JWT 生成与验证：核心流程与签名算法

JWT（JSON Web Token）在压测场景中是最常见的认证载体。压测脚本需要模拟客户端生成合法 Token，服务端则需在每次请求中验证 Token 的有效性。理解 JWT 的签发流程、签名算法及验证过程，是构建高保真压测模型的基础。

2.1 JWT 签发流程

JWT 签发是服务端在用户认证成功后，将用户身份信息编码为 Token 并返回给客户端的过程。标准签发流程包含以下步骤：

1. 用户认证：客户端提交用户名/密码或第三方凭证，服务端验证通过后进入签发阶段。
2. 构建 Payload：服务端将用户 ID、角色、过期时间（exp）、签发时间（iat）等声明放入 JSON 对象。
3. 选择签名算法：根据安全策略选择 HMAC（对称）或 RSA/ECDSA（非对称）算法。
4. 生成 Header：包含算法类型（alg）和 Token 类型（typ），例如 {"alg":"HS256","typ":"JWT"}。
5. 签名计算：对 Base64Url 编码的 Header 和 Payload 进行签名，生成 Signature。
6. 拼接 Token：将三部分用点号（.）连接，形成最终 JWT 字符串。

2.2 HMAC 签名算法

HMAC（Hash-based Message Authentication Code）是对称签名算法，使用同一个密钥进行签名和验证。JWT 标准中常用的 HMAC 变体包括 HS256（SHA-256）、HS384（SHA-384）和 HS512（SHA-512）。

HMAC 签名计算过程如下：

// 伪代码：HMAC-SHA256 签名
String header = base64UrlEncode(JSON.stringify({"alg":"HS256","typ":"JWT"}));
String payload = base64UrlEncode(JSON.stringify({"sub":"1234567890","name":"John Doe","iat":1516239022}));
String signature = HMACSHA256(header + "." + payload, secretKey);
String jwt = header + "." + payload + "." + signature;

2.3 RSA/ECDSA 非对称签名

非对称签名使用私钥签发、公钥验证，解决了对称算法中密钥分发和管理的安全问题。JWT 支持 RSA 系列（RS256、RS384、RS512）和 ECDSA 系列（ES256、ES384、ES512）。

非对称签名的典型流程：

// 伪代码：RS256 签名与验证
// 签发端（使用私钥）
String signature = RSA_SHA256(header + "." + payload, privateKey);

// 验证端（使用公钥）
boolean isValid = RSA_VERIFY_SHA256(header + "." + payload, signature, publicKey);

2.4 JWT 验证过程

服务端收到 JWT 后，需按以下步骤验证其合法性：

1. 解析 Token：按点号（.）分割，提取 Header、Payload、Signature 三部分。
2. Base64Url 解码 Header：读取算法类型（alg），确认是否在服务端允许列表中。
3. 算法验证：根据 Header 中的 alg 字段选择对应的验证算法。禁止使用 none 算法。
4. 签名验证：使用密钥（对称）或公钥（非对称）重新计算签名，与 Token 中的 Signature 比对。
5. Payload 校验：检查 exp（过期时间）、nbf（不早于）、iss（签发者）、aud（受众）等声明。
6. 业务校验：验证用户 ID、角色等自定义声明是否有效。

2.5 压测场景中的 JWT 验证要点

• Token 过期处理：压测脚本需监控 Token 过期时间，在过期前重新签发或使用刷新 Token。
• 签名性能基线：记录服务端 JWT 验证的 P99 延迟，若超过 10ms 需考虑优化或升级算法。
• 密钥轮转测试：模拟密钥轮转场景，验证服务端能否正确处理新旧密钥的过渡期。
• 无效 Token 压测：构造签名错误、过期、算法篡改等无效 Token，验证服务端拒绝速度和错误处理能力。