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Json Web Token历险记

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前记

最近国赛+校赛遇到两次json web token的题，发现自己做的并不算顺畅，于是有了这篇学习文章。

 

为什么要使用Json Web Token

Json Web Token简称jwt
顾名思义，可以知道是用于身份认证的
那么为什么要有身份认证？
我们知道HTTP是无状态的，打个比方：
有状态：
A：你今天中午吃的啥？
B：吃的大盘鸡。
A：味道怎么样呀？
B：还不错，挺好吃的。

无状态：
A：你今天中午吃的啥？
B：吃的大盘鸡。
A：味道怎么样呀？
B：？？？啊？啥？啥味道怎么样？
那么怎么样可以让HTTP记住曾经发生的事情呢？
这里的选择可以很多：cookie,session,jwt
对于一般的cookie，如果我们的加密措施不当，很容易造成信息泄露，甚至信息伪造，这肯定不是我们期望的。
那么对于session呢？
对于session:客户端在服务端登陆成功之后，服务端会生成一个sessionID，返回给客户端，客户端将sessionID保存到cookie中，例如phpsessid，再次发起请求的时候，携带cookie中的sessionID到服务端，服务端会缓存该session（会话），当客户端请求到来的时候，服务端就知道是哪个用户的请求，并将处理的结果返回给客户端，完成通信。
但是这样的机制会存在一些问题：
1、session保存在服务端，当客户访问量增加时，服务端就需要存储大量的session会话，对服务器有很大的考验；
2、当服务端为集群时，用户登陆其中一台服务器，会将session保存到该服务器的内存中，但是当用户的访问到其他服务器时，会无法访问，通常采用缓存一致性技术来保证可以共享，或者采用第三方缓存来保存session，不方便。
所以这个时候就需要jwt了
在身份验证中，当用户使用他们的凭证成功登录时，JSON Web Token将被返回并且必须保存在本地（通常在本地存储中，但也可以使用Cookie），而不是在传统方法中创建会话服务器并返回一个cookie。
无论何时用户想要访问受保护的路由或资源，用户代理都应使用承载方案发送JWT，通常在授权header中。header的内容应该如下所示：

Authorization: Bearer <token>

这是一种无状态身份验证机制，因为用户状态永远不会保存在服务器内存中。服务器受保护的路由将在授权头中检查有效的JWT，如果存在，则允许用户访问受保护的资源。由于JWT是独立的，所有必要的信息都在那里，减少了多次查询数据库的需求。
这使我们可以完全依赖无状态的数据API，无论哪些域正在为API提供服务，因此跨源资源共享（CORS）不会成为问题，因为它不使用Cookie。

 

Json Web Token结构

那么一般jwt长什么样子呢？
我们随便挑一个看看：

eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoiYWRtaW5za3kiLCJwcml2Ijoib3RoZXIifQ.AoTc1q2NAErgqk6EeTK4MGH7cANVVF9XTy0wLv8HpgUfNcdM-etmv0Y9XmOuygF_ymV1rF6XQZzLrtkFqdMdP0NaZnTOYH35Yevaudx9bVpu9JHG4qeXo-0TXBcpaPmBaM0V0GxyZRNIS2KwRkNaxAQDQnyTN-Yi3w8OVpJYBiI

不妨解密一下

{"alg":"RS256","typ":"JWT"}{"name":"adminsky","priv":"other"}乱码

不难看出，jwt解码后分为3个部分，由三个点（.）分隔
分别为：

Header
Payload
Signature

Header

通常由两部分组成：令牌的类型，即JWT和正在使用的散列算法，如HMAC SHA256或RSA。
正如json所显示

{
    "alg":"RS256",
    "typ":"JWT"
}

alg为算法的缩写，typ为类型的缩写
然后，这个JSON被Base64编码，形成JSON Web Token的第一部分。

Payload

令牌的第二部分是包含声明的有效负载。声明是关于实体（通常是用户）和其他元数据的声明。
这里是用户随意定义的数据
例如上面的举例

{
    "name":"adminsky",
    "priv":"other"
}

然后将有效载荷Base64进行编码以形成JSON Web Token的第二部分。
但是需要注意对于已签名的令牌，此信息尽管受到篡改保护，但任何人都可以阅读。除非加密，否则不要将秘密信息放在JWT的有效内容或标题元素中。

Signature

要创建签名部分，必须采用header，payload，密钥
然后利用header中指定算法进行签名
例如HS256(HMAC SHA256),签名的构成为：

HMACSHA256(
  base64Encode(header) + "." +
  base64Encode(payload),
  secret)

然后将这部分base64编码形成JSON Web Token第三部分

 

Json Web Token攻击手段

既然JWT作为一种身份验证的手段，那么必然存在伪造身份的恶意攻击，那么我们下面探讨一下常见的JWT攻击手段

算法修改攻击

我们知道JWT的header部分中，有签名算法标识alg
而alg是用于签名算法的选择，最后保证用户的数据不被篡改。
但是在数据处理不正确的情况下，可能存在alg的恶意篡改
例如由于网站的不严谨，我们拿到了泄露的公钥pubkey
我们知道如果签名算法为RS256，那么会选择用私钥进行签名，用公钥进行解密验证
假设我们只拿到了公钥，且公钥模数极大，不可被分解，那么如何进行攻击呢？
没有私钥我们是几乎不可能在RS256的情况下篡改数据的，因为第三部分签名需要私钥，所以我们可以尝试将RS256改为HS256
此时即非对称密码变为对称加密
我们知道非对称密码存在公私钥问题
而对称加密只有一个key
此时如果以pubkey作为key对数据进行篡改，则会非常简单，而如果后端的验证也是根据header的alg选择算法，那么显然正中下怀。
下面以一道实战为例进行说明：
拿到题目

http://pastebin.bxsteam.xyz

一开始不知道是要做什么，所以先查看源码
发现

http://pastebin.bxsteam.xyz/static/js/common.js

其中几个点引人注目
关注点1：

auth = "Bearer " + token;
$.ajax({
    url: '/list',
    type: 'GET',
    headers:{"Authorization":auth},
})

存在web token
关注点2:

function getpubkey(){
    /* 
    get the pubkey for test
    /pubkey/{hash}
    */
}

发现有一个存放公钥的目录
所以立刻想到了json web token
于是我抓包查看token

Authorization: Bearer eyJhbGciOiJSUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoiYWRtaW5za3kiLCJwcml2Ijoib3RoZXIifQ.AoTc1q2NAErgqk6EeTK4MGH7cANVVF9XTy0wLv8HpgUfNcdM-etmv0Y9XmOuygF_ymV1rF6XQZzLrtkFqdMdP0NaZnTOYH35Yevaudx9bVpu9JHG4qeXo-0TXBcpaPmBaM0V0GxyZRNIS2KwRkNaxAQDQnyTN-Yi3w8OVpJYBiI

使用https://jwt.io/
得到3段：

{
  "alg": "RS256",
  "typ": "JWT"
}
{
  "name": "adminsky",
  "priv": "other"
}
signature

所以我的想法就是探测pubkey泄露，利用公私钥伪造json web token
因为这个题的机制是私钥加密，公钥解密
所以只要我们能拿到私钥，即可伪造json web token
关注到格式

function getpubkey(){
    /* 
    get the pubkey for test
    /pubkey/{hash}
    */
}

天真的我尝试了

md5(username)
md5(salt.username)
md5(username.salt)

其中salt试了无数，例如Bearer,bxs,rebirth
都没有成功，心态崩了，暂且搁置
后来得到提示

Web Pastebin /pubkey/md5(username+password)

我才发现是username+password
访问

http://pastebin.bxsteam.xyz/pubkey/4eb8deaa574fdc8257e39b5dd4c6490e

得到

{"pubkey":"-----BEGIN PUBLIC KEY-----nMIGfMA0GCSqGSIb3DQEBAQUAA4GNADCBiQKBgQCtRgwKdQFRKkXupJ8lHIXT/QTinmT9lobR6+1m4ubQXFaBlM7sJkzaoasPdU6e/5dJ5TelQSC59deolcXJ1iHf4/QmzndDX3L/ShtfPXZEGKkYCKC2kF0ekBz4W4LSQfaunZEz/yoScLqz9wOP8vwxAYN+P1nFtFrTzMdBYo8begEewIDAQABn-----END PUBLIC KEY-----","result":true}

解析公钥

key长度：    1024
模数：    AD460C0A7501512A45EEA49F251C85D3FD04E2993F65A1B47AFB59B8B9B41715A06533BB099336A86AC3DD53A7BFE5D2794DE950482E7D75EA257172758877F8FD09B37435F72FF4A1B5F3D764418A91808A0B6905D1E901CF85B82D241F6AE9D9133FF2A1270BAB3F7038FF2FC3101837E3F516D16B4F331D058A3C6DE8047B
指数：    65537 (0x10001)

本想尝试分解，但发现1024bit的n基本无解，所以私钥是不可能获取了，这个时候我的思路其实被灭杀了。
因为没有私钥基本不能篡改json web token，毕竟无法通过消息验证码校验
而这里就需要修改算法RS256为HS256（非对称密码算法 => 对称密码算法）
算法HS256使用秘密密钥对每条消息进行签名和验证。
算法RS256使用私钥对消息进行签名，并使用公钥进行验证。
如果将算法从RS256更改为HS256，后端代码会使用公钥作为秘密密钥，然后使用HS256算法验证签名。
由于公钥有时可以被攻击者获取到，所以攻击者可以修改header中算法为HS256，然后使用RSA公钥对数据进行签名。
后端代码会使用RSA公钥+HS256算法进行签名验证。
即更改算法为HS256，此时即不存在公钥私钥问题，因为对称密码算法只有一个key
此时即我们可以任意访问的pubkey
故此我立刻写出了构造脚本

import jwt
import base64
public = open('1.txt', 'r').read()
print jwt.encode({"name": "adminsky","priv": "admin"}, key=public, algorithm='HS256')

注：1.txt为公钥
priv为admin，因为之前为other，即其他人，同时只有admin可以读flag，所以这里猜测为admin
运行发现报错：

File "G:python2.7libsite-packagesjwtalgorithms.py", line 151, in prepare_key
    'The specified key is an asymmetric key or x509 certificate and'
jwt.exceptions.InvalidKeyError: The specified key is an asymmetric key or x509 certificate and should not be used as an HMAC secret.

发现源码的第151行爆破了，于是去跟踪库的源码
发现

def prepare_key(self, key):
        key = force_bytes(key)

        invalid_strings = [
            b'-----BEGIN PUBLIC KEY-----',
            b'-----BEGIN CERTIFICATE-----',
            b'-----BEGIN RSA PUBLIC KEY-----',
            b'ssh-rsa'
        ]

        if any([string_value in key for string_value in invalid_strings]):
            raise InvalidKeyError(
                'The specified key is an asymmetric key or x509 certificate and'
                ' should not be used as an HMAC secret.')

        return key

prepare_key会判断是否有非法字符，简单粗暴的注释掉

def prepare_key(self, key):
        key = force_bytes(key)
        return key

保存后再运行得到

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJuYW1lIjoiYWRtaW5za3kiLCJwcml2IjoiYWRtaW4ifQ.zc8m-ymnOrwuvd2kdsKMBVrT_9JXPXHkFf4vcPWecqI

然后利用这个去访问list
即可得到admin的消息

admin:4fd5988f73c7a414f4c947e9fd708811

访问

http://pastebin.bxsteam.xyz/text/admin:4fd5988f73c7a414f4c947e9fd708811

得到flag

{"content":"cumtctf{jwt_is_not_safe_too_much}","result":true}

至此，我们成功用修改算法攻击(非对称密码 => 对称密码)破解了此题

密钥可控问题

题目1：
在国赛中，我遇到了这样的JWT:

eyJ0eXAiOiJKV1QiLCJhbGciOiJzaGEyNTYiLCJraWQiOiI4MjAxIn0.eyJuYW1lIjoiYWRtaW4yMzMzIn0.aC0DlfB3pbeIqAQ18PaaTOPA5PSipJe651w7E0BZZRI

header头：

{
    "typ":"JWT",
    "alg":"sha256",
    "kid":"8201"
}

其中kid为密钥key的编号id
类似逻辑为

sql="select * from table where kid=$kid"

这样查询出来的值即为key的值
但是如果我们在这里进行恶意篡改，例如

kid = 0 union select 12345

这样查询出来的结果必然为12345
这样等同于我们控制了密钥key
拥有了密钥key，那么即可任意伪造消息，达到成为admin登入的目的了
题目2：
同样在HITB 2017中也存在一道这样可控密钥的题目
这里的详情可以在最后的参考链接中查看，这里我简要叙述一下
首先header中同样存在kid可控问题

{
    "kid":"keys/3c3c2ea1c3f113f649dc9389dd71b851",
    "typ":"JWT",
    "alg":"RS256"
}

并且题目存在写消息保存于本地的功能
于是最后可以自己写公钥，保存于服务器
利用kid可控的路径去加载自己写的公钥
然后用相应的私钥去篡改信息，伪造admin，利用我们自己写的公钥进行验证

密钥爆破问题

我们知道在HS签名算法中，只有一个密钥
如果这个密钥的复杂度不够，或者为弱口令
那么很容易导致攻击者轻松的破解，达到篡改消息，伪造身份的目的
破解工具也有现成的：

https://github.com/brendan-rius/c-jwt-cracker

使用方法：

./jwtcrack eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiYWRtaW4iOnRydWV9.cAOIAifu3fykvhkHpbuhbvtH807-Z2rI1FS3vX1XMjE

即可得到密钥：Sn1f
然后即可进行消息的恶意伪造，篡改

 

参考链接

https://jwt.io

https://www.jianshu.com/p/e64d96b4a54d

https://chybeta.github.io/2017/08/29/HITB-CTF-2017-Pasty-writeup/

https://delcoding.github.io/2018/03/jwt-bypass/

http://www.cnblogs.com/dliv3/p/7450057.html