jwt context  </i></font><font>
  JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(jwt); 
  </font><font><i>// get JWS object</i></font><font>
  JsonWebSignature jws = (JsonWebSignature)jwtContext.getJoseObjects().get(0);
  </font><font><i>// get claims  </i></font><font>
  JwtClaims jwtClaims = jwtContext.getJwtClaims(); 
  
  </font><font><i>// print claims as map  </i></font><font>
  System.out.println(jwtClaims.getClaimsMap()); 
}
</font>

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 = <b>new</b> byte[32];  
  
SecureRandom secureRandom = <b>new</b> SecureRandom();  
secureRandom.nextBytes(key);

HmacKey hmacKey = <b>new</b> 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  
<b>public</b> <b>void</b> JWS_HS256() throws Exception {  
    
  <font><i>// generate  key  </i></font><font>
  byte[] key = <b>new</b> byte[32];  
  SecureRandom secureRandom = <b>new</b> SecureRandom();  
  secureRandom.nextBytes(key);  
  HmacKey hmacKey = <b>new</b> HmacKey(key);  
  
  JwtClaims jwtClaims = <b>new</b> JwtClaims();  
  jwtClaims.setSubject(</font><font>"7560755e-f45d-4ebb-a098-b8971c02ebef"</font><font>); </font><font><i>// set sub  </i></font><font>
  jwtClaims.setIssuedAtToNow();  </font><font><i>// set iat  </i></font><font>
  jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(10080); </font><font><i>// set exp  </i></font><font>
  jwtClaims.setIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>); // set iss  
  jwtClaims.setStringClaim(</font><font>"name"</font><font>, </font><font>"Brilian Firdaus"</font><font>);   </font><font><i>// set name  </i></font><font>
  jwtClaims.setStringClaim(</font><font>"email"</font><font>, </font><font>"brilianfird@gmail.com"</font><font>);</font><font><i>//set email  </i></font><font>
  jwtClaims.setClaim(</font><font>"email_verified"</font><font>, <b>true</b>);  </font><font><i>//set email_verified  </i></font><font>
  
  JsonWebSignature jws = <b>new</b> JsonWebSignature();  
  </font><font><i>// Set alg header as HMAC_SHA256  </i></font><font>
  jws.setAlgorithmHeaderValue(AlgorithmIdentifiers.HMAC_SHA256);  
  </font><font><i>// Set key to hmacKey  </i></font><font>
  jws.setKey(hmacKey);  
  jws.setPayload(jwtClaims.toJson());  
  
  String jwt = jws.getCompactSerialization(); </font><font><i>//produce eyJ.. JWT  </i></font><font>
  
  </font><font><i>// we don't need NO_CONSTRAINT and disable require signature anymore </i></font><font>
  JwtConsumer jwtConsumer = <b>new</b> JwtConsumerBuilder()  
          .setRequireIssuedAt()  
          .setRequireExpirationTime()  
          .setExpectedIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>)  
          </font><font><i>// set the verification key  </i></font><font>
          .setVerificationKey(hmacKey)  
          .build();  
  
  </font><font><i>// process JWT to jwt context  </i></font><font>
  JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(jwt);  
  </font><font><i>// get JWS object  </i></font><font>
  JsonWebSignature consumedJWS = (JsonWebSignature)jwtContext.getJoseObjects().get(0);  
  </font><font><i>// get claims  </i></font><font>
  JwtClaims consumedJWTClaims = jwtContext.getJwtClaims();  
  
  </font><font><i>// print claims as map  </i></font><font>
  System.out.println(consumedJWTClaims.getClaimsMap());  
  
  </font><font><i>// Assert header, key, and claims  </i></font><font>
  Assertions.assertEquals(jws.getAlgorithmHeaderValue(), consumedJWS.getAlgorithmHeaderValue());  
  Assertions.assertEquals(jws.getKey(), consumedJWS.getKey());  
  Assertions.assertEquals(jwtClaims.toJson(), consumedJWTClaims.toJson());  
}
</font>

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);

<font><i>// get private key</i></font><font>
ellipticCurveJsonWebKey.getPrivateKey();

</font><font><i>// get public key</i></font><font>
ellipticCurveJsonWebKey.getECPublicKey();
</font>

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

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(<font>"/jwk"</font><font>)  
<b>public</b> String jwk() throws JoseException {  
</font><font><i>// Create public key and private key pair</i></font><font>
  EllipticCurveJsonWebKey ellipticCurveJsonWebKey = EcJwkGenerator.generateJwk(EllipticCurves.P256);  
  
  </font><font><i>// Create JsonWebkeySet object</i></font><font>
  JsonWebKeySet jsonWebKeySet = <b>new</b> JsonWebKeySet();  

  </font><font><i>// Add the public key to the JsonWebKeySet object</i></font><font>
  jsonWebKeySet.addJsonWebKey(ellipticCurveJsonWebKey);  

  </font><font><i>// toJson() method by default won't host the private key</i></font><font>
  <b>return</b> jsonWebKeySet.toJson();  
}
</font>

我们还需要改变密钥解析器的一些属性。

<font><i>// Define verification key resolver</i></font><font>
HttpsJwks httpsJkws = <b>new</b> HttpsJwks(</font><font>"http://localhost:8080/jwk"</font><font>);  
HttpsJwksVerificationKeyResolver verificationKeyResolver =  
    <b>new</b> HttpsJwksVerificationKeyResolver(httpsJkws);  
  
JwtConsumer jwtConsumer = <b>new</b> JwtConsumerBuilder()  
    .setRequireIssuedAt()  
    .setRequireExpirationTime()  
    .setExpectedIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>)  
    </font><font><i>// set verification key resolver</i></font><font>
    .setVerificationKeyResolver(verificationKeyResolver)  
    .build();
</font>

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。

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

下面看看如何创建JWE:：

@Test  
<b>public</b> <b>void</b> JWE_ECDHES256() throws Exception {  
  <font><i>// Determine signature algorithm and encryption algorithm  </i></font><font>
  String alg = KeyManagementAlgorithmIdentifiers.ECDH_ES_A256KW;  
  String encryptionAlgorithm = ContentEncryptionAlgorithmIdentifiers.AES_128_CBC_HMAC_SHA_256;  
  
  </font><font><i>// Generate EC JWK  </i></font><font>
  EllipticCurveJsonWebKey ecJWK = EcJwkGenerator.generateJwk(EllipticCurves.P256);  
  
  </font><font><i>// Create  </i></font><font>
  JwtClaims jwtClaims = <b>new</b> JwtClaims();  
  jwtClaims.setIssuer(</font><font>"https://codecurated.com"</font><font>);  
  jwtClaims.setExpirationTimeMinutesInTheFuture(300);  
  jwtClaims.setIssuedAtToNow();  
  jwtClaims.setSubject(</font><font>"12345"</font><font>);  
  
  </font><font><i>// Create JWE  </i></font><font>
  JsonWebEncryption jwe = <b>new</b> JsonWebEncryption();  
  jwe.setPlaintext(jwtClaims.toJson());  
  
  </font><font><i>// Set JWE's signature algorithm and encryption algorithm  </i></font><font>
  jwe.setAlgorithmHeaderValue(alg);  
  jwe.setEncryptionMethodHeaderParameter(encryptionAlgorithm);  
  
  </font><font><i>// Unlike JWS, to create the JWE we use the public key  </i></font><font>
  jwe.setKey(ecJWK.getPublicKey());  
  String compactSerialization = jwe.getCompactSerialization();  
  System.out.println(compactSerialization);  
  
  </font><font><i>// Create JWT Consumer  </i></font><font>
  JwtConsumer jwtConsumer =  
      <b>new</b> JwtConsumerBuilder()  
          </font><font><i>// We set the private key as decryption key  </i></font><font>
          .setDecryptionKey(ecJWK.getPrivateKey())  
          </font><font><i>// JWE doesn't have signature, so we disable it  </i></font><font>
          .setDisableRequireSignature()  
          .build();  
  
  </font><font><i>// Get the JwtContext of the JWE  </i></font><font>
  JwtContext jwtContext = jwtConsumer.process(compactSerialization);  
  
  System.out.println(jwtContext.getJwtClaims());  
}
</font>

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。