[Server] What is JWT ( Json Web Token )

 

JWT ( Json Web Token)

현대 웹서비스에서는 토큰을 사용하여 

사용자들의 인증 작업을 처리하는 것이 가장 좋은 방법이다. 

현재 토큰 기반 인증 시스템에서 가장 많이 사용되는 것이 JWT이다.

먼저 JWT는 Json Web Token의 약자로

Json객체를 이용해서 토큰 자체의 정보를 저장하고 있는 웹 토큰이다.

JWT는 토큰 자체를 정보로 사용하는 Self-Contained 방식으로 정보를 안전하게 전달한다.

이는 암호화된 토큰으로 복잡하고 읽을 수 없는 문자열 형태로 저장되어 있다.

 

 

JWT 구조

JWT는 Header, Payload, Signature의 3 부분으로 이루어지며, 

Json 형태인 각 부분은 Base64Url로 인코딩 되어 표현된다. 

또한 각각의 부분을 이어 주기 위해 ' . ' 구분자를 사용하여 구분한다.

추가로 Base64Url는 암호화된 문자열이 아니고,

같은 문자열에 대해 항상 같은 인코딩 문자열을 반환한다.

Base64Url 변환표

 

JWT 기본 구조

• 헤더
  해싱을 위한 알고리즘 정보
• 페이로드 (Payload) ( 클레임 )
  • 페이로드는 토큰에 담을 클레임(claim) 정보를 포함하고 있다.
  • Payload에 담는 정보의 한 ‘조각’을 클레임이라고 부른다.
  • 클레임들은 key / value의 한 쌍으로 이뤄져 있다.
  • 토큰에는 여러 개의 클레임들을 넣을 수 있습니다
• 시그니처 (서명)
  토큰의 유효성을 검사하는 문자열 헤더와 페이로드를 ‘.’ 으로 합치고
  헤더의 알고리즘과 비밀키로 해시값을 구하는 것

각 구조에 대해 좀 더 자세하게 설명하면 다음과 같다.

 

 

Header ( 헤더 )

토큰의 헤더는 typ과 alg 두 가지 정보로 구성된다.

alg는 헤더(Header)를 암호화하는 것이 아니고,

Signature를 해싱하기 위한 알고리즘을 지정하는 것이다.

• typ : 토큰의 타입을 지정
• alg : 알고리즘 방식을 지정하며, 서명(Signature) 및 토큰 검증에 사용

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

 

헤더에서는 위에서 처럼 해시 알고리즘과 토큰의 타입을 정의한다.
HS256은 해시 알고리즘 중 하나인 HMAC SHA 256을 의미한다.
만약 토큰의 타입이 JWT라면 타입의 값을 JWT로 지정한다.

따라서 헤더가 위와 같다면 사용한 해쉬 알고리즘은 HS256이고 토큰 타입은 JWT이다.

 

 

Payload ( Data )

토큰의 페이로드에는 토큰에서 사용할 정보의 조각들인 클레임(Claim)이 담겨 있다. 

클레임은 총 3가지로 나누어지며, Json( Key / Value ) 형태로 다수의 정보를 넣을 수 있다.

 

등록된 클레임 ( Registered Claim)

등록된 클레임은 토큰 정보를 표현하기 위해 이미 정해진 종류의 데이터들로,

모두 선택적으로 작성이 가능하며 사용할 것을 권장한다.

또한 JWT를 간결하게 하기 위해 key는 모두 길이 3의 String이다.

여기서 subject로는 unique 한 값을 사용해야만 한다.

• iss : 토큰 발급자 (issuer)
• sub : 토큰 제목 (subject)
• aud : 토큰 대상자 (audience)
• exp : 토큰 만료 시간 (expiration)
  NumericDate 형식 ex)1480849147370
• nbf : 토큰 활성 날짜 (not before)
  이 날이 지나기 전의 토큰은 활성화되지 않음
• iat : 토큰 발급 시간 (issued at)
  토큰 발급 이후의 경과 시간을 알 수 있음
• jti : JWT 토큰 식별자 (JWT ID)
  중복 방지를 위해 사용하며, 일회용 토큰(Access Token) 등에 사용

 

공개 클레임 ( Public Claim)

 

공개 클레임은 사용자 정의 클레임으로, 공개용 정보를 위해 사용된다.

단, IANA JSON 웹 토큰 레지스트리에 정의돼 있거나

충돌이 방지된 네임스페이스를 포함하는 URI을 이용해야 하며, 예시는 아래와 같다.

 

IANA JSON Web Token Registries

JSON Web Token (JWT)

충돌 방지 URI 예시

{ 
    "https://kyu-nahc.tistory.com": true
}

 

 

비공개 클레임 ( Private Claim)

비공개 클레임은 사용자 정의 클레임으로,

서버와 클라이언트 사이에 임의로 지정한 정보를 저장한다.

즉 정보를 공유하기 위해 만들어진 커스터마이징 된 클레임이며, 아래 예시와 같다.

{ 
    "token_type": "access",
    "user_name" : "chan"
}

 

즉 아래처럼 하나의 페이로드에 등록된 클레임, 공개 클레임, 비공개 클레임을 포함시킬 수 있다.

하지만 주의할 점이 존재하는데 Payload는 서명된 파트가 아니다.
즉 단순 Base64Url 인코딩이 된 파트이며, 이는 누구나 디코딩하여 데이터 열람이 가능하다.
따라서 Password 같은 결정적인 요소들은 Payload에 담기면 안 됩니다.

{
  "exp": "1245678900", // Registered Claims
  "https://kyu-nahc.tistory.com/": true, // Public Claims
  "user_id" : "1234" // Private Claims
}

 

 

 

Signature ( 서명 )

Signature는 Header의 인코딩 된 내용과 Payload의 인코딩 된 내용을 더한 뒤에

Secret Key와 알고리즘을 이용하여 암호화된 값을 나타낸다.

 

전달받은 토큰의 Header와 Payload를 서버의 Secret Key를 이용해서 암호화를 진행한다.

여기서 Secret Key는 말 그대로 유저가 지정하는 비밀 코드이다.

그리고 해당 값이 전달받은 Signature와 같은지 비교하여 JWT의 신뢰성을 확인할 수 있다.

서버에서 관리하고 있는 Secret Key가 아닌 다른 Key로 JWT를 발급한다면

Signature가 달라지기 때문에 해당 JWT는 신뢰할 수 없는 토큰이다.

 

 

해시 : HMAC SHA 256

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

 

 

위와 같이 HS256(HMAC SHA256) 알고리즘으로 암호화된 Signature을 살펴보면,

Headerd와 Payload가 합쳐진 내용을

Secret과 HMAC SHA 256을 이용하여 암호화되어 있다는 것을 확인할 수 있다.

여기서 Secret은 위에서 말한 Secret Key를 의미한다.

즉, Secret을 모른다면 암호화된 Sinature의 내용은 확인할 수 없다.

 

즉, 서명(Signature)은 토큰을 인코딩하거나 유효성 검증을 할 때 사용하는 고유한 암호화 코드이다.

정리하자면, 헤더(Header)와 페이로드(Payload)의 값을 각각 BASE64Url로 인코딩하고,

인코딩한 값을 Secret을 이용해 헤더(Header)에서 정의한 알고리즘으로 해싱을 하고,

이 값을 다시 BASE64Url로 인코딩하여 생성한다.

 

JWT Token 예시 / Refresh Token

JWT Token Example

JWT.IO

 

위의 링크로 접속하면 JWT Token을 만들어 볼 수 있고,

Header, Payload, Signature의 Secret Key 모두 설정 가능하다.

아래는 위의 사이트에서 생성한 Jwt Token의 예시이다.

위에서 설명한 것과 같이 색깔별로

헤더, 페이로드, 서명이 모두 구분자 '.'로 구분되어 있는 것을 볼 수 있다.

 

발급받은 토큰은 HTTP 통신을 할 때,

Authorization이라는 Key의 Value로 사용된다. 일반적으로 Value에는 Bearer이 앞에 붙여진다.

Header에 토큰 정보를 넣어서 Rest API를 호출할 시 첫 번째와 같이 헤더 정보를 추가하면 된다.

만약 포스트맨을 이용할 경우 Headers에 직접 추가하거나

Authorization에서 Auth Type을 선정 후 발급받은 토큰을 넣어서 요청을 보내면 된다.

{ 
    "Authorization": "Bearer {발급받은 토큰 값}",
 }

 

 

What is RefreshToken?

 

JWT의 탈취 문제를 방지하기 위해 Refresh Token를 많이 사용한다.

JWT를 탈취당하면 다른 유저가 조작이 가능하기 때문에 

JWT에서는 유효 기간이 다른 Access Token / Refresh token을 이용한다.

 

즉 평소에 API 통신할 때는 Access Token을 사용하고, 

Refresh Token은 Access Token이 만료되어 갱신될 때만 사용한다.

통신과정에서 탈취당할 위험이 큰 Access Token의 만료 기간을 짧게 두고

Refresh Token으로 주기적으로 재발급함으로써 피해를 최소화한 것이다.

Access Token과 RefreshToken을 사용하는 과정을 다음과 같다.

1. 클라이언트가 ID, PW로 서버에게 인증을 요청
   서버는 이를 확인하여 Access Token과 Refresh Token을 발급
2. 클라이언트 측에서 Refresh Token을 저장하고,
   Access Token으로 서버에게 API를 자유롭게 요청
3. 서비스를 이용 중 Access Token이 만료되어 사용할 수 없다는 오류를 서버로부터 전달받음
4. 클라이언트는 Access Token의 만료 사실을 인지하고
   본인이 갖고 있던 Refresh Token을 서버에게 전달하며 새로운 Access Token의 발급을 요청
5. 서버는 Refresh Token을 받아 서버의 Refresh Token Storage에
   토큰의 존재 여부를 확인 후 있다면 새로운 Access Token을 생성하여 전달
6. 이후 2번으로 돌아가서 동일한 작업 진행

 

JWT 단점 및 고려사항

• Self-contained
  토큰 자체에 정보를 담고 있으므로 탈취당할 경우 개인정보가 노출될 수 있다.
• 토큰 길이
  토큰의 페이로드(Payload)에 3종류의 클레임을 저장하기 때문에,
  정보가 많아질수록 토큰의 길이가 늘어나 네트워크에 부하를 줄 수 있다. 
• Payload 인코딩
  페이로드(Payload) 자체는 암호화된 것이 아니라, BASE64Url로 인코딩 된 것이다.
  중간에 Payload를 탈취하여 디코딩하면 데이터를 볼 수 있으므로,
  JWE로 암호화하거나 Payload에 중요 데이터를 넣지 않아야 한다. 
• Stateless
  JWT는 상태를 저장하지 않기 때문에 한번 만들어지면 제어가 불가능하다.
  즉, 토큰을 임의로 삭제하는 것이 불가능하므로 토큰 만료 시간을 꼭 넣어주어야 한다. 
• Store Token
  토큰은 클라이언트 측에서 관리해야 하기 때문에, 토큰을 저장해야 한다.

 

 

참고자료

https://mangkyu.tistory.com/56

https://velog.io/@twoone14/JWT%EB%9E%80-jjwt-%EB%9D%BC%EC%9D%B4%EB%B8%8C%EB%9F%AC%EB%A6%AC

https://velog.io/@vamos_eon/JWT%EB%9E%80-%EB%AC%B4%EC%97%87%EC%9D%B8%EA%B0%80-%EA%B7%B8%EB%A6%AC%EA%B3%A0-%EC%96%B4%EB%96%BB%EA%B2%8C-%EC%82%AC%EC%9A%A9%ED%95%98%EB%8A%94%EA%B0%80-1

https://velog.io/@yenicall/What-is-JWT