2. JWT 生成原理：Header 与 Payload 的 Base64Url 编码、Signature 的 HMAC/RSA/ECDSA 算法原理

JWT（JSON Web Token）的结构由三个独立的部分组成，通过点号（.）连接：Header、Payload、Signature。理解每一部分的生成原理，是排查令牌过期、签名校验失败等安全合规错误的基础。

2.1 JWT 三段式结构总览

一个完整的 JWT 字符串形如：

eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.
eyJzdWIiOiIxMjM0NTY3ODkwIiwibmFtZSI6IkpvaG4gRG9lIiwiaWF0IjoxNTE2MjM5MDIyfQ.
SflKxwRJSMeKKF2QT4fwpMeJf36POk6yJV_adQssw5c

下表展示了三段结构的名称、编码方式与核心作用：

2.2 Header 与 Payload 的 Base64Url 编码

Base64Url 编码是标准 Base64 的变体，专为 URL 安全场景设计。JWT 的 Header 和 Payload 在签名前必须经过此编码。

2.2.1 编码差异对比

2.2.2 Header 生成步骤

1. 构造 JSON 对象：必须包含 alg（算法）和 typ（类型，固定为 "JWT"）。
2. 序列化为 JSON 字符串：紧凑格式，无多余空格。
3. Base64Url 编码：将 JSON 字节流编码，去除尾部 =，替换 + 为 -，/ 为 _。

// 示例：Header JSON
{"alg":"HS256","typ":"JWT"}
// Base64Url 编码后
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

2.2.3 Payload 生成步骤

1. 构造 Claims 集合：包含注册声明（iss、sub、exp、iat 等）、公共声明、私有声明。
2. 序列化为 JSON 字符串：注意 exp（过期时间）为 Unix 时间戳。
3. Base64Url 编码：与 Header 相同的编码规则。

2.3 Signature 的算法原理

签名是 JWT 防篡改的核心。根据 Header 中 alg 字段的声明，签名算法分为三类：HMAC（对称）、RSA（非对称）、ECDSA（椭圆曲线非对称）。

2.3.1 签名生成通用公式

Signature = Algorithm(
  base64UrlEncode(Header) + "." + base64UrlEncode(Payload),
  secretOrPrivateKey
)

签名输入是前两段编码后的字符串（含中间点号），加上密钥。输出为二进制签名数据，再经过 Base64Url 编码得到第三段。

2.3.2 三种算法对比

2.3.3 HMAC 算法详解（以 HS256 为例）

HMAC-SHA256 使用一个对称密钥对消息进行哈希运算，生成固定长度的摘要。

// 伪代码示例
signature = HMAC-SHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),
  secretKey
)
// 输出二进制，再 Base64Url 编码得到第三段

• 密钥要求：至少与哈希输出长度相同（HS256 建议 256 位/32 字节）。
• 安全风险：密钥泄露则所有令牌可被伪造。必须通过环境变量或密钥管理服务（KMS）保管。

2.3.4 RSA 算法详解（以 RS256 为例）

RSA 使用私钥签名，公钥验证。签名过程涉及对消息哈希的加密操作。

// 伪代码示例
signature = RSA-SHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),
  privateKey
)
// 验证方使用公钥解密签名，比对哈希值

• 密钥对生成：推荐 2048 位或以上。
• 优势：公钥可安全分发给任意客户端或第三方服务，私钥仅存于签发服务。
• 性能：签名操作比 HMAC 慢 10-100 倍，验证相对较快。

2.3.5 ECDSA 算法详解（以 ES256 为例）

ECDSA 基于椭圆曲线密码学，使用 P-256 曲线（secp256r1）。

// 伪代码示例
signature = ECDSA-SHA256(
  base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload),
  privateKey
)
// 输出为 R + S 两个大整数的 DER 编码或原始连接格式

• 密钥长度：P-256 私钥仅 32 字节，公钥 64 字节（未压缩）。
• 优势：同等安全强度下，密钥更短、计算更快，适合资源受限环境。
• 注意：不同库对 ECDSA 签名的编码格式（DER vs. raw R||S）可能不同，需保持兼容。

2.4 常见故障排查要点

2.5 完整生成示例（HS256）

// 1. Header
{"alg":"HS256","typ":"JWT"}
// Base64Url: eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9

// 2. Payload
{"sub":"user123","exp":1710000000,"iat":1709996400}
// Base64Url: eyJzdWIiOiJ1c2VyMTIzIiwiZXhwIjoxNzEwMDAwMDAwLCJpYXQiOjE3MDk5OTY0MDB9

// 3. 签名输入
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiJ1c2VyMTIzIiwiZXhwIjoxNzEwMDAwMDAwLCJpYXQiOjE3MDk5OTY0MDB9

// 4. 使用密钥 "mySecretKey123!" 进行 HMAC-SHA256
// 签名二进制 -> Base64Url
// 得到第三段: dGhpcyBpcyBhIHRlc3Qgc2lnbmF0dXJl

// 5. 完整 JWT
eyJhbGciOiJIUzI1NiIsInR5cCI6IkpXVCJ9.eyJzdWIiOiJ1c2VyMTIzIiwiZXhwIjoxNzEwMDAwMDAwLCJpYXQiOjE3MDk5OTY0MDB9.dGhpcyBpcyBhIHRlc3Qgc2lnbmF0dXJl