JWT安全漏洞之密钥混淆攻击（Key Confusion Attack）详解
字数 3334 2025-12-08 22:30:24

JWT安全漏洞之密钥混淆攻击（Key Confusion Attack）详解

一、 题目/知识点描述

密钥混淆攻击（Key Confusion Attack），也被称为算法混淆攻击（Algorithm Confusion Attack），是针对JSON Web Token的一种特定安全漏洞。它利用了JWT验证库在处理不同类型密钥（对称加密密钥与非对称加密公钥/私钥）时可能存在的逻辑缺陷。当攻击者能够获取或推测出用于验证JWT签名的公钥时，他们可以构造一个使用对称加密算法（如HS256）签名的恶意Token，但欺骗验证方使用先前获取的非对称加密算法的公钥（如RSA的公钥）作为对称密钥来进行签名验证，从而绕过签名检查，伪造任意内容的JWT。这种攻击在JWT实现不当的应用程序中可能导致身份验证绕过、权限提升等严重后果。

二、 解题过程循序渐进讲解

步骤1：回顾JWT的基本结构与签名机制
首先，我们需要明确JWT通常由三部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature），以点号分隔。

  • 头部： 声明令牌类型和签名算法。例如，{"alg": "HS256", "typ": "JWT"} 表示使用HMAC SHA256算法。
  • 载荷： 包含声明（Claims），如用户ID、过期时间等。
  • 签名： 用于验证消息在传递过程中未被篡改。签名的生成方式取决于alg字段。
    • 对于对称算法（如HS256）：签名 = HMAC-SHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), 密钥)。这里的密钥是一个秘密字符串，签名和验证使用同一个密钥。
    • 对于非对称算法（如RS256）：签名 = RSA-SHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), 私钥)。验证时使用对应的公钥。

关键在于，验证方必须使用与签名算法alg字段匹配的密钥类型和正确的密钥值来验证签名。

步骤2：理解漏洞产生的根本原因
漏洞的核心在于JWT验证库的实现可能存在缺陷。其验证逻辑可能如下：

  1. 从JWT头部解码出alg参数（例如HS256）。
  2. 根据alg值，从应用程序配置或密钥库中获取对应的“密钥”。
  3. 使用这个“密钥”验证签名。

问题出现在第2步和第3步：

  • 密钥选择逻辑缺陷： 某些旧的或配置不当的库，可能只有一个“验证密钥”的配置项。当应用最初设计使用RS256时，这个配置项里放的是RSA公钥。但当JWT头部的alg被篡改为HS256时，验证逻辑可能错误地将这个RSA公钥直接用作HMAC算法的密钥。
  • 密码学原理差异： RSA的公钥/私钥对与HMAC的共享密钥本质不同，但它们在代码中可能都以字节序列或字符串形式存在。一个有缺陷的库在收到alg=HS256的JWT时，不会判断传入的“密钥”是否真的是一个合适的HMAC密钥，而是机械地执行HMAC.verify(token, key)，其中key就是那个RSA公钥。如果HMAC验证函数内部只是简单地将传入的key作为二进制密钥使用，而RSA公钥本身就是一个合法的字节序列，那么验证过程在语法上可以运行。

步骤3：攻击者利用条件分析
要成功实施密钥混淆攻击，攻击者需要满足几个条件：

  1. 获取用于验证的非对称公钥： 这是攻击的前提。公钥有时会硬编码在客户端代码（如JavaScript）、公开的API端点（如/.well-known/jwks.json）或配置文件中。如果公钥可被预测（如使用默认证书），也可能被获取。
  2. 目标应用使用有漏洞的JWT库： 应用程序使用的JWT库在处理算法和密钥匹配时存在逻辑缺陷。历史上，一些流行库的旧版本存在此问题。
  3. 应用允许或受骗使用alg: none之外的算法： 虽然alg: none攻击更简单，但已被广泛防御。密钥混淆攻击利用了从非对称算法“降级”到对称算法的过程。

步骤4：攻击步骤拆解
假设攻击场景：一个Web应用使用RS256算法签发JWT，其验证公钥（PUBLIC_KEY）是公开的或可被攻击者获取。

  1. 信息收集： 攻击者首先获取一个有效的JWT（例如通过正常登录），并从中得知应用使用的原始算法（RS256）。更重要的是，他需要通过源代码分析、网络请求探查等方式，获取到用于验证的RSA公钥（PUBLIC_KEY）。
  2. 构造恶意Token：
    a. 篡改头部： 将alg字段从RS256修改为HS256。
    b. 篡改载荷： 修改Payload中的声明，例如将"user": "victim"改为"user": "admin"，"isAdmin": true。
    c. 生成签名： 这是关键一步。攻击者将PUBLIC_KEY（RSA公钥）当作HMAC-SHA256的密钥，对新的头部和载荷计算HMAC签名。即：malicious_signature = HMAC-SHA256(base64UrlEncode(modified_header) + "." + base64UrlEncode(modified_payload), PUBLIC_KEY)。
    d. 组装Token： 将新的头部、载荷和生成的签名用点号连接，形成恶意JWT。
  3. 发送与验证： 攻击者将伪造的JWT放入HTTP请求的Authorization头部，发送给目标应用。
  4. 触发漏洞： 有漏洞的服务端JWT验证库接收到Token。
    • 它解码头部，看到alg: HS256。
    • 它本应去获取HMAC的密钥，但由于配置或逻辑缺陷，它错误地取出了为RS256配置的RSA公钥（PUBLIC_KEY）作为“验证密钥”。
    • 它使用HS256算法，并以PUBLIC_KEY作为密钥，对接收到的头部和载荷计算HMAC值，并与Token中的签名部分进行比较。
    • 因为攻击者生成签名时使用的“密钥”（PUBLIC_KEY）和服务端用于验证的“密钥”（同一个PUBLIC_KEY）完全相同，所以HMAC验证通过。服务端错误地认为这是一个由可信方用HS256签发的有效Token，从而接受了被篡改的载荷（如提升为管理员权限）。

步骤5：防御措施详解

  1. 强制指定预期算法： 在验证JWT时，不要在代码中依赖Token头部自声明的alg值。应该在服务端验证逻辑中，显式指定预期使用的算法。例如，在使用jsonwebtoken库时，应使用jwt.verify(token, PUBLIC_KEY, { algorithms: ['RS256'] })，这样即使Token头部声明alg: HS256，库也会因为不在允许的算法列表中而拒绝验证。
  2. 密钥与算法匹配检查： 使用最新版本的、维护良好的JWT库。这些库内部会检查提供的密钥类型是否与alg参数声明的算法匹配（例如，为RS256提供公钥/私钥，为HS256提供足够长度和强度的对称密钥），从而防止密钥混淆。
  3. 密钥管理： 为不同的算法使用完全不同且无关联的密钥。避免公钥/私钥对中的公钥能作为有效的HMAC密钥字符串使用（虽然这更多是库的职责）。对于对称加密，确保使用强随机生成的、足够长的密钥。
  4. 最小化公钥暴露： 虽然公钥本身是用于公开验证的，但应避免将其存储在易被恶意利用的上下文（如客户端可直接计算的环境）。但这并非根本解决方法，根本方法在于第一条。
  5. 依赖库升级与安全审计： 定期更新JWT相关库到安全版本。检查代码中JWT验证的部分，确保没有易受攻击的模式。

总结：密钥混淆攻击是一种利用JWT验证逻辑缺陷，通过算法“降级”和密钥误用，实现签名伪造的攻击。其成功依赖公钥的获取和有漏洞的库。最有效的防御手段是在服务端验证时显式、强制地指定所接受的签名算法列表，绝不信任客户端Token中自带的alg声明。

JWT安全漏洞之密钥混淆攻击（Key Confusion Attack）详解 一、 题目/知识点描述 密钥混淆攻击（Key Confusion Attack），也被称为算法混淆攻击（Algorithm Confusion Attack），是针对JSON Web Token的一种特定安全漏洞。它利用了JWT验证库在处理不同类型密钥（对称加密密钥与非对称加密公钥/私钥）时可能存在的逻辑缺陷。当攻击者能够获取或推测出用于验证JWT签名的公钥时，他们可以构造一个使用对称加密算法（如HS256）签名的恶意Token，但欺骗验证方使用先前获取的非对称加密算法的公钥（如RSA的公钥）作为对称密钥来进行签名验证，从而绕过签名检查，伪造任意内容的JWT。这种攻击在JWT实现不当的应用程序中可能导致身份验证绕过、权限提升等严重后果。 二、 解题过程循序渐进讲解 步骤1：回顾JWT的基本结构与签名机制 首先，我们需要明确JWT通常由三部分组成：头部（Header）、载荷（Payload）和签名（Signature），以点号分隔。 头部 ： 声明令牌类型和签名算法。例如， {"alg": "HS256", "typ": "JWT"} 表示使用HMAC SHA256算法。 载荷 ： 包含声明（Claims），如用户ID、过期时间等。 签名 ： 用于验证消息在传递过程中未被篡改。签名的生成方式取决于 alg 字段。 对于对称算法（如HS256）： 签名 = HMAC-SHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), 密钥) 。这里的 密钥 是一个秘密字符串，签名和验证使用同一个密钥。 对于非对称算法（如RS256）： 签名 = RSA-SHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), 私钥) 。验证时使用对应的 公钥 。 关键在于，验证方必须使用与签名算法 alg 字段匹配的密钥类型和正确的密钥值来验证签名。 步骤2：理解漏洞产生的根本原因 漏洞的核心在于JWT验证库的实现可能存在缺陷。其验证逻辑可能如下： 从JWT头部解码出 alg 参数（例如 HS256 ）。 根据 alg 值，从应用程序配置或密钥库中获取对应的“密钥”。 使用这个“密钥”验证签名。 问题出现在第2步和第3步： 密钥选择逻辑缺陷 ： 某些旧的或配置不当的库，可能只有一个“验证密钥”的配置项。当应用最初设计使用RS256时，这个配置项里放的是RSA公钥。但当JWT头部的 alg 被篡改为 HS256 时，验证逻辑可能错误地 将这个RSA公钥直接用作HMAC算法的密钥 。 密码学原理差异 ： RSA的公钥/私钥对与HMAC的共享密钥本质不同，但它们在代码中可能都以字节序列或字符串形式存在。一个有缺陷的库在收到 alg=HS256 的JWT时，不会判断传入的“密钥”是否真的是一个合适的HMAC密钥，而是机械地执行 HMAC.verify(token, key) ，其中 key 就是那个RSA公钥。如果HMAC验证函数内部只是简单地将传入的 key 作为二进制密钥使用，而RSA公钥本身就是一个合法的字节序列，那么验证过程在语法上可以运行。 步骤3：攻击者利用条件分析 要成功实施密钥混淆攻击，攻击者需要满足几个条件： 获取用于验证的非对称公钥 ： 这是攻击的前提。公钥有时会硬编码在客户端代码（如JavaScript）、公开的API端点（如 /.well-known/jwks.json ）或配置文件中。如果公钥可被预测（如使用默认证书），也可能被获取。 目标应用使用有漏洞的JWT库 ： 应用程序使用的JWT库在处理算法和密钥匹配时存在逻辑缺陷。历史上，一些流行库的旧版本存在此问题。 应用允许或受骗使用 alg: none 之外的算法 ： 虽然 alg: none 攻击更简单，但已被广泛防御。密钥混淆攻击利用了从非对称算法“降级”到对称算法的过程。 步骤4：攻击步骤拆解 假设攻击场景：一个Web应用使用RS256算法签发JWT，其验证公钥（PUBLIC_ KEY）是公开的或可被攻击者获取。 信息收集 ： 攻击者首先获取一个有效的JWT（例如通过正常登录），并从中得知应用使用的原始算法（RS256）。更重要的是，他需要通过源代码分析、网络请求探查等方式，获取到用于验证的RSA公钥（PUBLIC_ KEY）。 构造恶意Token ： a. 篡改头部 ： 将 alg 字段从 RS256 修改为 HS256 。 b. 篡改载荷 ： 修改Payload中的声明，例如将 "user": "victim" 改为 "user": "admin" ， "isAdmin": true 。 c. 生成签名 ： 这是关键一步。攻击者将PUBLIC_ KEY（RSA公钥） 当作HMAC-SHA256的密钥 ，对新的头部和载荷计算HMAC签名。即： malicious_signature = HMAC-SHA256(base64UrlEncode(modified_header) + "." + base64UrlEncode(modified_payload), PUBLIC_KEY) 。 d. 组装Token ： 将新的头部、载荷和生成的签名用点号连接，形成恶意JWT。 发送与验证 ： 攻击者将伪造的JWT放入HTTP请求的 Authorization 头部，发送给目标应用。 触发漏洞 ： 有漏洞的服务端JWT验证库接收到Token。 它解码头部，看到 alg: HS256 。 它本应去获取HMAC的密钥，但由于配置或逻辑缺陷，它 错误地 取出了为RS256配置的RSA公钥（PUBLIC_ KEY）作为“验证密钥”。 它使用 HS256 算法，并以PUBLIC_ KEY作为密钥，对接收到的头部和载荷计算HMAC值，并与Token中的签名部分进行比较。 因为攻击者生成签名时使用的“密钥”（PUBLIC_ KEY）和服务端用于验证的“密钥”（同一个PUBLIC_ KEY）完全相同，所以 HMAC验证通过 。服务端错误地认为这是一个由可信方用HS256签发的有效Token，从而接受了被篡改的载荷（如提升为管理员权限）。 步骤5：防御措施详解 强制指定预期算法 ： 在验证JWT时，不要在代码中依赖Token头部自声明的 alg 值。应该在服务端验证逻辑中， 显式指定预期使用的算法 。例如，在使用 jsonwebtoken 库时，应使用 jwt.verify(token, PUBLIC_KEY, { algorithms: ['RS256'] }) ，这样即使Token头部声明 alg: HS256 ，库也会因为不在允许的算法列表中而拒绝验证。 密钥与算法匹配检查 ： 使用最新版本的、维护良好的JWT库。这些库内部会检查提供的密钥类型是否与 alg 参数声明的算法匹配（例如，为RS256提供公钥/私钥，为HS256提供足够长度和强度的对称密钥），从而防止密钥混淆。 密钥管理 ： 为不同的算法使用完全不同且无关联的密钥。避免公钥/私钥对中的公钥能作为有效的HMAC密钥字符串使用（虽然这更多是库的职责）。对于对称加密，确保使用强随机生成的、足够长的密钥。 最小化公钥暴露 ： 虽然公钥本身是用于公开验证的，但应避免将其存储在易被恶意利用的上下文（如客户端可直接计算的环境）。但这并非根本解决方法，根本方法在于第一条。 依赖库升级与安全审计 ： 定期更新JWT相关库到安全版本。检查代码中JWT验证的部分，确保没有易受攻击的模式。 总结 ：密钥混淆攻击是一种利用JWT验证逻辑缺陷，通过算法“降级”和密钥误用，实现签名伪造的攻击。其成功依赖公钥的获取和有漏洞的库。最有效的防御手段是在服务端验证时 显式、强制地指定所接受的签名算法列表 ，绝不信任客户端Token中自带的 alg 声明。