🌐 JWT 토큰 인증 이란? (쿠키 vs 세션 vs 토큰)

Cookie / Session / Token 인증 방식 종류

보통 서버가 클라이언트 인증을 확인하는 방식은 대표적으로 쿠키, 세션, 토큰 3가지 방식이 있다.

JWT를 배우기 앞서 우선 쿠키와 세션의 통신 방식을 복습해보고 이들의 각각 특징과 장단점 그리고 왜 토큰 인증 방식을 사용하지는에 대해 간단하게 알아보자. (주입식 암기하지말고 과정을 이해하면 머릿속에 더 오래 남을 것이다!)

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Cookie 인증

쿠키는 Key-Value 형식의 문자열 덩어리이다.

클라이언트가 어떠한 웹사이트를 방문할 경우, 그 사이트가 사용하고 있는 서버를 통해 클라이언트의 브라우저에 설치되는 작은 기록 정보 파일이다. 각 사용자마다의 브라우저에 정보를 저장하니 고유 정보 식별이 가능한 것이다.

 

Cookie 인증 방식

1. 브라우저(클라이언트)가 서버에 요청(접속)을 보낸다.
2. 서버는 클라이언트의 요청에 대한 응답을 작성할 때, 클라이언트 측에 저장하고 싶은 정보를 응답 헤더의 Set-Cookie에 담는다.
3. 이후 해당 클라이언트는 요청을 보낼 때마다, 매번 저장된 쿠키를 요청 헤더의 Cookie에 담아 보낸다.
   서버는 쿠키에 담긴 정보를 바탕으로 해당 요청의 클라이언트가 누군지 식별하거나 정보를 바탕으로 추천 광고를 띄우거나 한다.

 

Cookie 방식의 단점

• 가장 큰 단점은 보안에 취약하다는 점이다.
  요청 시 쿠키의 값을 그대로 보내기 때문에 유출 및 조작 당할 위험이 존재한다.
• 쿠키에는 용량 제한이 있어 많은 정보를 담을 수 없다.
• 웹 브라우저마다 쿠키에 대한 지원 형태가 다르기 때문에 브라우저간 공유가 불가능하다.
• 쿠키의 사이즈가 커질수록 네트워크에 부하가 심해진다.

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Session 인증

이러한 쿠키의 보안적인 이슈 때문에, 세션은 비밀번호 등 클라이언트의 민감한 인증 정보를 브라우저가 아닌 서버 측에 저장하고 관리한다. 서버의 메모리에 저장하기도 하고, 서버의 로컬 파일이나 데이터베이스에 저장하기도 한다. 

핵심 골자는 민감한 정보는 클라이언트에 보내지말고 서버에서 모두 관리한다는 점이다.

세션 객체는 어떤 형태로 이루어져 있을까 ?
세션 객체는 Key에 해당하는 SESSION ID와 이에 대응하는 Value로 구성되어 있다.
Value에는 세션 생성 시간, 마지막 접근 시간 및 User가 저장한 속성 등 이 Map 형태로 저장된다.

 

Session 인증 방식

1. 유저가 웹사이트에서 로그인하면 세션이 서버 메모리(혹은 데이터베이스) 상에 저장된다.
   이때, 세션을 식별하기 위한 Session Id를 기준으로 정보를 저장한다.
2. 서버에서 브라우저에 쿠키에다가 Session Id를 저장한다.
3. 쿠키에 정보가 담겨있기 때문에 브라우저는 해당 사이트에 대한 모든 Request에 Session Id를 쿠키에 담아 전송한다.
4. 서버는 클라이언트가 보낸 Session Id 와 서버 메모리로 관리하고 있는 Session Id를 비교하여 인증을 수행한다.

 

Session 방식의 단점

• 쿠키를 포함한 요청이 외부에 노출되더라도 세션 ID 자체는 유의미한 개인정보를 담고 있지 않는다.
  그러나 해커가 세션 ID 자체를 탈취하여 클라이언트인척 위장할 수 있다는 한계가 존재한다. (이는 서버에서 IP특정을 통해 해결 할 수 있긴 하다)
• 서버에서 세션 저장소를 사용하므로 요청이 많아지면 서버에 부하가 심해진다.

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Token 인증

토큰 기반 인증 시스템은 클라이언트가 서버에 접속을 하면 서버에서 해당 클라이언트에게 인증되었다는 의미로 '토큰'을 부여한다. 이 토큰은 유일하며 토큰을 발급받은 클라이언트는 또 다시 서버에 요청을 보낼 때 요청 헤더에 토큰을 심어서 보낸다. 그러면 서버에서는 클라이언트로부터 받은 토큰을 서버에서 제공한 토큰과의 일치 여부를 체크하여 인증 과정을 처리하게 된다.

기존의 세션기반 인증은 서버가 파일이나 데이터베이스에 세션정보를 가지고 있어야 하고 이를 조회하는 과정이 필요하기 때문에 많은 오버헤드가 발생한다. 하지만 토큰은 세션과는 달리 서버가 아닌 클라이언트에 저장되기 때문에 메모리나 스토리지 등을 통해 세션을 관리했던 서버의 부담을 덜 수 있다. 토큰 자체에 데이터가 들어있기 때문에 클라이언트에서 받아 위조되었는지 판별만 하면 되기 떄문이다.

토큰은 앱과 서버가 통신 및 인증할때 가장 많이 사용된다. 왜냐하면 웹에는 쿠키와 세션이 있지만 앱에서는 없기 때문이다.

[서버 기반 vs 토큰 기반]

서버(세션) 기반 인증 시스템
서버의 세션을 사용해 사용자 인증을 하는 방법으로 서버측(서버 램 or 데이터베이스)에서 사용자의 인증정보를 관리하는 것을 의미한다.
그러다 보니, 클라이언트로부터 요청을 받으면 클라이언트의 상태를 계속에서 유지해놓고 사용한다.
(Stateful) 이는 사용자가 증가함에 따라 성능의 문제를 일으킬 수 있으며 확장성이 어렵다는 단점을 지닌다.

토큰 기반 인증 시스템
이러한 단점을 극복하기 위해서 "토큰 기반 인증 시스템"이 나타났다.
인증받은 사용자에게 토큰을 발급하고, 로그인이 필요한 작업일 경우 헤더에 토큰을 함께 보내 인증받은 사용자인지 확인한다.
이는 서버 기반 인증 시스템과 달리 상태를 유지하지 않으므로 Stateless 한 특징을 가지고 있다.

 

Token 인증 방식

1. 사용자가 아이디와 비밀번호로 로그인을 한다.
2. 서버 측에서 사용자(클라이언트)에게 유일한 토큰을 발급한다.
3. 클라이언트는 서버 측에서 전달받은 토큰을 쿠키나 스토리지에 저장해 두고, 서버에 요청을 할 때마다 해당 토큰을 서HTTP 요청 헤더에 포함시켜 전달한다.
4. 서버는 전달받은 토큰을 검증하고 요청에 응답한다.
   토큰에는 요청한 사람의 정보가 담겨있기에 서버는 DB를 조회하지 않고 누가 요청하는지 알 수 있다.

 

Token 방식의 단점

1. 쿠키/세션과 다르게 토큰 자체의 데이터 길이가 길어, 인증 요청이 많아질수록 네트워크 부하가 심해질수 있다.
2. Payload 자체는 암호화되지 않기 때문에 유저의 중요한 정보는 담을 수 없다.
3. 토큰을 탈취당하면 대처하기 어렵다. (따라서 사용 기간 제한을 설정하는 식으로 극복한다)

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JWT (JSON Web Token) 이란

JWT(JSON Web Token)란 인증에 필요한 정보들을 암호화시킨 JSON 토큰을 의미한다. 그리고 JWT 기반 인증은 JWT 토큰(Access Token)을 HTTP 헤더에 실어 서버가 클라이언트를 식별하는 방식이다

JWT는 JSON 데이터를 Base64 URL-safe Encode 를 통해 인코딩하여 직렬화한 것이며, 토큰 내부에는 위변조 방지를 위해 개인키를 통한 전자서명도 들어있다. 따라서 사용자가 JWT 를 서버로 전송하면 서버는 서명을 검증하는 과정을 거치게 되며 검증이 완료되면 요청한 응답을 돌려준다.

Base64 URL-safe Encode 는 일반적인 Base64 Encode 에서 URL 에서 오류없이 사용하도록 '+', '/' 를 각각 '-', '_' 로 표현한 것이다.

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JWT 구조

JWT는 . 을 구분자로 나누어지는 세 가지 문자열의 조합이다.

. 을 기준으로 좌측부터 Header, Payload, Signature를 의미한다.

Header 에는 JWT 에서 사용할 타입과 해시 알고리즘의 종류가 담겨있으며, Payload 는 서버에서 첨부한 사용자 권한 정보와 데이터가 담겨있다. 마지막으로 Signature 에는 Header, Payload 를 Base64 URL-safe Encode 를 한 이후 Header 에 명시된 해시함수를 적용하고, 개인키(Private Key)로 서명한 전자서명이 담겨있다.

실제 디코딩된 JWT는 다음과 같은 구조를 지닌다.

 

Header

• alg : 서명 암호화 알고리즘(ex: HMAC SHA256, RSA)
• typ : 토큰 유형

 

Payload

토큰에서 사용할 정보의 조각들인 Claim 이 담겨있다. (실제 JWT 를 통해서 알 수 있는 데이터)

즉, 서버와 클라이언트가 주고받는 시스템에서 실제로 사용될 정보에 대한 내용을 담고 있는 섹션이다.

key-value 형식으로 이루어진 한 쌍의 정보를 Claim이라고 칭한다.

페이로드는 정해진 데이터 타입은 없지만, 대표적으로 Registered claims, Public claims, Private claims 이렇게 세 가지로 나뉜다.

• Registed claims : 미리 정의된 클레임.
  
  • iss(issuer; 발행자),
    
  • exp(expireation time; 만료 시간),
    
  • sub(subject; 제목),
    
  • iat(issued At; 발행 시간),
    
  • jti(JWI ID)
• Public claims : 사용자가 정의할 수 있는 클레임 공개용 정보 전달을 위해 사용.
• Private claims : 해당하는 당사자들 간에 정보를 공유하기 위해 만들어진 사용자 지정 클레임. 외부에 공개되도 상관없지만 해당 유저를 특정할 수 있는 정보들을 담는다

 

Signature

시그니처에서 사용하는 알고리즘은 헤더에서 정의한 알고리즘 방식(alg)을 활용한다.

시그니처의 구조는 (헤더 + 페이로드)와 서버가 갖고 있는 유일한 key 값을 합친 것을 헤더에서 정의한 알고리즘으로 암호화를 한다.

Header와 Payload는 단순히 인코딩된 값이기 때문에 제 3자가 복호화 및 조작할 수 있지만, Signature는 서버 측에서 관리하는 비밀키가 유출되지 않는 이상 복호화할 수 없다. 따라서 Signature는 토큰의 위변조 여부를 확인하는데 사용된다.

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JWT 인코딩 / 디코딩 해보기

직접 JWT 토큰을 생성해 연습해보고 싶다면, 아래 공식사이트에서 쉽게 JWT 토큰을 인코딩(생성) 하거나 디코딩 할수 있다.

JWT.IO

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JWT를 이용한 인증 과정

1. 사용자가 ID, PW를 입력하여 서버에 로그인 인증을 요청한다.
2. 서버에서 클라이언트로부터 인증 요청을 받으면, Header, PayLoad, Signature를 정의한다.
   Hedaer, PayLoad, Signature를 각각 Base64로 한 번 더 암호화하여 JWT를 생성하고 이를 쿠키에 담아 클라이언트에게 발급한다.
3. 클라이언트는 서버로부터 받은 JWT를 로컬 스토리지에 저장한다. (쿠키나 다른 곳에 저장할 수도 있음)
   API를 서버에 요청할때 Authorization header에 Access Token을 담아서 보낸다.
4. 서버가 할 일은 클라이언트가 Header에 담아서 보낸 JWT가 내 서버에서 발행한 토큰인지 일치 여부를 확인하여 일치한다면 인증을 통과시켜주고 아니라면 통과시키지 않으면 된다.
   인증이 통과되었으므로 페이로드에 들어있는 유저의 정보들을 select해서 클라이언트에 돌려준다.
5. 클라이언트가 서버에 요청을 했는데, 만일 액세스 토큰의 시간이 만료되면 클라이언트는 리프래시 토큰을 이용해서
6. 서버로부터 새로운 엑세스 토큰을 발급 받는다.

 

토큰 인증 신뢰성을 가지는 이유

유저 JWT: A(Header) + B(Payload) + C(Signature) 일 때 (만일 임의의 유저가 B를 수정했다고 하면 B'로 표시한다.)

1. 다른 유저가 B를 임의로 수정 -> 유저 JWT: A + B' + C
2. 수정한 토큰을 서버에 요청을 보내면 서버는 유효성 검사 시행
   • 유저 JWT: A + B' + C
   • 서버에서 검증 후 생성한 JWT: A + B' + C' => (signature) 불일치
3.  대조 결과가 일치하지 않아 유저의 정보가 임의로 조작되었음을 알 수 있다.

정리하자면, 서버는 토큰 안에 들어있는 정보가 무엇인지 아는게 중요한 것이 아니라 해당 토큰이 유효한 토큰인지 확인하는 것이 중요하기 때문에, 클라이언트로부터 받은 JWT의 헤더, 페이로드를 서버의 key값을 이용해 시그니처를 다시 만들고 이를 비교하며 일치했을 경우 인증을 통과시킨다.

💡 JWT은 서명(인증)이 목적이다.
JWT는 Base64로 암호화를 하기 때문에 디버거를 사용해서 인코딩된 JWT를 1초만에 복호화할 수 있다.
복호화 하면 사용자의 데이터를 담은 Payload 부분이 그대로 노출되어 버린다. 그래서 페이로드에는 비밀번호와 같은 민감한 정보는 넣지 말아야 한다.
그럼 토큰 인증 방식 자체가 빛 좋은 개살구라고 생각할수도 있지만, 토큰의 진짜 목적은 정보 보호가 아닌, 위조 방지이다.
바로 위에서 소개했듯이, 시그니처에 사용된 비밀키가 노출되지 않는이상 데이터를 위조해도 시그니처 부분에서 바로 걸러지기 때문이다.

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JWT 장단점 정리

 

JWT 장점

1. Header와 Payload를 가지고 Signature를 생성하므로 데이터 위변조를 막을 수 있다.
2. 인증 정보에 대한 별도의 저장소가 필요없다.
3. JWT는 토큰에 대한 기본 정보와 전달할 정보 및 토큰이 검증됬음을 증명하는 서명 등 필요한 모든 정보를 자체적으로 지니고 있다.
4. 클라이언트 인증 정보를 저장하는 세션과 다르게, 서버는 무상태(StateLess)가 되어 서버 확장성이 우수해질 수 있다.
5. 토큰 기반으로 다른 로그인 시스템에 접근 및 권한 공유가 가능하다. (쿠키와 차이)
6. OAuth의 경우 Facebook, Google 등 소셜 계정을 이용하여 다른 웹서비스에서도 로그인을 할 수 있다.
7. 모바일 어플리케이션 환경에서도 잘 동작한다. (모바일은 세션 사용 불가능)

서버에서 가장 피해야 할 것은 데이터베이스 조회이다.
서버 자체가 죽는 경우도 있지만, 대부분 DB가 터져서 서버도 같이 죽는 경우가 허다하기 때문이다.
이런 점에서, JWT 토큰은 DB조회를 안해도 되는 장점을 가지고 있다는 점이다.
만일 payload에 유저이름과 유저등급 을 같이 두고 보내면, 서버에서는 유저이름을 가지고 DB를 조회해서 유저 등급을 얻지않아도 바로 원하는 정보를 취할수 있다.

 

JWT 단점

1. Self-contained : 토큰 자체에 정보를 담고 있으므로 양날의 검이 될 수 있다.
2. 토큰 길이 : 토큰의 Payload에 3종류의 클레임을 저장하기 때문에, 정보가 많아질수록 토큰의 길이가 늘어나 네트워크에 부하를 줄 수 있다.
3. Payload 인코딩 : payload 자체는 암호화 된 것이 아니라 BASE64로 인코딩 된 것이기 때문에, 중간에 Payload를 탈취하여 디코딩하면 데이터를 볼 수 있으므로, payload에 중요 데이터를 넣지 않아야 한다.
4. Store Token : stateless 특징을 가지기 때문에, 토큰은 클라이언트 측에서 관리하고 저장한다. 때문에 토큰 자체를 탈취당하면 대처하기가 어렵게 된다.

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JWT의 Access Token / Refresh Token

다만 이 JWT도 제 3자에게 토큰 탈취의 위험성이 있기 때문에, 그대로 사용하는것이 아닌 Access Token, Refresh Token 으로 이중으로 나누어 인증을 하는 방식을 현업에선 취한다.

Access Token 과 Refresh Token은 둘다 똑같은 JWT이다. 다만 토큰이 어디에 저장되고 관리되느냐에 따른 사용 차이일 뿐이다.

• Access Token : 클라이언트가 갖고있는 실제로 유저의 정보가 담긴 토큰으로, 클라이언트에서 요청이 오면 서버에서 해당 토큰에 있는 정보를 활용하여 사용자 정보에 맞게 응답을 진행
• Refresh Token: 새로운 Access Token을 발급해주기 위해 사용하는 토큰으로 짧은 수명을 가지는 Access Token에게 새로운 토큰을 발급해주기 위해 사용. 해당 토큰은 보통 데이터베이스에 유저 정보와 같이 기록.

정리하자면, Access Token은 접근에 관여하는 토큰, Refresh Token은 재발급에 관여하는 토큰의 역할로 사용되는 JWT 이라고 말할 수 있다.

[WEB] 📚 Access Token & Refresh Token 원리 (feat. JWT)

위에서도 말했듯이 JWT 인증 방식을 만약 Access Token 만을 이용하면, Access Token은 발급된 이후 서버에 저장되지 않고 클라이언트에 저장되어 토큰 자체로 검증을 하며 사용자 권한 인증을 진행하기 때문에, Access Token이 탈취되면 토큰이 만료되기 전 까지, 토큰을 획득한 사람은 누구나 권한 접근이 가능해지는 문제점이 있었다.
그래서 토큰의 유효 시간을 부여하여 탈취 문제에 대해 대응을 하기도 하지만, 만일 유효 기간이 짧을 경우 그만큼 사용자는 로그인을 자주해야 하는 번거로움이 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 Refresh Token 이라는 추가적인 토큰을 활용하여 토큰을 이중 장막을 쳐서 보다 보안을 강화하는 식으로 보면 된다.

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# 참고자료

https://cbw1030.tistory.com/331

https://velopert.com/2350

https://pronist.dev/143