JWT、JWE、JWS、JWK、JWA

JOSE全称Javascript Object Signing and Encryption，它和JWT有莫大的关系。

JOSE简介

JOSE是一个Javascript对象签名和加密协议，目的是提供一种在各个通讯方之间安全传输声明（ claims，例如授权信息 ）的方法，它特意构建在JSON和BASE64之上，以便在 Web应用程序中轻松使用。目前该规范还在不断地发展，常用的包含以下几个由RFC文档定义的概念：

JWT就可以用JWS或JWE表示。

JWS

JSON Web签名，基于JSON数据结构、使用数字签名技术或者消息认证码技术保护的内容（MAC）都可以称为JWS。该规范使用的密码算法和标识符在另一个规范JWA中定义。规则是比较多的参见RFC7515，这里通过序列化来感受一下即可。

JWS 序列化

JWS的序列化分为JWS Compact Serialization和JWS JSON Serialization两种。

JWS Compact Serialization

该序列化表示为一种URL安全的、紧凑的字符串。格式为：

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

例如：

eyJhbGciOiJFUzI1NiJ9.eyJpc3MiOiJqb2UiLA0KICJleHAiOjEzMDA4MTkzODAsDQogImh0dHA6Ly9leGFtcGxlLmNvbS9pc19yb290Ijp0cnVlfQ.DtEhU3ljbEg8L38VWAfUAqOyKAM6-Xx-F4GawxaepmXFCgfTjDxw5djxLa8ISlSApmWQxfKTUJqPP3-Kg6NU1Q

JWT通常就是这种格式。

JWS JSON Serialization

该序列化表示为一个JSON对象，有两种格式。一般格式为：

{
  "payload":"<payload contents>",
  "signatures":[
   {"protected":"<integrity-protected header 1 contents>",
    "header":"<non-integrity-protected header 1 contents>",
    "signature":"<signature 1 contents>"},
   {"protected":"<integrity-protected header N contents>",
    "header":"<non-integrity-protected header N contents>",
    "signature":"<signature N contents>"}]
 }

平铺格式为：

{
  "payload":"<payload contents>",
  "protected":"<integrity-protected header contents>",
  "header":"<non-integrity-protected header contents>",
  "signature":"<signature contents>"
}

举个一般格式的例子：

{
  "payload":"eyJpc3MiOiJqb2UiLA0KICJleHAiOjEzMDA4MTkzODAsDQogImh0dHA6Ly9leGFtcGxlLmNvbS9pc19yb290Ijp0cnVlfQ",
  "signatures":[
    {
      "protected":"eyJhbGciOiJSUzI1NiJ9",
      "header":{
        "kid":"2010-12-29"
      },
    "signature":"cC4hiUPoj9Eetdgtv3hF80EGrhuB__dzERat0XF9g2VtQgr9PJbu3XOiZj5RZmh7AAuHIm4Bh-0Qc_lF5YKt_O8W2Fp5jujGbds9uJdbF9CUAr7t1dnZcAcQjbKBYNX4BAynRFdiuB--f_nZLgrnbyTyWzO75vRK5h6xBArLIARNPvkSjtQBMHlb1L07Qe7K0GarZRmB_eSN9383LcOLn6_dO--xi12jzDwusC-eOkHWEsqtFZESc6BfI7noOPqvhJ1phCnvWh6IeYI2w9QOYEUipUTI8np6LbgGY9Fs98rqVt5AXLIhWkWywlVmtVrBp0igcN_IoypGlUPQGe77Rw"},
    {
      "protected":"eyJhbGciOiJFUzI1NiJ9",
      "header":{
        "kid":"e9bc097a-ce51-4036-9562-d2ade882db0d"
      },
    "signature":"DtEhU3ljbEg8L38VWAfUAqOyKAM6-Xx-F4GawxaepmXFCgfTjDxw5djxLa8ISlSApmWQxfKTUJqPP3-Kg6NU1Q"}]
}

JWE

JWS 仅仅是对声明(claims)作了签名，保证了其不被篡改，但是其 payload(中段负载) 信息是暴露的。也就是 JWS 仅仅能保证数据的完整性而不能保证数据不被泄露。它不适合传递敏感数据。JWE 的出现就是为了解决这个问题的。具体的可以看下图：

从上面可以看出 JWE 的生成非常繁琐，作为 Token 可能比较消耗资源和耗时。用作安全的数据传输途径应该不错。举个例子：

eyJhbGciOiJSU0EtT0FFUCIsImVuYyI6IkEyNTZHQ00ifQ.
OKOawDo13gRp2ojaHV7LFpZcgV7T6DVZKTyKOMTYUmKoTCVJRgckCL9kiMT03JGe
ipsEdY3mx_etLbbWSrFr05kLzcSr4qKAq7YN7e9jwQRb23nfa6c9d-StnImGyFDb
Sv04uVuxIp5Zms1gNxKKK2Da14B8S4rzVRltdYwam_lDp5XnZAYpQdb76FdIKLaV
mqgfwX7XWRxv2322i-vDxRfqNzo_tETKzpVLzfiwQyeyPGLBIO56YJ7eObdv0je8
1860ppamavo35UgoRdbYaBcoh9QcfylQr66oc6vFWXRcZ_ZT2LawVCWTIy3brGPi
6UklfCpIMfIjf7iGdXKHzg.
48V1_ALb6US04U3b.
5eym8TW_c8SuK0ltJ3rpYIzOeDQz7TALvtu6UG9oMo4vpzs9tX_EFShS8iB7j6ji
SdiwkIr3ajwQzaBtQD_A.
XFBoMYUZodetZdvTiFvSkQ

一共有五个部分，被四个英文句号隔开。
其实JWE也有对应的JSON格式，同样具有JWS的两种序列化方式，参见RFC7516。

JWT和JWS、JWE的关系

以下是RFC7519对JWT的说明：

从上面可以得出一些结论：

• JWT有特定的 claims，这些claims以JSON的形式组成Payload。
• JWT的结构可以是JWS或者JWE。
• JWT的序列化方式只能使用Compact Serialization，不能是JSON Serialization。

简而言之，JWT是包含了特定claims的JWS或者JWE字符串。常见的大部分都属于JWS。
另外，通常读作J、W、T，实际建议读作jot（角特），关于JWT的定义和规范请参阅RFC7519。

JWK

JWK是重点，这对后面学习资源服务器（Resource Server）非常重要。

场景描述

签名公私钥这个大家都不陌生。JWT本身也要做使用私钥进行签名防止信息被篡改，公钥用来发给下游消费方来验证JWT的可靠性。通常情况下，公钥的配置方式为静态文件集成，这有一个弊端，当上游公私钥进行了改动，下游就无法动态进行公钥适配。这就是JWK要解决的问题，它对密码算法和标识符进行了规范设计，它紧凑的JSON数据结构非常方便在上下游之间传输。

JWK 格式

JWK是表示加密密钥的JSON对象。该对象包含的key名称必须是唯一的，在此基础上JWK可以包含一些自定义字段。下面是一个P-256 EC（椭圆曲线离散密码）密钥的JWK表示：

{
  "kty":"EC",
  "crv":"P-256",
  "x":"f83OJ3D2xF1Bg8vub9tLe1gHMzV76e8Tus9uPHvRVEU",
  "y":"x_FEzRu9m36HLN_tue659LNpXW6pCyStikYjKIWI5a0",
  "kid":"Public key used in JWS spec Appendix A.3 example"
}

按照RFC7517的定义，JWK JSON对象可能包含以下属性：

根据不同的算法JWK还可能包含其它的属性。

JWK Set

JWK Set 表示一组具有不同kid的JWK，这非常容易理解。它也是一个JSON对象，唯一的key就是keys。举个例子：

{"keys":
 [
     {
         "kty":"EC",
         "crv":"P-256",
         "x":"MKBCTNIcKUSDii11ySs3526iDZ8AiTo7Tu6KPAqv7D4",
         "y":"4Etl6SRW2YiLUrN5vfvVHuhp7x8PxltmWWlbbM4IFyM",
         "use":"enc",
         "kid":"1"},
     {
         "kty":"RSA",
         "n": "0vx7agoebGcQSuuPiLJXZptN9nndrQmbXEps2aiAFbWhM78LhWx4cbbfAAtVT86zwu1RK7aPFFxuhDR1L6tSoc_BJECPebWKRXjBZCiFV4n3oknjhMstn64tZ_2W-5JsGY4Hc5n9yBXArwl93lqt7_RN5w6Cf0h4QyQ5v-65YGjQR0_FDW2QvzqY368QQMicAtaSqzs8KJZgnYb9c7d0zgdAZHzu6qMQvRL5hajrn1n91CbOpbISD08qNLyrdkt-bFTWhAI4vMQFh6WeZu0fM4lFd2NcRwr3XPksINHaQ-G_xBniIqbw0Ls1jF44-csFCur-kEgU8awapJzKnqDKgw",
         "e":"AQAB",
         "alg":"RS256",
         "kid":"2011-04-29"
     }
 ]
}

OAuth2配置中的JWK Set URL就是输出JWK Set的端点。

JWA

JWA规范规定了哪些算法可以作为JWS和JWE的密码算法。还规定了这些算法对应的JWK中的alg属性，以及特定算法在JWK包含的属性例如前面EC算法中的crv、x、y，这些属性并不是一成不变的，它们会根据算法的迭代进行调整。如果对JWA的细节感兴趣，请参阅RFC7518。
可以通过JWK生成器自行使用一些算法生成JWK观察不同算法之间的区别。

小结

对JOSE规范进行简单的介绍了解，对学习OAuth2和OIDC相关的知识非常有帮助。不要求深入但是一定要了解相关的知识。

参考资料

JOSE: https://datatracker.ietf.org/wg/jose/documents/
RFC7515: https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7515/
RFC7516: https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7516/
RFC7519: https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7519/
RFC7517: https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7517/
RFC7518: https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7518/
JWK生成器: https://mkjwk.org/