JWT 签名算法 HS256、RS256 及 ES256 及密钥生成
於清樂
签名算法
介绍具体的 JWT 签名算法前，先解释一下签名、摘要/指纹、加密这几个名词的含义：
- 数字签名(Digital Signature): 就和我们日常办理各种手续时需要在文件上签上你自己的名字一样，数字签名的主要用途也是用于身份认证。
- 更准确的讲，数字签名可保证数据的三个特性：真实性（未被伪造）、完整性（不存在缺失）、不可否认性（确实是由你本人认可并签名）
- 数字摘要(digest)/数字指纹(fingerprint): 指的是数据的 Hash 值。
- 加密算法：这个应该不需要解释，就是对数据进行加密。。
数字签名的具体实现，通常是先对数据进行一次 Hash 摘要(SHA1/SHA256/SHA512 等)，然后再使用非对称加密算法(RSA/ECDSA 等)的私钥对这个摘要进行加密，这样得到的结果就是原始数据的一个签名。
用户在验证数据时，只需要使用公钥解密出 Hash 摘要，然后自己再对数据进行一次同样的摘要，对比两个摘要是否相同即可。
注意：签名算法是使用私钥加密，确保得到的签名无法被伪造，同时所有人都可以使用公钥解密来验证签名。这和正常的数据加密算法是相反的。（非对称加密算法支持使用密钥对的任何一个加密数据，再用另一个密钥解密）
因为数字签名多了非对称加密这一步，就能保证只有拥有私钥的人才能生成出正确的数字签名，达到了防止伪造签名的目的。而数字摘要（Hash）则谁都可以计算出来，通常由可信方公布数据的 Hash 值，用户下载数据后，可通过 Hash 值对比来判断数据是否损坏，或者被人调包。
重点在于，Hash 摘要必须由可信方公布出来，否则不能保证安全性。而数字签名可以随数据一起提供，不需要担心被伪造。
JWT 是签名和数据一起提供的，因此必须使用签名才能保证安全性。
P.S. 在 Android/IOS 开发中，经常会遇到各类 API 或者 APP 商店要求提供 APP 的签名，还指明需要的是 MD5/SHA1 值。这个地方需要填的 MD5/SHA1 值，实际上只是你「签名证书(=公钥+证书拥有者信息)」的「数字指纹/摘要」，和 JWT 的签名不是一回事。
前言
JWT 规范的详细说明请见「参考」部分的链接。这里主要说明一下 JWT 最常见的几种签名算法 (JWA)：HS256(HMAC-SHA256) 、RS256(RSA-SHA256) 还有 ES256(ECDSA-SHA256)。
这三种算法都是一种消息签名算法，得到的都只是一段无法还原的签名。区别在于消息签名与签名验证需要的 「key」不同。
- HS256 使用同一个「secret_key」进行签名与验证（对称加密）。一旦 secret_key 泄漏，就毫无安全性可言了。
- 因此 HS256 只适合集中式认证，签名和验证都必须由可信方进行。
- 传统的单体应用广泛使用这种算法，但是请不要在任何分布式的架构中使用它！
- RS256 是使用 RSA 私钥进行签名，使用 RSA 公钥进行验证。公钥即使泄漏也毫无影响，只要确保私钥安全就行。
- RS256 可以将验证委托给其他应用，只要将公钥给他们就行。
- ES256 和 RS256 一样，都使用私钥签名，公钥验证。算法速度上差距也不大，但是它的签名长度相对短很多（省流量），并且算法强度和 RS256 差不多。
对于单体应用而言，HS256 和 RS256 的安全性没有多大差别。而对于需要进行多方验证的微服务架构而言，显然只有 RS256/ES256 才能提供足够的安全性。在使用 RS256 时，只有「身份认证的微服务 (auth)」需要用 RSA 私钥生成 JWT，其他微服务使用公开的公钥即可进行签名验证，私钥得到了更好的保护。
更进一步，「JWT 生成」和「JWT 公钥分发」都可以直接委托给第三方的通用工具，比如hydra。甚至「JWT 验证」也可以委托给「API 网关」来处理，应用自身可以把认证鉴权完全委托给外部的平台，而应用自身只需要专注于业务。这也是目前的发展趋势。
RFC 7518 - JSON Web Algorithms (JWA) 中给出的 JWT 算法列表如下：
+--------------+-------------------------------+--------------------+
| "alg" Param | Digital Signature or MAC | Implementation |
| Value | Algorithm | Requirements |
+--------------+-------------------------------+--------------------+
| HS256 | HMAC using SHA-256 | Required |
| HS384 | HMAC using SHA-384 | Optional |
| HS512 | HMAC using SHA-512 | Optional |
| RS256 | RSASSA-PKCS1-v1_5 using | Recommended |
| | SHA-256 | |
| RS384 | RSASSA-PKCS1-v1_5 using | Optional |
| | SHA-384 | |
| RS512 | RSASSA-PKCS1-v1_5 using | Optional |
| | SHA-512 | |
| ES256 | ECDSA using P-256 and SHA-256 | Recommended+ |
| ES384 | ECDSA using P-384 and SHA-384 | Optional |
| ES512 | ECDSA using P-521 and SHA-512 | Optional |
| PS256 | RSASSA-PSS using SHA-256 and | Optional |
| | MGF1 with SHA-256 | |
| PS384 | RSASSA-PSS using SHA-384 and | Optional |
| | MGF1 with SHA-384 | |
| PS512 | RSASSA-PSS using SHA-512 and | Optional |
| | MGF1 with SHA-512 | |
| none | No digital signature or MAC | Optional |
| | performed | |
+--------------+-------------------------------+--------------------+
The use of "+" in the Implementation Requirements column indicates
that the requirement strength is likely to be increased in a future
version of the specification.
目前应该所有 jwt 相关的库都支持 HS256/RS256/ES256 这三种算法。
ES256 使用 ECDSA 进行签名，它的安全性和运算速度目前和 RS256 差距不大，但是拥有更短的签名长度。对于需要频繁发送的 JWT 而言，更短的长度长期下来可以节约大量流量。
因此更推荐使用 ES256 算法。
使用 OpenSSL 生成 RSA/ECC 公私钥
RS256 使用 RSA 算法进行签名，可通过如下命令生成 RSA 密钥：
# 1. 生成 2048 位（不是 256 位）的 RSA 密钥
openssl genrsa -out rsa-private-key.pem 2048
# 2. 通过密钥生成公钥
openssl rsa -in rsa-private-key.pem -pubout -out rsa-public-key.pemES256 使用 ECDSA 算法进行签名，该算法使用 ECC 密钥，生成命令如下：
# 1. 生成 ec 算法的私钥，使用 prime256v1 曲线（NIST P-256 标准），密钥长度 256 位。（强度大于 2048 位的 RSA 密钥）
openssl ecparam -genkey -name prime256v1 -out ecc-private-key.pem
# 2. 通过密钥生成公钥
openssl ec -in ecc-private-key.pem -pubout -out ecc-public-key.pem密钥的使用应该就不需要介绍了，各类语言都有对应 JWT 库处理这些，请自行查看文档。
如果是调试/学习 JWT，需要手动签名与验证的话，推荐使用jwt 工具网站 - jwt.io
