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Wednesday, June 7, 2023

ステートレス認証の深化:JWTのアーキテクチャとその戦略的活用

現代のウェブアプリケーションとAPIエコシステムにおいて、認証・認可はシステムの根幹をなすセキュリティ機能です。かつて主流であったサーバーサイドでセッション情報を管理する「ステートフル」なアプローチは、システムのスケールや分散アーキテクチャへの移行に伴い、新たな課題に直面するようになりました。この文脈で登場し、急速に普及したのがJSON Web Token(JWT)を用いた「ステートレス」認証です。JWTは、単なる技術的流行ではなく、マイクロサービスアーキテクチャ、シングルページアプリケーション(SPA)、モバイルアプリケーションといった現代的な開発パラダイムが求める要求に対する、必然的な解答の一つと言えます。本稿では、JWTの基本的な構造から、そのアーキテクチャ上の利点、そして導入にあたって避けては通れない実践的な課題とセキュリティ上の考察までを深く掘り下げ、JWTを戦略的に活用するための知見を提供します。

JWTの構造的解析:ヘッダー、ペイロード、署名

JWTの実体を理解するためには、まずその構造を分解することが不可欠です。JWTは、xxxxx.yyyyy.zzzzzという形式で表現される、3つのパートから構成された文字列です。各パートはBase64Urlエンコードされており、ピリオド(.)で区切られています。それぞれヘッダー(Header)、ペイロード(Payload)、署名(Signature)と呼ばれ、固有の役割を担っています。

第1部:ヘッダー (Header)

ヘッダーは、トークン自体のメタデータを格納するJSONオブジェクトです。主に、トークンの署名に使用されるアルゴリズム(alg)と、トークンのタイプ(typ)の2つのフィールドで構成されます。


{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}
  • alg (Algorithm): 署名を生成するために使用されるアルゴリズムを指定します。代表的なものに、共通鍵暗号方式であるHMAC(Hash-based Message Authentication Code)を用いたHS256(HMAC using SHA-256)や、公開鍵暗号方式であるRSA(Rivest-Shamir-Adleman)を用いたRS256(RSA Signature with SHA-256)があります。アルゴリズムの選択は、システムのセキュリティ要件やアーキテクチャに直結する重要な決定です。例えば、単一の認証サーバーとリソースサーバーで構成されるシンプルなシステムではHS256が適しているかもしれませんが、複数の独立したサービスがトークンを検証する必要があるマイクロサービス環境では、公開鍵のみを配布すればよいRS256の方が管理しやすい場合があります。
  • typ (Type): トークンのタイプを示します。JWTの場合、通常は"JWT"が設定されます。このフィールドは必須ではありませんが、他のトークン形式と区別するために含めることが推奨されています。

このJSONオブジェクトがBase64Urlエンコードされ、JWTの最初のパートが完成します。

第2部:ペイロード (Payload)

ペイロードは、トークンが伝達したい情報、すなわち「クレーム(Claim)」を格納するJSONオブジェクトです。クレームとは、ユーザーの識別子、権限、トークンの有効期限など、主体(通常はユーザー)やトークンに関する表明(statement)を指します。クレームは、以下の3種類に大別されます。


{
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "admin": true,
  "iat": 1516239022,
  "exp": 1516242622
}
  • 予約済みクレーム (Registered Claims): IANA(Internet Assigned Numbers Authority)によって定義されている、標準的なクレーム群です。これらは必須ではありませんが、JWTの相互運用性を高めるために利用が強く推奨されます。
    • iss (Issuer): トークンの発行者
    • sub (Subject): トークンの主題(通常はユーザーID)
    • aud (Audience): トークンの受信者(対象となるサービスやAPI)
    • exp (Expiration Time): トークンの有効期限(Unixタイムスタンプ)
    • nbf (Not Before): トークンが有効になる開始日時(Unixタイムスタンプ)
    • iat (Issued At): トークンの発行日時(Unixタイムスタンプ)
    • jti (JWT ID): トークンの一意な識別子。トークンの失効処理などで利用されます。
  • 公開クレーム (Public Claims): JWTの利用者が自由に定義できるクレームですが、他のアプリケーションと衝突しないように、IANAのJWT Claimsレジストリに登録するか、URI形式の一意な名前空間を持つ名前を使用する必要があります。
  • プライベートクレーム (Private Claims): トークンの発行者と受信者の間で合意された、独自のクレームです。ユーザーの役割(例: "role": "admin")や特定のアクセス許可情報など、アプリケーション固有の情報を格納するために使用されます。ただし、名前の衝突を避けるための配慮が必要です。

ヘッダー同様、このペイロードJSONオブジェクトもBase64Urlエンコードされ、JWTの2番目のパートを形成します。ここで極めて重要な注意点は、ペイロードは暗号化されているわけではなく、単にエンコードされているだけだということです。つまり、誰でも容易にデコードして内容を閲覧できます。したがって、パスワードや個人識別情報(PII)のような機密情報をペイロードに直接含めるべきではありません。

第3部:署名 (Signature)

署名は、JWTの完全性(Integrity)と認証(Authentication)を保証するための最も重要な部分です。これは、トークンが途中で改ざんされていないこと、そして信頼できる発行者によって作成されたことを証明します。

署名は、以下の3つの要素を組み合わせて生成されます。

  1. エンコードされたヘッダー
  2. エンコードされたペイロード
  3. シークレット(秘密鍵)

具体的な生成プロセスは次の通りです。


HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret
)

まず、エンコードされたヘッダーとペイロードをピリオドで連結します。次に、その結果文字列を、ヘッダーで指定されたアルゴリズム(例: HS256)と、サーバーのみが知る秘密鍵(secret)を使ってハッシュ化します。この結果が署名となり、JWTの最後のパートを構成します。

受信側サーバーは、受け取ったJWTのヘッダーとペイロード、そして自身が保持している同じ秘密鍵を使って署名を再計算します。この再計算した署名と、JWTに含まれている署名が一致すれば、トークンが改ざんされておらず、かつ正しい発行者からのものであることを検証できます。もしペイロードが1ビットでも変更されていれば、署名の検証は失敗します。

JWTがもたらすアーキテクチャ上の利点

JWTの構造的な特徴は、特に分散システム環境において、数多くのアーキテクチャ上の利点をもたらします。これらの利点を深く理解することは、JWTを効果的に活用する上で不可欠です。

サーバーサイドのステートレス性

JWTの最大の利点は、サーバー側でセッション状態を保持する必要がない「ステートレス」な認証を実現できる点にあります。従来のセッションベース認証では、サーバーは発行したセッションIDとそれに対応するユーザー情報をメモリやデータベースに保存する必要がありました。リクエストのたびに、サーバーはこのセッションストアを参照してユーザーを検証します。

一方、JWTでは認証に必要な情報(ユーザーID、権限など)がトークン自体に内包されています(自己完結性)。サーバーはトークンの署名を検証するだけでユーザーを信頼できるため、セッションストアへの問い合わせが不要になります。これにより、以下のようなメリットが生まれます。

  • スケーラビリティの向上: サーバーが状態を持たないため、ロードバランサーの配下でサーバーインスタンスを容易に水平スケール(スケールアウト)できます。どのサーバーがリクエストを処理しても、トークンさえ検証できればよいため、セッション情報をサーバー間で同期する必要がなく、スティッキーセッション(特定のユーザーからのリクエストを常に同じサーバーに送る設定)も不要になります。
  • パフォーマンスの改善: リクエストごとにデータベースやキャッシュへのセッション参照が発生しないため、システムの応答時間が短縮され、バックエンドの負荷が軽減されます。
  • マイクロサービスとの親和性: 疎結合なサービス群で構成されるマイクロサービスアーキテクチャにおいて、JWTは特に強力です。認証を専門に行うサービスがトークンを発行し、他の各サービスは(公開鍵や共通鍵を共有することで)独立してそのトークンを検証できます。これにより、サービス間でユーザー認証の状態を共有する必要がなくなり、各サービスの自律性が保たれます。

自己完結性と拡張性

JWTのペイロードには、認証・認可に必要な情報を自由に含めることができます。これにより、トークンは「自己完結型」のクレデンシャルとして機能します。例えば、ユーザーIDだけでなく、ユーザーの役割(`"roles": ["editor", "viewer"]`)、所属部署、利用プランのレベルといった情報をクレームとして埋め込むことができます。

リクエストを受け取ったAPIサーバーは、トークンのペイロードを見るだけで、そのユーザーが特定のエンドポイントにアクセスする権限を持っているかどうかを判断できます。これにより、ユーザーの権限情報を取得するために、リクエストのたびにユーザーデータベースへ問い合わせを行うといった追加の処理を削減できます。

この拡張性は、異なるサービス間の連携においても価値を発揮します。あるサービスが発行したJWTを、信頼関係にある別のサービスが解釈し、そのクレームに基づいて処理を行うといった連携が容易になります。

クロスドメイン/CORS対応の容易さ

シングルページアプリケーション(SPA)が一般的になるにつれ、フロントエンド(例: `app.example.com`)とバックエンドAPI(例: `api.example.com`)が異なるドメインで動作する構成が増えました。従来のCookieベースのセッション管理は、ブラウザの同一オリジンポリシー(Same-Origin Policy)による制約を受けやすく、クロスドメインでの利用にはCORS(Cross-Origin Resource Sharing)の設定など、煩雑な対応が必要でした。

JWTは通常、HTTPのAuthorizationヘッダーにBearer <token>の形式で含めて送信されます。この方法はCookieの制約を受けないため、ドメインをまたいだAPIリクエストをシンプルに実現できます。これにより、SPAやモバイルアプリケーションとバックエンドAPI間の通信をスムーズに実装することが可能です。

JWT導入における実践的な課題とセキュリティ考察

JWTは多くの利点を持つ一方で、その特性を正しく理解せずに導入すると、深刻なセキュリティリスクや運用上の問題を引き起こす可能性があります。銀の弾丸など存在しないという原則は、JWTにも当てはまります。

最重要課題:トークンの失効問題

ステートレスであることの裏返しとして、JWTには一度発行したトークンをサーバー側から能動的に無効化する標準的な仕組みが存在しません。トークンは有効期限(expクレーム)が切れるまで有効であり続けます。これは、以下のようなシナリオで重大な問題となります。

  • ユーザーが能動的にログアウトした。
  • ユーザーがパスワードを変更した。
  • 管理者が特定のユーザーのアカウントを強制的に停止した。
  • トークンが第三者に漏洩した。

これらの場合でも、盗まれたトークンは有効期限が切れるまで悪用され続ける可能性があります。この問題に対処するため、ステートレス性の利点を一部犠牲にする、以下のような対策が考案されています。

解決策1:短命なアクセストークンとリフレッシュトークン

これは現在最も標準的で推奨されるアプローチです。認証時に2種類のトークンを発行します。

  • アクセストークン: 有効期限が非常に短い(例: 15分〜1時間)JWT。APIへのリクエスト時に使用されます。漏洩した場合のリスクを有効期間内に限定します。
  • リフレッシュトークン: 有効期限が長い(例: 7日〜30日)ランダムな文字列(JWTである必要はない)。アクセストークンの有効期限が切れた際に、新しいアクセストークンを再発行するために使用されます。リフレッシュトークンは安全な場所に保管し、再発行のエンドポイントとの通信時にのみ使用します。

ユーザーがログアウトした場合、サーバーは受け取ったリフレッシュトークンを無効化(例: データベースから削除)します。これにより、それ以降の新しいアクセストークンの発行が阻止され、実質的にセッションを終了させることができます。

解決策2:失効リスト(ブラックリスト/デニーリスト)

無効化したいトークンの識別子(jtiクレーム)を、Redisのような高速なインメモリデータベースに保存する方式です。APIサーバーはリクエストを受け取るたびに、トークンのjtiが失効リストに存在するかどうかを確認します。存在すれば、そのリクエストを拒否します。

この方法はトークンを即座に無効化できる強力な手段ですが、リクエストごとにデータベースへの参照が発生するため、JWTの完全なステートレス性という利点は失われます。システムのパフォーマンス要件とセキュリティ要件のトレードオフを考慮する必要があります。

トークンのセキュアな保管場所

クライアントサイドでトークンをどこに保存するかは、XSS(クロスサイトスクリプティング)やCSRF(クロスサイトリクエストフォージェリ)といった攻撃のリスクに直結する重要な問題です。

  • `localStorage` / `sessionStorage`: これらはJavaScriptから容易にアクセスできるため、非常に便利です。しかし、アプリケーションにXSS脆弱性が存在した場合、攻撃者はスクリプトを実行して`localStorage`からトークンを盗み出すことができてしまいます。
  • `HttpOnly` Cookie: `HttpOnly`属性を付与したCookieにトークンを保存すると、JavaScriptからのアクセスが禁止されます。これにより、XSS攻撃によるトークン盗難のリスクを大幅に軽減できます。これは現在、ウェブアプリケーションにおいて最も推奨される保管方法の一つです。ただし、Cookieを利用する場合はCSRF攻撃への対策が別途必要になります。`SameSite`属性を`Lax`または`Strict`に設定したり、CSRFトークンを併用したりするなどの対策が有効です。

ペイロードの機密性欠如とトークンサイズの肥大化

前述の通り、JWTのペイロードは暗号化されておらず、誰でも内容を読み取れます。機密情報を扱う必要がある場合は、JWT(JSON Web Signature, JWS)ではなく、ペイロード自体を暗号化するJWE(JSON Web Encryption)の仕様を検討する必要があります。

また、ペイロードに多くの情報(クレーム)を詰め込むと、トークン全体のサイズが大きくなります。HTTPヘッダーのサイズには上限があるため、トークンが大きすぎるとサーバーからリクエストが拒否される可能性があります。また、リクエストごとに大きなトークンを送信することは、特に帯域幅が限られるモバイル環境などでは、ネットワークのオーバーヘッド増加につながります。クレームは必要最小限に留める設計が重要です。多くの情報が必要な場合は、トークンにはユーザーIDのみを含め、詳細は別途APIで取得する「トークンイントロスペクション」のようなパターンを検討する価値があります。

JWTとOAuth 2.0 / OpenID Connectの関係性

JWTはしばしばOAuth 2.0やOpenID Connect(OIDC)と混同されますが、これらは異なるレイヤーの概念です。

  • JWT (JSON Web Token): トークンの「フォーマット」を定義する仕様です。クレームをJSON形式で安全に(署名付きで)伝達するためのデータ構造です。
  • OAuth 2.0: 認可(Authorization)のための「フレームワーク」です。ユーザーの許可を得て、サードパーティアプリケーションに特定のリソースへの限定的なアクセス権を与えるためのプロトコルを定めています。OAuth 2.0自体はアクセストークンのフォーマットを規定しておらず、ランダムな文字列でも構いません。
  • OpenID Connect (OIDC): OAuth 2.0を拡張し、認証(Authentication)の機能を追加したプロトコルです。OIDCでは、ユーザーの身元情報を伝えるために「IDトークン」が使用されますが、このIDトークンのフォーマットとしてJWTが必須とされています。

つまり、JWTはOAuth 2.0やOIDCといったフレームワークの中で、アクセストークンやIDトークンという具体的な「乗り物」として利用されることが多い、ということです。JWTは独立した技術ですが、これらのプロトコルと組み合わせることで、その真価を最大限に発揮します。

結論:JWTは銀の弾丸ではない - 戦略的採用のための指針

JWTは、ステートレス認証を通じて、スケーラブルで疎結合なシステム設計を可能にする強力なツールです。特にマイクロサービス、SPA、モバイルアプリケーションが中心となる現代の開発において、その利点は計り知れません。

しかし、JWTの導入は、その利点とトレードオフを深く理解した上で行われるべきです。特に「トークンの失効」という根源的な課題は、ステートレス性の利便性とセキュリティの厳密さとの間で慎重なバランスを取ることを要求します。リフレッシュトークンの導入や失効リストの管理など、アプリケーションの要件に応じた適切な対策を講じなければ、システムに脆弱性を生み出すことになりかねません。

最終的に、あなたのアプリケーションにJWTが適しているかどうかは、以下の点を考慮して判断すべきです。

  • システムのアーキテクチャ: マイクロサービスや複数の独立したクライアントを持つ分散システムか? その場合、JWTのステートレス性は大きなメリットとなる。
  • セキュリティ要件: ユーザーセッションを即座に無効化する必要があるか? その場合、失効リストなどの追加実装コストを許容できるか。
  • 状態管理の複雑さ: 従来のセッション管理がシステムのボトルネックになっているか?

JWTは魔法の解決策ではありません。それは特定の課題を解決するために設計された、一つの洗練された道具です。その特性を正確に理解し、潜在的な落とし穴を認識し、適切なセキュリティ対策を施して初めて、JWTはその真の価値を発揮し、堅牢でスケーラブルな認証基盤の構築に貢献するでしょう。

The Architectural Implications of JSON Web Tokens in Modern Applications

In the evolving landscape of web and application development, the shift towards distributed systems, microservices, and single-page applications (SPAs) has fundamentally altered how we approach user authentication and authorization. Traditional stateful session mechanisms, once the bedrock of web security, often struggle to meet the demands of this new paradigm. This is where JSON Web Token (JWT), a compact and self-contained standard defined in RFC 7519, emerges as a powerful alternative. It provides a stateless method for securely transmitting information between parties as a JSON object, enabling decoupled architectures and seamless cross-service communication. However, adopting JWT is not a mere substitution for older methods; it represents a significant architectural decision with profound implications for scalability, security, and system design. Understanding its intricate mechanics, its substantial benefits, and its often-underestimated risks is crucial for any developer or architect building modern, secure applications.

Deconstructing the JWT: Anatomy of a Token

At its core, a JWT is a string composed of three distinct parts, separated by dots (.), each of which is Base64Url encoded. This structure is fundamental to its operation and can be visualized as xxxxx.yyyyy.zzzzz.

[Base64Url Encoded Header].[Base64Url Encoded Payload].[Base64Url Encoded Signature]

Let's dissect each component to understand its role in the token's lifecycle.

1. The Header: Metadata and Cryptography

The first part of the token is the header. It is a JSON object that typically consists of two key-value pairs: the token type (typ), which is always "JWT", and the signing algorithm (alg) used to create the signature. This metadata is essential for the recipient to correctly parse and verify the token.

A typical header looks like this:

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

The alg property is the most critical part of the header. It specifies the cryptographic algorithm used to sign the token, ensuring its integrity. Common algorithms include:

  • HS256 (HMAC using SHA-256): A symmetric algorithm that uses a single shared secret key to both create and verify the signature. This is simpler to implement but requires that both the issuer and the verifier have access to the same secret, which can be a challenge in distributed systems.
  • RS256 (RSA Signature with SHA-256): An asymmetric algorithm that uses a public/private key pair. The token is signed with the private key by the issuer (e.g., an authentication server), and it can be verified by any party that has access to the corresponding public key. This is generally more secure for microservice architectures, as services only need the public key to verify tokens, and the private key remains secured on the authentication server.
  • ES256 (ECDSA using P-256 and SHA-256): Another asymmetric algorithm based on Elliptic Curve Cryptography. It offers similar security to RSA but with shorter key lengths, resulting in smaller signatures and tokens.

The choice of algorithm is a critical security decision that directly impacts the overall architecture of the authentication system.

2. The Payload: Claims and Assertions

The second part of the JWT is the payload, which contains the claims. Claims are statements about an entity (typically, the user) and additional metadata. They are the core of the token's purpose: to convey information. The payload is a JSON object, and its claims can be categorized into three types:

  • Registered Claims: These are a set of predefined claims recommended by the JWT specification to provide a common baseline of interoperable claims. They are not mandatory but are highly encouraged. Key registered claims include:
    • iss (Issuer): Identifies the principal that issued the JWT.
    • sub (Subject): Identifies the principal that is the subject of the JWT (e.g., the user ID).
    • aud (Audience): Identifies the recipients that the JWT is intended for. The recipient must verify that it is part of this audience.
    • exp (Expiration Time): Identifies the expiration time on or after which the JWT MUST NOT be accepted for processing. It is a numeric value representing seconds since the Unix Epoch. This is a crucial security feature.
    • nbf (Not Before): Identifies the time before which the JWT MUST NOT be accepted for processing.
    • iat (Issued At): Identifies the time at which the JWT was issued.
    • jti (JWT ID): Provides a unique identifier for the JWT, which can be used to prevent the token from being replayed.
  • Public Claims: These are claims defined by those using JWTs. To avoid collisions, they should be defined in the IANA JSON Web Token Registry or be specified as a URI that contains a collision-resistant namespace.
  • Private Claims: These are custom claims created to share information between parties that agree on using them. For example, you might include a user's role, permissions, or other application-specific data.
    {
      "sub": "1234567890",
      "name": "John Doe",
      "admin": true,
      "iat": 1516239022,
      "exp": 1516242622,
      "roles": ["editor", "viewer"]
    }

Crucially, the payload is only Base64Url encoded, not encrypted. This means anyone who intercepts the token can easily decode and read its contents. Therefore, you must never store sensitive information, such as passwords, credit card numbers, or personally identifiable information (PII), directly in the JWT payload.

3. The Signature: Integrity and Authenticity

The third and final part of the JWT is the signature. It is used to verify that the sender of the JWT is who it says it is and to ensure that the message wasn't changed along the way. The signature is created by taking the encoded header, the encoded payload, a secret (for symmetric algorithms) or a private key (for asymmetric algorithms), and signing them with the algorithm specified in the header.

For example, using HMAC-SHA256, the signature is created as follows:

HMACSHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." +
  base64UrlEncode(payload),
  secret
)

When a server receives a JWT, it performs the same signature calculation using the header and payload from the token and its own secret or public key. If the newly calculated signature matches the signature included in the JWT, the server knows that the token is authentic and its payload has not been tampered with. If the signatures do not match, the token is rejected as invalid.

The JWT Authentication Lifecycle in Practice

Understanding the structure of a JWT is one thing; seeing how it functions within an application's authentication flow provides a clearer picture of its practical utility.

  1. User Authentication: The process begins when a user submits their credentials (e.g., username and password) to an authentication endpoint on the server.
  2. Credential Validation: The server receives the credentials and validates them against its user database. This is a one-time, stateful operation.
  3. Token Generation and Signing: Upon successful validation, the server generates a JWT. It creates a header, a payload containing user-specific claims (like user ID, roles, etc.), and sets an expiration time (exp). It then signs the token using its securely stored secret or private key.
  4. Token Transmission: The server sends the newly created JWT back to the client as part of the response, typically in the JSON body.
  5. Client-Side Storage: The client application receives the JWT and must store it securely for subsequent requests. Common storage locations include `localStorage`, `sessionStorage`, or an `HttpOnly` cookie. The choice of storage has significant security implications, which we will explore later.
  6. Authenticated Requests: For every subsequent request to a protected resource, the client must include the JWT. The standard practice is to send it in the `Authorization` header using the `Bearer` schema:
    Authorization: Bearer <token>
  7. Server-Side Verification: When the server receives a request for a protected route, its API gateway or middleware first extracts the JWT from the `Authorization` header. It then performs a series of validation checks:
    • It verifies the signature to ensure the token's integrity and authenticity.
    • It checks the registered claims, most importantly verifying that the token has not expired (by checking the exp claim) and that it is being used by the intended audience (aud).
  8. Resource Access: If all validations pass, the server trusts the claims within the token's payload and processes the request. The user is now authenticated and authorized to access the requested resource based on the information (e.g., roles, permissions) contained within the token.

The Strategic Advantages of Stateless Authentication

The primary driver for JWT adoption is its stateless nature, which offers compelling benefits for modern distributed systems.

Scalability and Load Balancing

In traditional session-based authentication, the server creates a session for a user upon login and stores the session data (e.g., in memory or a database like Redis). It then sends a session ID to the client as a cookie. For every request, the server must look up the session data using the ID. This model creates a stateful dependency. In a load-balanced environment with multiple server instances, this becomes problematic. A user's request might be routed to a server that doesn't have their session information. Solutions like "sticky sessions" (pinning a user to a specific server) defeat the purpose of load balancing, while centralized session stores add another point of failure and a performance bottleneck.

JWTs completely sidestep this issue. Because the token is self-contained and holds all necessary user information, any server instance with the correct secret or public key can validate the token and serve the request independently. There is no need for a shared session store or server-to-server communication, making horizontal scaling effortless and robust.

Decoupling and Microservices

JWTs are a natural fit for microservice architectures. An authentication service can be solely responsible for issuing tokens. Other microservices (e.g., for user profiles, orders, or payments) can then independently verify these tokens without ever needing to communicate directly with the authentication service or a central database. They only need access to the public key (in an asymmetric setup) or the shared secret. This loose coupling simplifies service design, promotes independent deployment, and enhances overall system resilience.

Cross-Domain and Cross-Platform Communication

Since JWTs are a standardized format and are typically transmitted in HTTP headers, they work seamlessly across different domains and platforms. A single token issued by a backend API can be used to authenticate requests from a web-based React application, a native iOS or Android mobile app, and even a third-party service. This eliminates the complexities associated with cookie-based authentication across different origins (CORS) and provides a unified authentication mechanism for a diverse technology stack.

Navigating the Drawbacks and Security Complexities

Despite its advantages, JWT is not a silver bullet. Its stateless, client-side nature introduces a unique set of challenges and security vulnerabilities that must be carefully managed.

The Inevitable Problem of Token Size

A simple session ID might be 32 bytes. A JWT containing a few claims can easily be 250-500 bytes, and one with many custom claims or longer keys can exceed 1-2 kilobytes. While this may seem trivial, this data is sent with *every single authenticated API request*. This overhead can add up, increasing network latency and bandwidth consumption, especially for mobile applications on unreliable networks or in applications with very frequent, small API calls (like chat applications).

The Challenge of Token Revocation

This is arguably the most significant architectural drawback of a pure stateless JWT implementation. Once a token is issued, it is valid and will be trusted by the server until it expires. There is no built-in mechanism to invalidate a token on the server side before its expiration. This poses serious security risks:

  • User Logout: If a user logs out, their JWT is still valid. If it was stolen before logout, an attacker could continue to use it until it expires.
  • Compromised Account: If a user changes their password or an administrator deactivates their account, any previously issued JWTs remain valid.
  • Permission Changes: If a user's roles or permissions are changed, their old JWT will still contain the outdated permissions.

Several strategies exist to mitigate this, but each one reintroduces a degree of statefulness, compromising the core benefit of JWTs:

  1. Short Token Expiration: Using very short-lived access tokens (e.g., 5-15 minutes) minimizes the window of opportunity for an attacker. This is the most common and recommended approach.
  2. Refresh Tokens: This pattern involves issuing two tokens: a short-lived *access token* and a long-lived *refresh token*. The access token is used for API requests. When it expires, the client can use the refresh token to obtain a new access token without requiring the user to log in again. The refresh token is stored more securely and is only sent to a dedicated token refresh endpoint. This allows for revocation, as the server can invalidate the refresh token, preventing new access tokens from being issued.
  3. Token Blocklists: A server can maintain a blocklist (e.g., in a Redis cache) of invalidated token IDs (using the `jti` claim). On each request, the server checks if the token's ID is on the list. This effectively revokes the token but requires a database lookup for every request, reintroducing the state and performance overhead that JWTs were meant to eliminate.

Secure Client-Side Storage: A Perilous Choice

Where the client stores the JWT is a critical security decision. The two main options are `localStorage` and `HttpOnly` cookies, each with its own vulnerabilities.

  • `localStorage` / `sessionStorage`:
    • Pro: Easy to access and manage via JavaScript. Works well with SPAs and across different domains if handled correctly.
    • Con: Highly vulnerable to Cross-Site Scripting (XSS) attacks. If an attacker can inject malicious JavaScript into your application, they can read the token from `localStorage` and exfiltrate it, allowing them to completely impersonate the user.
  • `HttpOnly` Cookies:
    • Pro: Inaccessible to JavaScript, which provides excellent protection against XSS-based token theft. The browser automatically sends the cookie with every request to the correct domain.
    • Con: Vulnerable to Cross-Site Request Forgery (CSRF) attacks. If a user is logged into your site and visits a malicious site in another tab, that site can make a request to your application, and the browser will automatically include the authentication cookie, potentially performing an unwanted action on behalf of the user. This can be mitigated by implementing anti-CSRF tokens.

A modern, robust approach often combines the `HttpOnly` cookie storage for a refresh token with in-memory storage for the short-lived access token, providing a balance of security and usability.

Common Implementation Pitfalls

  • Ignoring the Algorithm (`alg: none`): A notorious past vulnerability involved attackers modifying the token header to specify `alg: "none"`. Some misconfigured libraries would see this and "verify" the token without checking any signature. A secure implementation must always validate that the `alg` in the received token's header matches the algorithm expected by the server.
  • Weak Secrets: When using a symmetric algorithm like HS256, the security of the entire system rests on the secrecy and strength of the shared secret key. A weak, guessable, or leaked secret allows anyone to forge valid tokens for any user. Secrets must be high-entropy, securely stored, and regularly rotated.

JWT vs. Traditional Sessions: A Deliberate Choice

The decision to use JWTs or traditional sessions is not about which is "better" but which is more appropriate for a given architecture.

| Feature | Traditional Session-Based Authentication | JWT-Based Authentication | | ----------------------- | ---------------------------------------------------------------------- | --------------------------------------------------------------------------- | | **Statefulness** | **Stateful.** Server must store session data. | **Stateless.** Server holds no session state for individual users. | | **Scalability** | More complex. Requires sticky sessions or a centralized session store. | Excellent. Natively supports horizontal scaling and load balancing. | | **Performance** | Requires a database/cache lookup on every request. | CPU-intensive cryptographic operations, but no database lookup. | | **Architecture** | Well-suited for monolithic, server-rendered applications. | Ideal for microservices, SPAs, and mobile applications. | | **Token Size** | Very small (just a session ID cookie). | Larger, as it contains user data. Can increase request overhead. | | **Security** | Server-side control. Easier revocation. Vulnerable to session hijacking. | Client-side trust model. Revocation is difficult. Vulnerable to XSS/CSRF if stored improperly. | | **Cross-Domain** | Difficult. Requires complex CORS configurations and third-party cookies. | Trivial. Works seamlessly across different domains and platforms. |

Conclusion: Architecting Authentication with JWT

JSON Web Tokens offer a compelling solution to the challenges of authentication and authorization in modern, distributed application architectures. Their stateless, self-contained nature provides unparalleled scalability, decouples services effectively, and simplifies cross-platform communication. For systems built on microservices, serverless functions, or a combination of web and mobile clients, JWT is often the superior architectural choice.

However, this power comes with significant responsibility. Adopting JWTs means consciously trading the server-side control and straightforward revocation of traditional sessions for the complexities of managing a stateless, client-side security token. Developers must be vigilant about potential pitfalls: the irrevocability of issued tokens, the critical choice of secure client-side storage, the risk of exposing data in the payload, and the absolute necessity of strong secret management. Implementing a robust authentication system with JWTs requires more than just picking a library; it demands a deep understanding of the underlying security model and a commitment to best practices, such as using short-lived access tokens paired with a refresh token mechanism. Ultimately, JWT is not a drop-in replacement but a fundamental architectural component that, when wielded correctly, can be the key to building flexible, scalable, and secure modern applications.

JWT의 구조적 탐구와 안전한 인증 아키텍처 설계

현대 웹 애플리케이션의 아키텍처는 과거의 모놀리식 구조에서 벗어나, 독립적으로 배포하고 확장할 수 있는 마이크로서비스 아키텍처(MSA)와 클라이언트 측 렌더링을 담당하는 단일 페이지 애플리케이션(SPA)의 조합으로 진화하고 있습니다. 이러한 분산 환경에서 사용자의 신원을 확인하고 권한을 관리하는 인증(Authentication) 및 인가(Authorization) 메커니즘은 이전보다 훨씬 복잡하고 중요한 과제가 되었습니다. 전통적인 세션 기반 인증 방식은 서버가 각 사용자의 세션 상태를 메모리나 별도의 저장소에 유지해야 하므로, 서버의 수평적 확장이 어렵고 여러 서비스 간에 인증 정보를 공유하기 번거롭다는 한계를 가집니다. 바로 이 지점에서 JSON Web Token, 즉 JWT가 강력한 대안으로 등장했습니다.

JWT는 인증에 필요한 모든 정보를 자체적으로 포함하는 '자가 수용적(self-contained)' 토큰으로, 서버가 클라이언트의 상태를 저장할 필요가 없는 '상태 비저장(stateless)' 아키텍처를 가능하게 합니다. 이는 서버의 확장성을 극대화하고, 다양한 도메인과 플랫폼에 걸쳐 있는 서비스들이 원활하게 인증 정보를 공유할 수 있는 기반을 제공합니다. 그러나 JWT의 강력함은 그 구조와 작동 원리에 대한 깊은 이해를 전제로 합니다. 잘못 사용된 JWT는 오히려 심각한 보안 취약점으로 이어질 수 있습니다. 본 글에서는 JWT의 내부 구조를 상세히 분해하여 작동 원리를 명확히 이해하고, 이를 바탕으로 현대적인 분산 시스템 환경에서 어떻게 안전하고 효율적인 인증 아키텍처를 설계할 수 있는지 심도 있게 탐구하고자 합니다.

1. JWT의 본질과 해부학적 구조

JWT는 단순히 암호화된 문자열이 아니라, 명확한 구조와 규칙을 가진 데이터 객체입니다. RFC 7519 표준으로 정의된 JWT는 세 개의 독립적인 부분으로 구성되며, 각 부분은 점(.)으로 구분됩니다. 이 세 부분은 각각 헤더(Header), 페이로드(Payload), 그리고 서명(Signature)입니다.

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

위 예시에서 첫 번째 부분은 헤더, 두 번째는 페이로드, 세 번째는 서명에 해당합니다. 각 부분은 Base64Url 인코딩이라는 안전한 URL 전송을 위한 인코딩 방식을 사용합니다. 이제 각 부분을 자세히 살펴보겠습니다.

1.1. 헤더 (Header): 토큰의 메타데이터

헤더는 토큰 자체를 설명하는 메타데이터를 담고 있는 JSON 객체입니다. 여기에는 주로 두 가지 정보가 포함됩니다.

  • alg (Algorithm): 서명을 생성하는 데 사용된 알고리즘을 지정합니다. 이는 토큰의 무결성을 검증하는 데 필수적인 정보입니다. 대표적인 알고리즘으로는 HMAC 기반의 HS256 (HMAC using SHA-256)과 RSA 또는 ECDSA 같은 공개키/개인키 쌍을 사용하는 RS256, ES256 등이 있습니다. 어떤 알고리즘을 선택하느냐는 시스템 아키텍처와 보안 요구사항에 따라 달라집니다.
  • typ (Type): 토큰의 타입을 지정하며, 일반적으로 "JWT"로 고정됩니다.

예를 들어, 헤더의 원본 JSON은 다음과 같습니다.

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

이 JSON 객체는 Base64Url로 인코딩되어 JWT의 첫 번째 부분을 구성합니다.

1.2. 페이로드 (Payload): 실제 전달하려는 정보 (클레임)

페이로드는 토큰이 실제로 전달하고자 하는 데이터, 즉 클레임(Claim)의 집합을 담고 있는 JSON 객체입니다. 클레임은 사용자의 신원 정보, 권한, 토큰의 속성 등 다양한 정보를 나타내는 키-값 쌍입니다. 클레임은 세 가지 종류로 나뉩니다.

  • 등록된 클레임 (Registered Claims): JWT 표준에 의해 미리 정의된 클레임들로, 필수는 아니지만 상호운용성을 위해 사용이 권장됩니다.
    • iss (Issuer): 토큰 발급자를 나타냅니다. (예: "https://auth.example.com")
    • sub (Subject): 토큰의 주체, 즉 사용자의 고유 식별자를 나타냅니다.
    • aud (Audience): 토큰의 수신자를 나타냅니다. 토큰을 처리해야 하는 서버를 지정할 때 사용됩니다.
    • exp (Expiration Time): 토큰의 만료 시간을 나타냅니다. NumericDate 형식(1970년 1월 1일 0시 0분 0초 UTC로부터의 초)으로 지정되며, 이 시간이 지나면 토큰은 유효하지 않은 것으로 간주되어야 합니다. 보안상 가장 중요한 클레임 중 하나입니다.
    • nbf (Not Before): exp와 반대로, 토큰이 유효해지기 시작하는 시간을 지정합니다. 이 시간 이전에는 토큰이 처리되어서는 안 됩니다.
    • iat (Issued At): 토큰이 발급된 시간을 나타냅니다.
    • jti (JWT ID): 토큰의 고유 식별자로, 주로 일회성 토큰(예: 재전송 공격 방지)에 사용됩니다.
  • 공개 클레임 (Public Claims): JWT를 사용하는 당사자들이 자유롭게 정의할 수 있지만, 충돌을 방지하기 위해 IANA JSON Web Token Registry에 등록되거나, URI 형태로 이름을 정의하는 것이 권장됩니다.
  • 비공개 클레임 (Private Claims): 토큰을 발급하는 서버와 수신하는 클라이언트(또는 서비스) 간에 협의 하에 사용하는 클레임입니다. 사용자 역할(role), 권한 수준(permission level) 등 애플리케이션에 특화된 정보를 담는 데 사용됩니다. (예: {"role": "admin"})

중요한 경고: 페이로드는 헤더와 마찬가지로 Base64Url로 인코딩될 뿐, 암호화된 것이 아닙니다. 따라서 누구나 디코딩하여 내용을 확인할 수 있습니다. 절대 비밀번호, 주민등록번호, 신용카드 정보와 같은 민감한 개인 정보를 페이로드에 포함해서는 안 됩니다.

예시 페이로드는 다음과 같습니다.

{
  "sub": "user-1234",
  "name": "Alice",
  "role": "editor",
  "exp": 1678886400
}

이 JSON 객체 역시 Base64Url로 인코딩되어 JWT의 두 번째 부분을 이룹니다.

1.3. 서명 (Signature): 토큰의 무결성 보증

서명은 JWT의 가장 중요한 보안 장치입니다. 서명의 목적은 두 가지입니다.

  1. 무결성 검증 (Integrity): 토큰이 전송 과정에서 제3자에 의해 변경되지 않았음을 보장합니다. 누군가 헤더나 페이로드의 내용을 1비트라도 변경한다면, 서명 검증은 실패하게 됩니다.
  2. 발급자 인증 (Authentication): 비대칭키 알고리즘(예: RS256)을 사용하는 경우, 서명은 개인키를 가진 발급자만이 해당 토큰을 생성할 수 있음을 증명합니다.

서명은 다음과 같은 방식으로 생성됩니다.

SIGN(
  base64UrlEncode(header) + '.' + base64UrlEncode(payload),
  secretOrPrivateKey
)

즉, 인코딩된 헤더와 페이로드를 점(.)으로 연결한 문자열을, 헤더에 명시된 알고리즘(alg)과 지정된 비밀키(secret) 또는 개인키(private key)를 사용하여 해싱하거나 서명한 결과물입니다. 예를 들어, algHS256이라면 HMAC-SHA256 알고리즘과 비밀키를 사용하고, RS256이라면 RSA-SHA256 알고리즘과 개인키를 사용하여 서명을 생성합니다.

서버는 클라이언트로부터 JWT를 받으면, 동일한 방식으로 헤더와 페이로드를 가지고 서명을 다시 계산해봅니다. 그리고 자신이 계산한 서명과 토큰에 포함된 서명이 일치하는지 비교함으로써 토큰의 위변조 여부를 판단합니다.

2. JWT 인증의 전체 흐름: 상태 비저장 통신의 여정

JWT의 구조를 이해했다면, 이제 실제 애플리케이션에서 인증이 어떻게 이루어지는지 전체적인 흐름을 살펴보겠습니다. 이 과정은 클라이언트와 서버 간의 명확한 역할 분담을 통해 이루어집니다.

  1. 사용자 로그인 및 자격 증명 제출:

    사용자는 웹사이트나 앱의 로그인 폼에 아이디와 비밀번호 같은 자격 증명을 입력하고, 이를 서버의 인증 엔드포인트(예: /api/login)로 전송합니다.

  2. 서버의 자격 증명 검증 및 토큰 생성:

    인증 서버는 데이터베이스에 저장된 사용자 정보와 제출된 자격 증명을 비교하여 유효성을 검사합니다. 검증에 성공하면, 서버는 해당 사용자를 위한 JWT를 생성합니다. 이 과정에서 페이로드에 사용자의 고유 ID(sub), 역할(role) 등의 정보를 포함시키고, 매우 중요한 만료 시간(exp)을 설정합니다. 마지막으로, 서버만 알고 있는 비밀키 또는 개인키를 사용하여 서명을 생성하고 완전한 JWT를 만듭니다.

  3. 클라이언트에 토큰 전송:

    서버는 생성된 JWT를 로그인 요청에 대한 응답 본문(response body)에 담아 클라이언트에게 전달합니다.

  4. 클라이언트 측 토큰 저장:

    클라이언트는 서버로부터 받은 JWT를 안전하게 저장해야 합니다. 저장 위치는 보안에 직접적인 영향을 미치므로 신중하게 선택해야 합니다. 일반적인 저장소 옵션은 다음과 같습니다.

    • 메모리(변수): 브라우저 탭이 활성화된 동안에만 유효합니다. 페이지를 새로고침하면 사라지므로 사용자 경험이 저하될 수 있지만, XSS(Cross-Site Scripting) 공격으로부터는 가장 안전합니다. SPA에서 변수나 상태 관리 라이브러리(Redux, Vuex 등)에 저장하는 방식입니다.
    • LocalStorage/SessionStorage: JavaScript로 쉽게 접근할 수 있어 편리하지만, XSS 공격에 취약합니다. 악의적인 스크립트가 실행되면 저장된 토큰을 탈취할 수 있습니다.
    • HTTP-Only Cookie: JavaScript에서 접근할 수 없도록 설정된 쿠키입니다. XSS 공격으로부터 토큰을 보호하는 데 매우 효과적입니다. 하지만 CSRF(Cross-Site Request Forgery) 공격에 대한 대비가 필요합니다. (예: SameSite=Strict 또는 SameSite=Lax 속성 사용, CSRF 토큰 병행)
  5. 보호된 리소스에 대한 후속 요청:

    사용자가 로그인이 필요한 페이지나 데이터(보호된 리소스)를 요청할 때, 클라이언트는 저장해 둔 JWT를 HTTP 요청의 Authorization 헤더에 포함하여 서버로 전송합니다. 일반적으로 'Bearer' 스킴을 사용합니다.

    Authorization: Bearer <your_jwt_token>
  6. 서버의 토큰 검증:

    요청을 받은 서버는 가장 먼저 Authorization 헤더에서 JWT를 추출합니다. 그 후 다음의 검증 절차를 순서대로 수행합니다.

    1. 서명 검증: 서버는 자신이 가진 비밀키(또는 공개키)를 사용하여 수신된 토큰의 서명이 유효한지 확인합니다. 서명이 일치하지 않으면, 토큰이 위조되었거나 손상된 것으로 판단하고 즉시 요청을 거부(401 Unauthorized)합니다.
    2. 클레임 검증: 서명이 유효하다면, 서버는 페이로드의 등록된 클레임들을 검증합니다.
      • exp 클레임을 확인하여 토큰이 만료되지 않았는지 확인합니다.
      • 필요에 따라 iss, aud 클레임이 시스템에서 기대하는 값과 일치하는지 확인합니다.
  7. 접근 허가 또는 거부:

    모든 검증 절차를 성공적으로 통과하면, 서버는 토큰이 유효하다고 신뢰하고 페이로드에 담긴 사용자 정보(예: 사용자 ID, 역할)를 바탕으로 요청된 리소스에 대한 접근을 허가합니다. 만약 어느 한 단계라도 검증에 실패하면, 서버는 401 Unauthorized 또는 403 Forbidden 응답을 반환하여 접근을 거부합니다.

이 흐름의 핵심은 서버가 세션을 유지할 필요가 없다는 점입니다. 모든 요청은 그 자체로 완전한 인증 정보를 담고 있으므로, 어떤 서버 인스턴스가 요청을 처리하든 상관없이 동일한 검증 로직을 수행할 수 있습니다. 이것이 바로 JWT가 분산 시스템 환경에서의 확장성을 크게 향상시키는 이유입니다.

3. JWT의 장점: 현대적 아키텍처를 위한 선택

JWT가 널리 채택되는 이유는 명확합니다. 현대적인 웹 서비스가 직면한 여러 과제에 대한 효과적인 해결책을 제공하기 때문입니다.

3.1. 상태 비저장(Stateless) 아키텍처와 뛰어난 확장성

전통적인 세션 기반 인증에서는 서버가 모든 활성 사용자의 세션 정보를 메모리나 데이터베이스에 저장하고 관리해야 합니다. 사용자가 늘어나고 서버를 여러 대로 확장(스케일 아웃)할 경우, 모든 서버가 이 세션 저장소에 접근해야 하므로 세션 클러스터링이나 Sticky Session과 같은 복잡한 설정이 필요합니다. 이는 시스템의 복잡도를 높이고 확장성을 저해하는 요인이 됩니다.

JWT는 서버가 클라이언트의 상태를 저장하지 않는 '상태 비저장'을 가능하게 합니다. 인증 정보는 전적으로 클라이언트가 소유한 토큰에 포함되어 있으며, 서버는 요청이 들어올 때마다 토큰의 유효성만 검증하면 됩니다. 따라서 서버는 상태 관리에 대한 부담에서 자유로워지며, 부하 분산을 위해 서버 인스턴스를 추가하는 수평적 확장이 매우 간단하고 효율적으로 이루어집니다.

3.2. 자가 수용성(Self-contained)과 효율성

JWT는 그 자체로 사용자 식별, 권한 부여에 필요한 정보를 모두 담고 있습니다. 토큰 페이로드에 사용자 ID, 역할, 접근 가능한 리소스 범위 등을 포함시킬 수 있습니다. 덕분에 서버는 보호된 리소스에 대한 요청을 받을 때마다 사용자 정보를 확인하기 위해 데이터베이스를 조회하는 과정을 생략할 수 있습니다. 이는 특히 데이터베이스 부하가 많은 시스템에서 상당한 성능 향상을 가져올 수 있습니다.

예를 들어, "이 사용자가 '관리자' 권한을 가지고 있는가?"를 확인하기 위해 매번 DB를 쿼리하는 대신, 유효성이 검증된 토큰의 {"role": "admin"} 클레임을 읽는 것만으로 충분합니다.

3.3. 마이크로서비스 및 교차 도메인 환경에서의 유연성

마이크로서비스 아키텍처에서는 여러 개의 작은 서비스들이 독립적으로 운영됩니다. JWT는 이러한 환경에서 빛을 발합니다. 중앙의 인증 서비스(Authentication Service)가 JWT를 발급하면, 다른 모든 마이크로서비스들은 각자 토큰의 서명을 검증하여 사용자를 인증하고 인가 처리를 할 수 있습니다.

  • 대칭키(HMAC) 방식: 모든 서비스가 동일한 비밀키를 공유하여 서명을 검증합니다. 구현이 간단하지만, 비밀키가 유출될 경우 모든 시스템이 위험에 노출됩니다.
  • 비대칭키(RSA/ECDSA) 방식: 인증 서비스만 개인키를 가지고 토큰에 서명하고, 나머지 서비스들은 공개키를 사용하여 서명을 검증합니다. 이 방식은 각 서비스가 서명 생성 능력을 가질 필요가 없으므로 더 안전하고 중앙 집중적인 통제가 가능합니다.

또한, JWT는 HTTP 헤더를 통해 전달되므로 쿠키의 동일 출처 정책(Same-Origin Policy)과 관련된 CORS(Cross-Origin Resource Sharing) 문제에서 비교적 자유롭습니다. api.example.com에서 발급받은 토큰을 사용하여 data.example.com의 리소스에 접근하는 시나리오를 손쉽게 구현할 수 있습니다.

4. JWT의 함정과 반드시 고려해야 할 보안 문제

JWT는 강력한 도구이지만, 그 특성상 몇 가지 중요한 단점과 보안적 고려사항을 내포하고 있습니다. 이를 무시하고 사용하면 시스템에 심각한 구멍이 생길 수 있습니다.

4.1. 토큰 크기와 네트워크 오버헤드

JWT는 세션 ID와 달리 헤더와 페이로드에 담긴 정보 때문에 상대적으로 크기가 큽니다. 페이로드에 많은 클레임을 추가할수록 토큰의 크기는 비례하여 커집니다. 이렇게 커진 토큰은 모든 요청마다 HTTP 헤더에 포함되어 전송되므로, 네트워크 트래픽을 증가시키는 요인이 될 수 있습니다. 특히 모바일 환경이나 대역폭이 제한된 네트워크에서는 성능 저하를 유발할 수 있으므로, 페이로드에는 필수적인 최소한의 정보만 담는 것이 좋습니다.

4.2. 토큰 폐기의 어려움

JWT의 가장 큰 아킬레스건은 바로 '상태 비저장' 특성에서 비롯되는 토큰 폐기의 어려움입니다. 한번 발급된 JWT는 만료 시간(exp)이 되기 전까지 유효합니다. 만약 사용자가 로그아웃을 하거나, 관리자가 특정 사용자의 세션을 강제로 종료시키거나, 혹은 토큰이 탈취되었을 경우, 해당 토큰을 즉시 무효화할 방법이 기본적으로는 없습니다. 공격자는 탈취한 토큰을 만료 시간까지 계속해서 사용할 수 있습니다.

이 문제를 해결하기 위해 몇 가지 전략이 사용되지만, 이는 JWT의 '상태 비저장'이라는 핵심 장점을 일부 희생하는 방식입니다.

  • 토큰 블랙리스트(Denylist) 구현: 무효화해야 할 토큰의 ID(jti)나 정보를 서버 측의 저장소(예: Redis, Memcached)에 목록으로 관리합니다. 서버는 요청을 받을 때마다 토큰이 이 블랙리스트에 포함되어 있는지 확인해야 합니다. 이는 상태를 다시 서버 측에서 관리하게 되는 것이므로, 순수한 상태 비저장 아키텍처는 아니게 됩니다.
  • 짧은 만료 시간 설정: 토큰의 유효 기간을 매우 짧게(예: 5분~15분) 설정하여 탈취되더라도 위험에 노출되는 시간을 최소화하는 전략입니다. 하지만 이 경우 사용자는 매우 자주 재인증을 해야 하므로 사용자 경험(UX)이 크게 저하됩니다.

이러한 문제에 대한 가장 표준적이고 효과적인 해결책은 바로 '리프레시 토큰' 패턴을 도입하는 것입니다. 이는 다음 섹션에서 자세히 다루겠습니다.

5. 보안 강화를 위한 JWT 활용 전략: 리프레시 토큰(Refresh Token) 패턴

리프레시 토큰 패턴은 JWT의 보안성과 사용 편의성 사이의 균형을 맞추기 위한 핵심적인 설계 패턴입니다. 이 패턴은 두 종류의 토큰을 사용하여 앞서 언급된 토큰 폐기 문제를 우아하게 해결합니다.

5.1. 두 가지 토큰: 액세스 토큰과 리프레시 토큰

  • 액세스 토큰 (Access Token):
    • 목적: 보호된 리소스에 접근하기 위해 사용됩니다. 페이로드에 사용자 권한과 같은 정보를 포함합니다.
    • 생명 주기: 매우 짧습니다. 보안 요구사항에 따라 5분에서 30분 사이로 설정하는 것이 일반적입니다.
    • 저장 위치: XSS 공격의 위험을 감수하더라도 JavaScript에서 접근이 필요한 경우 메모리(애플리케이션 상태 변수)에 저장합니다.
    • 탈취 시 위험: 생명 주기가 짧기 때문에 탈취되더라도 공격자가 사용할 수 있는 시간이 매우 제한적입니다.
  • 리프레시 토큰 (Refresh Token):
    • 목적: 오직 새로운 액세스 토큰을 발급받는 용도로만 사용됩니다.
    • 생명 주기: 깁니다. 7일, 30일 또는 그 이상으로 설정하여 사용자가 자주 로그인해야 하는 불편함을 해소합니다.
    • 저장 위치: 매우 안전하게 보관되어야 합니다. JavaScript에서 절대 접근할 수 없도록 HTTP-Only 속성이 부여된 보안 쿠키(Secure Cookie)에 저장하는 것이 가장 권장되는 방식입니다.
    • 탈취 시 위험: 탈취될 경우 장기간 사용자 계정에 접근할 수 있는 권한을 주는 셈이므로, 보안에 각별히 신경 써야 합니다.

5.2. 리프레시 토큰 패턴의 인증 흐름

  1. 최초 로그인: 사용자가 로그인에 성공하면, 서버는 액세스 토큰리프레시 토큰을 모두 발급합니다. 액세스 토큰은 응답 본문으로, 리프레시 토큰은 HTTP-Only 쿠키로 클라이언트에게 전송됩니다.
  2. API 요청: 클라이언트는 메모리에 저장된 액세스 토큰을 Authorization 헤더에 담아 API를 요청합니다.
  3. 액세스 토큰 만료: 짧은 생명 주기를 가진 액세스 토큰이 만료되면, 서버는 401 Unauthorized 에러를 반환합니다.
  4. 자동 토큰 재발급 요청: 클라이언트의 API 요청 로직(예: Axios Interceptor)은 401 에러를 감지하고, 별도의 토큰 재발급 엔드포인트(예: /api/refresh)로 요청을 보냅니다. 이때, 브라우저는 자동으로 HTTP-Only 쿠키에 저장된 리프레시 토큰을 요청에 포함시켜 전송합니다.
  5. 서버의 리프레시 토큰 검증 및 재발급: 재발급 요청을 받은 서버는 리프레시 토큰을 검증합니다. 이때 서버는 데이터베이스나 캐시에 저장된 유효한 리프레시 토큰 목록과 대조하여 해당 토큰이 폐기되지 않았는지 확인합니다. 검증이 성공하면, 새로운 액세스 토큰을 발급하여 클라이언트에게 전달합니다. (선택적으로, 보안을 강화하기 위해 새로운 리프레시 토큰을 발급하여 기존 것을 교체하는 '리프레시 토큰 로테이션' 전략을 사용할 수도 있습니다.)
  6. 원래 요청 재시도: 클라이언트는 새로 발급받은 액세스 토큰으로 이전에 실패했던 API 요청을 자동으로 재시도합니다.

이러한 흐름을 통해 사용자는 액세스 토큰이 만료되는 것을 전혀 인지하지 못하며, 끊김 없는 서비스 이용 경험을 누릴 수 있습니다. 동시에, 서버는 언제든지 특정 사용자의 리프레시 토큰을 데이터베이스에서 삭제함으로써 해당 사용자의 세션을 즉시 무효화(로그아웃 처리)할 수 있게 되어, JWT의 가장 큰 단점인 '토큰 폐기' 문제를 효과적으로 해결합니다.

6. JWT 구현 시 흔히 저지르는 실수와 방지책

JWT를 안전하게 사용하기 위해서는 몇 가지 흔한 실수를 인지하고 이를 피해야 합니다.

  • 취약한 비밀키 사용: HMAC 알고리즘(HS256 등)에서 비밀키는 토큰의 보안을 좌우하는 핵심입니다. "secret", "password"와 같이 추측하기 쉬운 키를 사용하거나 코드에 하드코딩하는 것은 절대 금물입니다. 비밀키는 충분히 길고 복잡한 랜덤 문자열로 생성해야 하며, 환경 변수나 보안 관리 도구(예: AWS Secrets Manager, HashiCorp Vault)를 통해 안전하게 관리해야 합니다.
  • alg: none 취약점 방치: 과거 일부 JWT 라이브러리에서는 헤더의 alg"none"으로 설정하면 서명 검증을 건너뛰는 취약점이 있었습니다. 공격자는 서명을 제거하고 alg"none"으로 조작하여 유효한 토큰인 것처럼 위장할 수 있었습니다. 현대의 라이브러리는 대부분 이 문제를 해결했지만, 서버 측에서는 반드시 허용할 알고리즘 목록(예: ["RS256"])을 명시적으로 지정하여 예상치 못한 알고리즘이 사용되는 것을 원천적으로 차단해야 합니다.
  • 클레임 검증 소홀: 서명 검증에만 성공했다고 해서 토큰을 신뢰해서는 안 됩니다. 반드시 exp 클레임을 확인하여 토큰이 만료되지 않았는지 검사해야 합니다. 또한, 여러 서비스가 통신하는 환경이라면 iss (발급자)와 aud (수신자) 클레임을 검증하여 올바른 주체로부터 발급되어 올바른 대상을 위한 토큰인지 확인하는 과정이 필수적입니다.
  • 민감 정보 페이로드 저장: 다시 한번 강조하지만, 페이로드는 암호화되지 않습니다. 사용자 비밀번호, 개인 식별 정보, 금융 정보 등은 절대 페이로드에 담아서는 안됩니다. 만약 페이로드 내용의 기밀성이 반드시 보장되어야 한다면, JWT 대신 JWE(JSON Web Encryption) 표준을 사용하거나, 필요한 데이터를 서버 간 통신을 통해 조회해야 합니다.

결론: 책임감 있는 JWT 활용

JSON Web Token은 의심할 여지 없이 현대적인 분산 시스템과 상태 비저장 애플리케이션을 위한 강력하고 유연한 인증 표준입니다. 서버의 확장성을 극대화하고, 마이크로서비스 간의 원활한 통신을 가능하게 하며, 다양한 플랫폼에서 일관된 인증 경험을 제공합니다. JWT의 자가 수용적 특성은 불필요한 데이터베이스 조회를 줄여 시스템의 전반적인 성능을 향상시킬 수도 있습니다.

그러나 이러한 강력함은 개발자에게 더 큰 책임감을 요구합니다. JWT는 보안의 '만병통치약'이 아니며, 그 내부 구조와 작동 방식을 정확히 이해하지 않고 무분별하게 사용할 경우 오히려 시스템을 위험에 빠뜨릴 수 있습니다. 토큰 탈취에 대비한 짧은 만료 기간 설정, 토큰 폐기 문제를 해결하기 위한 리프레시 토큰 패턴의 도입, 강력한 비밀키 관리, 철저한 클레임 검증, 그리고 민감 정보 노출 방지 등은 안전한 JWT 기반 인증 시스템을 구축하기 위한 필수적인 요소들입니다.

결론적으로, JWT는 하나의 잘 설계된 도구입니다. 이 도구의 잠재력을 최대한 활용하고 함정을 피하기 위해서는 그 원리를 깊이 있게 탐구하고, 현재 구축하려는 시스템의 특성과 보안 요구사항에 맞춰 신중하게 아키텍처를 설계하는 노력이 반드시 필요합니다. 올바르게 구현된 JWT는 안전하고, 확장 가능하며, 효율적인 인증 시스템의 견고한 초석이 될 것입니다.