JWT

JWT(JSON Web Token) 는 클라이언트와 서버, 서버와 서버 사이 통신시 권한 인가(Authorization) 및 인증(Authentication)을 위해 사용되는 JSON 형식의 웹 토큰이다.

Abstract

JSON Web Token (JWT) is a compact, URL-safe means of representing claims to be transferred between two parties. The claims in a JWT are encoded as a JSON object that is used as the payload of a JSON Web Signature (JWS) structure or as the plaintext of a JSON Web Encryption (JWE) structure, enabling the claims to be digitally signed or integrity protected with a Message Authentication Code (MAC) and/or encrypted.

background

JWT 가 나오기 전에는, 세션 기반 인증 방식을 주로 사용했다. 인증을 위한 정보를 서버에 저장하고 인증할 때마다 DB 와 통신을 해야하기 때문에, 성능에 대한 부담이 존재했다.

JWT 는 인증 저장 방식을 서버가 아닌 클라이언트에게 위임하여 처리하도록 설계되었기 때문에, 세션 기반 인증 방식보다 빠른 응답 속도를 자랑한다.

Important

인증 서비스의 경우에는 최대한 빠른 응답을 내줘야 하는데, http 프로토콜을 사용한다면 병목 지점이 될 수 있어, gRPC 를 활용하여 마이크로서비스간 통신의 복잡도를 낮추고 커뮤니케이션 비용을 줄이는 것이 좋다.

인증 서비스를 구축한다고 했을때 핵심 포인트는 빠른 응답 속도와 보안 이라고 생각한다.

Structures

HEADER.PAYLOAD.SIGNATURE

헤더(Header), 페이로드(Payload), 서명(Signature) 세 부분을 점(.)으로 구분하는 구조다.

헤더(Header)는 JWT 를 어떻게 검증(Verify)하는가에 대한 내용을 담고 있다.

다음 JOSE(Javascript Object Signing and Encryption) Header 는 인코딩된 개체가 JWT 를 의미하며, JWT 는 HMAC SHA-256 을 사용하여 MAC 에 연결된 JWS 이다.

{"typ":"JWT",
  "alg":"HS256"}
  • alg
    • 서명 암호화 알고리즘
    • Ex. HMAC SHA256, RSA …
  • typ
    • 토큰 유형

Payload

JWT 에 담길 내용이다. 페이로드(Payload)에 있는 속성들을 클레임 셋(Claim Set)이라 부른다. 클레임 셋은 클라이언트와 서버 간 주고 받기로 한 값들이 들어있다.

{
  "name": "Jung Ho",
  "age": 29
}

페이로드는 Registered claims, Public claims, Private claims 로 나뉜다. 1

  • Registered claims
    • iss(issuer: 발행자)
    • exp(expiration time: 만료 시간)
    • sub(subject: 제목)
    • iat(issued At: 발행 시간),
    • jti(JWT ID)
    • …
  • Public claims
    • 사용자가 정의할 수 있는 클레임 공개용 정보 전달을 위해 사용
  • Private claims
    • 해당하는 당사들 간에 정보를 공유하기 위해 만들어진 사용자 지정 클레임
    • 외부에 공개되도 상관 없으며, 해당 유저를 특정할 수 있는 정보를 담음

Signature

점(.)을 구분자로 해서 헤더와 페이로드를 합친 문자열을 서명한 값이다. 서명은 헤더의 alg 에 정의된 알고리즘과 비밀 키를 이용해 생성하고 Base64 URL-Safe 로 인코딩한다.

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

페이로드를 헤더와 같이 비밀키로 해시하여 생성했을때의 장점은 페이로드가 조작되어도 헤더와 같이 서명되어있기 때문에 보안이 좋다는 것이다.

Secure

헤더와 페이로드는 단순히 인코딩된 값이라 제 3자가 복호화 및 조작이 가능하다. 하지만 Signature 는 서버에서 관리하는 비밀키(secret key)가 유출되지 않는 이상 복호화할 수 없다. 따라서 Signature 는 토큰의 위변조 여부를 확인하는데 사용된다.

Base64 URL-Safe

Base64 는 이진(8bit) 데이터를 문자 코드에 영향을 받지 않는 공통 ASCII 영역의 문자들로 바꾸는 인코딩 방식을 의미한다. Base64 를 사용하는 이유는 바이너리 데이터를 텍스트 기반 규격으로 다룰 수 있기 때문이다. Base64 로 인코딩 하면 UTF-8 과 호환 가능한 문자열을 얻을 수 있다.

Base64 로 인코딩한 데이터는 크기가 약 30% 정도 증가한다.

Base64 URL-Safe 인코딩은 기본 Base64 인코딩에서 '+'(plus)는 '-'(minus)로, '/'(slash)는 '_'(underscore)로 대체된 인코딩 방법이다. 즉, URL 주소에서 사용할 수 없는 문자들을 치환해서 사용하는 것이다.

따라서, JWT 는 설계 의도대로 URL, Cookie, Header 등 어디에서도 사용될 수 있다.

JWS, JWE, JWA

JWT 는 추상 클래스(Abstract Class)이며, JWS 와 JWE 는 구체 클래스(Concrete Class)라 할 수 있다. JWK(JSON Web Key)는 JSON 형식으로 암호화 키를 표현한 것이며, JWA(JSON Web Algorithm)은 JWS, JWE, JWK 에 사용하는 알고리즘에 대한 명세를 의미한다.

JWS

일반적으로 사용하는 대부분의 JWT 가 JWS 에 해당된다. JWT 의 구조(Header.Payload.Signature) 는 JWS 의 직렬화 방법중 하나인 Compact Serialization 형식으로 직렬화 한 것이다.

즉, JWT 는 JWS Compact Serialization 으로 직렬화한 문자열을 의미한다.

In the JWS Compact Serialization, a JWS is represented as the
   concatenation:

      BASE64URL(UTF8(JWS Protected Header)) || '.' ||
      BASE64URL(JWS Payload) || '.' ||
      BASE64URL(JWS Signature)

JWE

NHN Cloud toast meetup 글에서, JWE 는 이름에서 알 수 있듯이 데이터를 암호화하는 것인데, 우리는 일반적으로 통신 시 구간 암호화가 필요하면 TLS(Transport Layer Security)를 사용하고 있기 때문이라고 한다.

JWE Compact Serialization

In the JWE Compact Serialization, a JWE is represented as the
  concatenation:

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

주석

  1. : ReservedClaimName ↩