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在 Spring Boot 中使用 JSON Web Keys (JWK) 实现安全的 JWT 身份验证
目录
- 介绍 ................................................................. 1
- 理解 JWT 和 JWK .................................. 3
- 设置 Spring Boot 项目 ......................... 5
- 生成 RSA 密钥对 ........................................ 8
- 使用 JWKSource 配置 Spring Security ......................... 12
- 实现 JWT 编码器和解码器 .................... 16
- 保护应用程序 ........................................... 20
- 结论 ..................................................................... 24
介绍
在当今快速发展的数字环境中，确保网页应用程序的安全性至关重要。JWT（JSON Web Tokens）已成为处理身份验证和授权的强大解决方案。然而，为了最大限度地提高其有效性，集成 JWT 与 JWK（JSON Web Keys）是必不可少的。本电子书深入探讨了在使用 JWK 的 Spring Boot 应用程序中实现安全的 JWT 身份验证的复杂性。我们将探讨传统的 PEM 文件与 JWK 之间的区别、生成 RSA 密钥对的过程以及配置 Spring Security 以充分利用 JWT 和 JWK 的潜力。
JWT 和 JWK 的重要性
- JWT：促进无状态身份验证，减少服务器负载并增强可扩展性。
- JWK：提供一种标准化的表示加密密钥的方式，增强安全性和互操作性。
优缺点
| 特性 | JWT | JWK |
|---|---|---|
| 安全性 | 基于令牌的安全身份验证 | 通过密钥管理增强 JWT 的安全性 |
| 可扩展性 | 无状态，减少服务器负载 | 标准化密钥分发，有助于可扩展性 |
| 互操作性 | 在各个平台上广泛支持 | 促进密钥表示的一致性 |
| 复杂性 | 简单的令牌结构 | 需要额外的密钥管理设置 |
何时及何地使用
- JWT：适用于 RESTful API、单页应用程序和微服务架构。
- JWK：最适合需要动态密钥管理的应用程序，特别是在分布式系统中。
理解 JWT 和 JWK
在深入实现之前，理解 JWT 和 JWK 的基础概念至关重要。
什么是 JWT？
JSON Web Token（JWT）是一种紧凑、URL 安全的表示要在两方之间传输的声明的方法。该令牌由三部分组成：
- 头部：包含有关令牌的元数据，例如令牌类型和所使用的散列算法。
- 载荷：承载声明或您要传输的数据。
- 签名：验证令牌的完整性和真实性。
什么是 JWK？
JSON Web Key（JWK）是一种表示加密密钥的 JSON 数据结构。它标准化了密钥的表示方式，特别是在分布式系统中，简化了密钥的管理和分发。
PEM 与 JWK 的区别
| 方面 | PEM | JWK |
|---|---|---|
| 格式 | 带有头部和尾部的 Base64 编码 | JSON 结构 |
| 用途 | 主要用于编码 RSA 密钥 | 适用于表示各种密钥类型 |
| 互操作性 | 仅限于理解 PEM 的系统 | 在不同平台上广泛支持 |
| 管理 | 手动管理和分发 | 促进动态密钥管理和分发 |
设置 Spring Boot 项目
要在 Spring Boot 中实现 JWT 与 JWK，我们将从设置一个配置为 OAuth2 身份验证的基本 Spring Boot 应用程序开始，使用 JWT。
项目结构
该项目遵循标准的 Spring Boot 结构：
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SpringRestdemo ├── src │ ├── main │ │ ├── java │ │ │ └── org.studyeasy.SpringRestdemo │ │ │ ├── SpringRestdemoApplication.java │ │ │ ├── config │ │ │ │ └── SwaggerConfig.java │ │ │ ├── controller │ │ │ │ ├── AccountController.java │ │ │ │ └── AuthController.java │ │ │ ├── payload │ │ │ │ └── auth │ │ │ │ ├── Token.java │ │ │ │ └── UserLogin.java │ │ │ ├── security │ │ │ │ ├── Jwks.java │ │ │ │ ├── KeyGenerator.java │ │ │ │ └── SecurityConfig.java │ │ │ └── service │ │ │ └── TokenService.java │ │ └── resources │ │ └── application.properties │ └── test │ └── java │ └── org.studyeasy.SpringRestdemo │ └── SpringRestdemoApplicationTests.java ├── pom.xml └── ... |
依赖项
pom.xml 文件包含 Spring Boot、OAuth2、JWT 和 Swagger（用于 API 文档）的基本依赖项。值得注意的是，配置处理器依赖项已被移除，以简化 JWT 的使用。
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<dependencies> <!-- Spring Boot Starter 依赖项 --> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> </dependency> <!-- Spring Security OAuth2 --> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-oauth2-resource-server</artifactId> </dependency> <!-- JWT 依赖项 --> <dependency> <groupId>org.springframework.security</groupId> <artifactId>spring-security-oauth2-jose</artifactId> </dependency> <!-- Swagger 用于 API 文档 --> <dependency> <groupId>io.springfox</groupId> <artifactId>springfox-boot-starter</artifactId> <version>3.0.0</version> </dependency> <!-- 其他依赖项 --> <!-- ... --> </dependencies> |
生成 RSA 密钥对
安全性是任何身份验证机制的基石。生成强大的 RSA 密钥对可确保 JWT 被安全地签名和验证。
KeyGenerator 工具类
一个专用的实用程序类，KeyGeneratorUtils，负责生成 RSA 密钥对。
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package org.studyeasy.SpringRestdemo.security; import java.security.KeyPair; import java.security.KeyPairGenerator; import java.security.NoSuchAlgorithmException; public class KeyGeneratorUtils { public static KeyPair generateRSAKey() { try { KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("RSA"); keyPairGenerator.initialize(2048); return keyPairGenerator.generateKeyPair(); } catch (NoSuchAlgorithmException e) { throw new IllegalStateException(e); } } } |
解释
- KeyPairGenerator：利用 Java 的安全库生成 RSA 密钥。
- 密钥大小：选择 2048 位密钥大小，以在安全性和性能之间取得平衡。
- 异常处理：密钥生成过程中发生的任何问题都会抛出 IllegalStateException，确保故障被及时处理。
使用 JWKSource 配置 Spring Security
将 JWKSource 集成到 Spring Security 中，可以实现动态密钥管理，并增强 JWT 处理的安全性。
SecurityConfig 类
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package org.studyeasy.SpringRestdemo.security; import org.springframework.context.annotation.Bean; import org.springframework.context.annotation.Configuration; import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity; import org.springframework.security.web.SecurityFilterChain; import com.nimbusds.jose.jwk.source.JWKSource; import com.nimbusds.jose.proc.SecurityContext; @Configuration public class SecurityConfig { @Bean public JWKSource<SecurityContext> jwkSource() { RSAKey rsaKey = Jwks.generateRSAKey(); JWKSet jwkSet = new JWKSet(rsaKey); return (jwkSelector, securityContext) -> jwkSelector.select(jwkSet); } @Bean public SecurityFilterChain filterChain(HttpSecurity http) throws Exception { http .authorizeHttpRequests(auth -> auth .anyRequest().authenticated() ) .oauth2ResourceServer(oauth2 -> oauth2 .jwt(jwt -> jwt .jwkSource(jwkSource()) ) ); return http.build(); } } |
解释
- JWKSource Bean：生成并提供编码和解码 JWT 所需的 RSA 密钥。
- SecurityFilterChain Bean：配置 HTTP 安全性，确保所有请求使用 OAuth2 资源服务器设置进行身份验证。
- JWT 配置：将 jwkSource 关联到 JWT 解码器，使 Spring Security 能够根据提供的 JWKs 验证传入的令牌。
实现 JWT 编码器和解码器
高效的 JWT 编码和解码对于维护安全和高性能的身份验证流程至关重要。
TokenService 类
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package org.studyeasy.SpringRestdemo.service; import org.springframework.stereotype.Service; import com.nimbusds.jose.JWSAlgorithm; import com.nimbusds.jose.crypto.RSASSASigner; import com.nimbusds.jwt.SignedJWT; import java.util.Date; @Service public class TokenService { private final RSAKey rsaKey; public TokenService(RSAKey rsaKey) { this.rsaKey = rsaKey; } public String generateToken(String username) { try { JWSSigner signer = new RSASSASigner(rsaKey); JWTClaimsSet claimsSet = new JWTClaimsSet.Builder() .subject(username) .issuer("spring-rest-demo") .expirationTime(new Date(new Date().getTime() + 3600 * 1000)) .build(); SignedJWT signedJWT = new SignedJWT( new JWSHeader(JWSAlgorithm.RS256), claimsSet ); signedJWT.sign(signer); return signedJWT.serialize(); } catch (Exception e) { throw new RuntimeException("生成令牌时出错", e); } } } |
解释
- generateToken 方法：
- ClaimsSet: 定义 JWT 的声明，包括主题、发行者和过期时间。
- 签名者: 使用生成的 RSA 密钥的 RSASSASigner 来签署 JWT。
- 序列化: 将签名的 JWT 转换为紧凑的字符串格式以便传输。
- 异常处理：令牌生成过程中发生的任何问题都会导致 RuntimeException，确保故障被立即注意到。
程序代码分解
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// 导入语句 import com.nimbusds.jose.*; import com.nimbusds.jose.crypto.*; import com.nimbusds.jwt.*; // 令牌生成 public String generateToken(String username) { // 使用 RSA 密钥创建签名者 JWSSigner signer = new RSASSASigner(rsaKey); // 定义 JWT 声明 JWTClaimsSet claimsSet = new JWTClaimsSet.Builder() .subject(username) .issuer("spring-rest-demo") .expirationTime(new Date(new Date().getTime() + 3600 * 1000)) .build(); // 创建签名的 JWT SignedJWT signedJWT = new SignedJWT( new JWSHeader(JWSAlgorithm.RS256), claimsSet ); // 签署 JWT signedJWT.sign(signer); // 序列化为字符串 return signedJWT.serialize(); } |
逐步解释
- 签名者初始化：使用 RSA 密钥创建一个 RSASSASigner。该签名者负责对 JWT 进行加密签名。
- 声明定义：使用 JWTClaimsSet 构建器设置令牌的主题（用户名）、发行者和过期时间。
- JWT 创建：使用指定 RS256 算法和定义的声明实例化一个 SignedJWT 对象。
- 签署 JWT：SignedJWT 的 sign 方法使用签名者应用加密签名。
- 令牌序列化：将签名的 JWT 转换为紧凑的字符串格式，使其可以传输和存储。
输出示例
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eyJraWQiOiJLTUlFUUF... |
这个序列化的令牌可以传输给客户端，并用于认证后续请求。
保护应用程序
正确配置 JWT 和 JWK 后，保护应用程序包括确保所有端点受到保护并正确验证令牌。
AuthController 类
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package org.studyeasy.SpringRestdemo.controller; import org.springframework.web.bind.annotation.*; import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired; import org.studyeasy.SpringRestdemo.payload.auth.UserLogin; import org.studyeasy.SpringRestdemo.service.TokenService; @RestController @RequestMapping("/api/auth") public class AuthController { @Autowired private TokenService tokenService; @PostMapping("/login") public ResponseEntity<?> login(@RequestBody UserLogin userLogin) { // 认证用户（认证逻辑未显示） String token = tokenService.generateToken(userLogin.getUsername()); return ResponseEntity.ok(new Token(token)); } } |
解释
- 登录端点：处理用户认证请求。认证成功后，使用 TokenService 生成 JWT 并返回给客户端。
- 令牌响应：将生成的令牌封装在 Token 对象中，然后作为 JSON 响应返回。
AccountController 类
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package org.studyeasy.SpringRestdemo.controller; import org.springframework.web.bind.annotation.*; import org.springframework.security.access.prepost.PreAuthorize; @RestController @RequestMapping("/api/account") public class AccountController { @GetMapping("/userinfo") @PreAuthorize("hasAuthority('ROLE_USER')") public ResponseEntity<?> getUserInfo(Authentication authentication) { // 检索并返回用户信息 return ResponseEntity.ok(authentication.getPrincipal()); } } |
解释
- 受保护的端点：/userinfo 端点使用 @PreAuthorize 进行保护，确保只有拥有 ROLE_USER 权限的已认证用户才能访问。
- 认证对象：自动注入，包含已认证用户的详细信息，可根据需要返回或使用。
安全流程图
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graph LR A[客户端登录请求] --> B[AuthController] B --> C[TokenService.generateToken()] C --> D[生成 JWT] D --> E[将 JWT 返回给客户端] E --> F[客户端使用 JWT 请求受保护资源] F --> G[Spring Security 过滤器] G --> H[JWKSource 验证 JWT] H --> I[授予受保护资源访问权限] |
结论
在 Spring Boot 应用程序中实现 JWT 与 JWK 提升了身份验证机制的安全性和可管理性。通过利用 JSON Web Keys，开发人员可以确保强大的密钥管理，增强令牌的安全性，并简化与 Spring Security 的集成过程。本指南提供了从设置项目和生成 RSA 密钥，到配置 Spring Security 和保护应用程序端点的全面概述。随着您继续开发和扩展应用程序，集成此类安全最佳实践将有助于保护用户数据并维持信任。
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注意：本文由人工智能生成。