JWT（JSON Web Token）在PHP中的安全实现：算法选择、黑名单机制与刷新策略 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

JWT 在 PHP 中的安全实现：算法选择、黑名单机制与刷新策略

大家好，今天我们来深入探讨 JSON Web Token (JWT) 在 PHP 环境下的安全实现，重点关注算法选择、黑名单机制以及刷新策略。 JWT 作为一种轻量级的、自包含的身份验证方案，在 Web 应用和 API 开发中应用广泛。然而，如果使用不当，JWT 也可能引入安全风险。

1. JWT 基础回顾

在深入探讨安全问题之前，我们先简单回顾一下 JWT 的基本结构和工作原理。 JWT 本质上是一个字符串，由三部分组成，并使用 . 分隔：

Header (头部): 描述 JWT 的元数据，通常包含使用的算法 (alg) 和类型 (typ)。例如：
```
{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}
```
Payload (载荷): 包含声明（claims）。声明是关于实体（通常是用户）和其他数据的陈述。载荷部分需要进行 Base64URL 编码。例如：
```
{
  "sub": "user123",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}
```
Signature (签名): 用于验证 JWT 的完整性，确保 JWT 没有被篡改。签名的生成方式取决于 Header 中指定的算法。例如，使用 HMAC SHA256 算法：
```
HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret
)
```

完整的 JWT 示例如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

2. 算法选择与安全考量

JWT 的安全性很大程度上取决于所选择的签名算法。以下是一些常见的算法及其安全考量：

算法	描述	安全性考量	PHP 实现建议
HS256	HMAC SHA256 (对称加密)	使用相同的密钥进行签名和验证。密钥必须保密，否则任何拥有密钥的人都可以伪造 JWT。对称加密的优势在于效率高。	适用于对性能要求高，安全性要求不是极高的场景。使用强随机生成的密钥，并存储在安全的位置（例如环境变量，服务器配置）。
HS384	HMAC SHA384 (对称加密)	和 HS256 类似，但使用更长的密钥和散列值，安全性更高。	适用于对安全性有较高要求的场景，但性能略低于 HS256。
HS512	HMAC SHA512 (对称加密)	和 HS256、HS384 类似，但使用最长的密钥和散列值，安全性最高。	适用于对安全性要求极高的场景，但性能最低。
RS256	RSA SHA256 (非对称加密)	使用私钥进行签名，使用公钥进行验证。私钥必须保密，公钥可以公开。由于签名和验证密钥不同，所以即使公钥泄露，也不能伪造 JWT。非对称加密的安全性更高，但效率较低。	适用于对安全性要求极高的场景，例如需要公开验证 JWT 的 API。使用 OpenSSL 生成密钥对，并将私钥存储在安全的位置，公钥用于验证。
ES256	ECDSA using P-256 and SHA-256 (非对称加密)	使用椭圆曲线算法进行签名和验证。与 RSA 相比，ECDSA 在相同安全级别下，密钥长度更短，性能更高。但是，ECDSA 的实现相对复杂。	适用于对安全性要求高，同时对性能有一定要求的场景。需要安装和配置 OpenSSL 扩展，并使用适当的库来进行签名和验证。
none	不签名	绝对不应该在生产环境中使用！使用 "none" 算法意味着 JWT 没有签名，任何人都可能篡改 JWT 的内容，并伪造身份。	严禁使用！

PHP 代码示例 (使用 HS256 算法):

<?php

use FirebaseJWTJWT;
use FirebaseJWTKey;

require_once 'vendor/autoload.php'; // 确保安装了 firebase/php-jwt 库

// 密钥 (务必保密)
$key = "your_secret_key";

// Payload
$payload = array(
    "iss" => "http://example.org",
    "aud" => "http://example.com",
    "iat" => 1356999524,
    "nbf" => 1357000000,
    "data" => array(
        "userId" => 123,
        "username" => "johndoe"
    )
);

// 生成 JWT
$jwt = JWT::encode($payload, $key, 'HS256');
echo $jwt . "n";

// 验证 JWT
try {
    $decoded = JWT::decode($jwt, new Key($key, 'HS256'));
    print_r($decoded);
} catch (Exception $e) {
    echo 'Caught exception: ',  $e->getMessage(), "n";
}

?>

代码解释:

引入依赖: 首先，我们需要引入 firebase/php-jwt 库，这是一个流行的 PHP JWT 库。可以使用 Composer 安装：composer require firebase/php-jwt
定义密钥: $key 变量存储了用于签名和验证的密钥。务必使用强随机生成的密钥，并将其存储在安全的位置。
构建 Payload: $payload 数组包含了 JWT 的声明。iss (issuer, 签发者), aud (audience, 受众), iat (issued at, 签发时间), nbf (not before, 生效时间) 是一些标准声明。 data 包含了自定义的用户信息。
生成 JWT: JWT::encode() 函数使用指定的 Payload、密钥和算法生成 JWT。
验证 JWT: JWT::decode() 函数使用密钥和算法验证 JWT。如果 JWT 无效（例如签名不匹配或过期），会抛出一个异常。

PHP 代码示例 (使用 RS256 算法):

<?php

use FirebaseJWTJWT;
use FirebaseJWTKey;

require_once 'vendor/autoload.php'; // 确保安装了 firebase/php-jwt 库

// 生成 RSA 密钥对 (仅需执行一次)
// openssl genpkey -algorithm RSA -out private.key -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048
// openssl rsa -pubout -in private.key -out public.key

// 读取私钥和公钥
$privateKey = file_get_contents('private.key');
$publicKey = file_get_contents('public.key');

// Payload
$payload = array(
    "iss" => "http://example.org",
    "aud" => "http://example.com",
    "iat" => 1356999524,
    "nbf" => 1357000000,
    "data" => array(
        "userId" => 123,
        "username" => "johndoe"
    )
);

// 生成 JWT
$jwt = JWT::encode($payload, $privateKey, 'RS256');
echo $jwt . "n";

// 验证 JWT
try {
    $decoded = JWT::decode($jwt, new Key($publicKey, 'RS256'));
    print_r($decoded);
} catch (Exception $e) {
    echo 'Caught exception: ',  $e->getMessage(), "n";
}

?>

代码解释:

生成 RSA 密钥对: 首先，我们需要生成 RSA 密钥对。可以使用 OpenSSL 命令生成：
- openssl genpkey -algorithm RSA -out private.key -pkeyopt rsa_keygen_bits:2048 生成私钥。
- openssl rsa -pubout -in private.key -out public.key 从私钥中提取公钥。
读取密钥: file_get_contents() 函数用于读取私钥和公钥的内容。
生成 JWT: JWT::encode() 函数使用私钥进行签名。
验证 JWT: JWT::decode() 函数使用公钥进行验证。

重要安全提示:

密钥管理: 密钥管理至关重要。无论是对称密钥还是非对称密钥，都必须安全存储，防止泄露。建议使用环境变量、服务器配置、硬件安全模块 (HSM) 等方式存储密钥。
密钥轮换: 定期轮换密钥可以降低密钥泄露带来的风险。
避免使用 "none" 算法: "none" 算法禁用签名，存在严重的安全漏洞。
验证算法一致性: 确保在签名和验证 JWT 时使用相同的算法。
库的选择: 选择经过良好测试和维护的 JWT 库。 firebase/php-jwt 是一个不错的选择。

3. 黑名单机制

即使 JWT 有效期较短，仍然存在 JWT 被盗用或泄露的风险。黑名单机制可以用来立即吊销 JWT，防止恶意使用。

实现方式:

黑名单机制通常使用数据库或缓存（例如 Redis）来存储已吊销的 JWT ID (JWT ID, jti 声明)。当收到 JWT 时，先检查其 jti 是否在黑名单中，如果在，则拒绝该 JWT。

PHP 代码示例 (使用 Redis 实现黑名单):

<?php

require_once 'vendor/autoload.php'; // 确保安装了 predis/predis 库
use PredisClient;
use FirebaseJWTJWT;
use FirebaseJWTKey;

// Redis 连接配置
$redis = new Client([
    'scheme' => 'tcp',
    'host'   => '127.0.0.1',
    'port'   => 6379,
]);

// 密钥
$key = "your_secret_key";

// Payload
$payload = array(
    "iss" => "http://example.org",
    "aud" => "http://example.com",
    "iat" => time(),
    "nbf" => time(),
    "exp" => time() + 3600, // 设置过期时间为 1 小时
    "jti" => uniqid(), // 生成 JWT ID
    "data" => array(
        "userId" => 123,
        "username" => "johndoe"
    )
);

// 生成 JWT
$jwt = JWT::encode($payload, $key, 'HS256');
echo $jwt . "n";

// 验证 JWT 并检查黑名单
function validateJWT($jwt, $key, $redis) {
    try {
        $decoded = JWT::decode($jwt, new Key($key, 'HS256'));
        $jti = $decoded->jti;

        // 检查 JWT ID 是否在黑名单中
        if ($redis->exists("jwt_blacklist:" . $jti)) {
            return false; // JWT 已被吊销
        }

        return $decoded; // JWT 有效
    } catch (Exception $e) {
        return false; // JWT 无效
    }
}

// 示例：验证 JWT
$decodedJWT = validateJWT($jwt, $key, $redis);

if ($decodedJWT) {
    print_r($decodedJWT);
    echo "JWT is valid.n";
} else {
    echo "JWT is invalid.n";
}

// 示例：将 JWT 加入黑名单
function blacklistJWT($jti, $redis, $expirationTime) {
    $redis->set("jwt_blacklist:" . $jti, 'blacklisted');
    $redis->expire("jwt_blacklist:" . $jti, $expirationTime); // 设置过期时间与 JWT 相同
}

// 将 JWT 加入黑名单 (模拟用户注销或管理员吊销)
$jti = json_decode(base64_decode(str_replace('_', '/', str_replace('-', '+', explode('.', $jwt)[1])))->jti; // extract jti from token
$expirationTime = json_decode(base64_decode(str_replace('_', '/', str_replace('-', '+', explode('.', $jwt)[1])))->exp - time()); // extract remaining life from token
blacklistJWT($jti, $redis, $expirationTime);

// 再次验证 JWT (应该无效)
$decodedJWT = validateJWT($jwt, $key, $redis);

if ($decodedJWT) {
    print_r($decodedJWT);
    echo "JWT is valid.n";
} else {
    echo "JWT is invalid.n";
}

?>

代码解释:

引入依赖: 需要引入 predis/predis 库来连接 Redis：composer require predis/predis
连接 Redis: PredisClient 用于建立与 Redis 服务器的连接。
生成 JWT ID (jti): uniqid() 函数用于生成唯一的 JWT ID。将 jti 添加到 Payload 中。
validateJWT() 函数: 该函数验证 JWT，并检查 jti 是否在 Redis 黑名单中。
blacklistJWT() 函数: 该函数将 JWT ID 添加到 Redis 黑名单中，并设置过期时间，使其与 JWT 的过期时间相同。
提取jti和剩余时间: 从JWT的Payload中提取jti和剩余时间。
模拟吊销: 示例代码模拟了用户注销或管理员吊销 JWT 的场景。

黑名单机制的优缺点:

优点: 可以立即吊销 JWT，提高安全性。
缺点: 需要额外的存储空间（数据库或缓存）。每次验证 JWT 都需要查询黑名单，会影响性能。实现相对复杂。

4. 刷新策略

JWT 的有效期通常较短，以降低被盗用带来的风险。但是，频繁过期会导致用户需要频繁重新登录，影响用户体验。刷新策略允许用户在 JWT 过期前，获取新的 JWT，而无需重新输入凭据。

常见刷新策略:

Refresh Token: 当用户登录时，除了颁发 JWT 之外，还颁发一个 Refresh Token。 Refresh Token 的有效期通常比 JWT 长。当 JWT 过期时，客户端可以使用 Refresh Token 向服务器请求新的 JWT。服务器验证 Refresh Token 的有效性后，颁发新的 JWT 和 Refresh Token。
滑动窗口: 每次用户使用 JWT 访问 API 时，服务器都会更新 JWT 的过期时间。这样可以保持 JWT 的有效性，只要用户持续使用 API。

PHP 代码示例 (使用 Refresh Token):

<?php

use FirebaseJWTJWT;
use FirebaseJWTKey;

require_once 'vendor/autoload.php'; // 确保安装了 firebase/php-jwt 库

// 密钥
$key = "your_secret_key";
$refreshKey = "your_refresh_secret_key";

// 函数：生成 JWT
function generateJWT($userId, $username, $key) {
    $payload = array(
        "iss" => "http://example.org",
        "aud" => "http://example.com",
        "iat" => time(),
        "nbf" => time(),
        "exp" => time() + 3600, // 设置过期时间为 1 小时
        "data" => array(
            "userId" => $userId,
            "username" => $username
        )
    );

    return JWT::encode($payload, $key, 'HS256');
}

// 函数：生成 Refresh Token
function generateRefreshToken($userId, $username, $refreshKey) {
    $payload = array(
        "iss" => "http://example.org",
        "aud" => "http://example.com",
        "iat" => time(),
        "nbf" => time(),
        "exp" => time() + 86400, // 设置过期时间为 24 小时
        "data" => array(
            "userId" => $userId,
            "username" => $username
        )
    );

    return JWT::encode($payload, $refreshKey, 'HS256');
}

// 模拟用户登录
$userId = 123;
$username = "johndoe";

$jwt = generateJWT($userId, $username, $key);
$refreshToken = generateRefreshToken($userId, $username, $refreshKey);

echo "JWT: " . $jwt . "n";
echo "Refresh Token: " . $refreshToken . "n";

// 函数：使用 Refresh Token 换取新的 JWT
function refreshJWT($refreshToken, $refreshKey, $key) {
    try {
        $decoded = JWT::decode($refreshToken, new Key($refreshKey, 'HS256'));
        $userId = $decoded->data->userId;
        $username = $decoded->data->username;

        // 验证 Refresh Token 是否有效 (例如，检查是否已过期或被吊销)
        // 这里省略了验证逻辑，实际应用中需要实现

        // 生成新的 JWT 和 Refresh Token
        $newJwt = generateJWT($userId, $username, $key);
        $newRefreshToken = generateRefreshToken($userId, $username, $refreshKey);

        return array("jwt" => $newJwt, "refreshToken" => $newRefreshToken);
    } catch (Exception $e) {
        return false; // Refresh Token 无效
    }
}

// 模拟 JWT 过期，使用 Refresh Token 换取新的 JWT
// 假设 JWT 已经过期
$newTokens = refreshJWT($refreshToken, $refreshKey, $key);

if ($newTokens) {
    echo "New JWT: " . $newTokens["jwt"] . "n";
    echo "New Refresh Token: " . $newTokens["refreshToken"] . "n";
} else {
    echo "Failed to refresh JWT.n";
}

?>

代码解释:

生成 JWT 和 Refresh Token: generateJWT() 和 generateRefreshToken() 函数分别用于生成 JWT 和 Refresh Token。 Refresh Token 的有效期通常比 JWT 长。
refreshJWT() 函数: 该函数使用 Refresh Token 换取新的 JWT。它验证 Refresh Token 的有效性，然后生成新的 JWT 和 Refresh Token。
验证 Refresh Token: 在实际应用中，需要验证 Refresh Token 的有效性，例如检查是否已过期或被吊销。可以使用数据库或缓存来存储 Refresh Token 的状态。

刷新策略的优缺点:

优点: 提高用户体验，减少重新登录的次数。
缺点: 实现相对复杂。需要额外的存储空间（数据库或缓存）来存储 Refresh Token 的状态。如果 Refresh Token 被盗用，可能会导致更大的安全风险。

5. 其他安全建议

除了以上讨论的算法选择、黑名单机制和刷新策略之外，还有一些其他的安全建议：

使用 HTTPS: 使用 HTTPS 可以防止 JWT 在传输过程中被窃听。
验证 JWT 的来源: 确保 JWT 来自可信的来源。
限制 JWT 的大小: JWT 的大小会影响性能。尽量减少 JWT 中包含的声明。
使用适当的声明: 使用标准声明 (例如 iss, sub, aud, exp, nbf, iat, jti) 可以提高 JWT 的互操作性。
避免在 JWT 中存储敏感信息: JWT 的内容是 Base64URL 编码的，虽然不是加密的，但仍然不应该在 JWT 中存储敏感信息，例如密码、信用卡号等。
实施速率限制: 实施速率限制可以防止暴力破解和拒绝服务攻击。

6. 结论：安全地使用 JWT

正确且安全地使用 JWT 需要认真考虑算法选择、黑名单机制和刷新策略。没有一种“万能”的解决方案，最佳实践取决于具体的应用场景和安全需求。务必关注密钥管理，定期轮换密钥，并选择经过良好测试和维护的 JWT 库。通过以上这些措施，可以显著提高 JWT 的安全性，并确保用户数据的安全。

选择正确的算法，应用黑名单和刷新策略，并遵循其他安全建议，确保在 PHP 中 JWT 实现的安全性。

JWT 在 PHP 中的安全实现：算法选择、黑名单机制与刷新策略

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