微服務(wù)架構(gòu)中用戶認(rèn)證的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
我們直奔主題，什么是用戶認(rèn)證呢？對于大多數(shù)與用戶相關(guān)的操作，軟件系統(tǒng)首先要確認(rèn)用戶的身份，因此會(huì)提供一個(gè)用戶登錄功能。用戶輸入用戶名、密碼等信息，后臺(tái)系統(tǒng)對其進(jìn)行校驗(yàn)的操作就是用戶認(rèn)證。用戶認(rèn)證的形式有多種，最常見的有輸入用戶名密碼、手機(jī)驗(yàn)證碼、人臉識(shí)別、指紋識(shí)別等，但其目的都是為了確認(rèn)用戶的身份并與之提供服務(wù)。
用戶認(rèn)證
在傳統(tǒng)的單體單點(diǎn)應(yīng)用時(shí)代，我們會(huì)開發(fā)用戶認(rèn)證的服務(wù)類，從登錄界面提交的用戶名密碼等信息通過用戶認(rèn)證類進(jìn)行校驗(yàn)，然后獲取該用戶對象將其保存在 Tomcat 的 Session 中，如下所示：
單點(diǎn)應(yīng)用認(rèn)證方案
隨著系統(tǒng)流量的增高，單點(diǎn)應(yīng)用以無法支撐業(yè)務(wù)運(yùn)行，應(yīng)用出現(xiàn)高延遲、宕機(jī)等狀況，此時(shí)很多公司會(huì)將應(yīng)用改為 Nginx 軟負(fù)載集群，通過水平擴(kuò)展提高系統(tǒng)的性能，于是應(yīng)用架構(gòu)就變成了這個(gè)樣子。
Java Web 應(yīng)用集群
雖然改造后系統(tǒng)性能顯著提高，但你發(fā)現(xiàn)了么，因?yàn)橹坝脩舻卿浀臅?huì)話數(shù)據(jù)都保存在本地，當(dāng) Nginx 將請求轉(zhuǎn)發(fā)到其他節(jié)點(diǎn)后，因?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)沒有此會(huì)話數(shù)據(jù)，系統(tǒng)就會(huì)認(rèn)為沒有登錄過，請求的業(yè)務(wù)就會(huì)被拒絕。從使用者的角度會(huì)變成一刷新頁面后，系統(tǒng)就讓我重新登錄，這個(gè)使用體驗(yàn)非常糟糕。
我們來分析下，這個(gè)問題的根本原因在于利用 Session 本地保存用戶數(shù)據(jù)會(huì)讓 Java Web 應(yīng)用變成有狀態(tài)的，在集群環(huán)境下必須保證每一個(gè) Tomcat 節(jié)點(diǎn)的會(huì)話狀態(tài)一致的才不會(huì)出問題。因此基于 Redis 的分布式會(huì)話存儲(chǔ)方案應(yīng)運(yùn)而生，在原有架構(gòu)后端增加 Redis 服務(wù)器，將用戶會(huì)話統(tǒng)一轉(zhuǎn)存至 Redis 中，因?yàn)樵摃?huì)話數(shù)據(jù)是集中存儲(chǔ)的，所以不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)一致性的問題。
Redis 統(tǒng)一存儲(chǔ)用戶會(huì)話
但是，傳統(tǒng)方案在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下就會(huì)遇到瓶頸，Redis 充當(dāng)了會(huì)話數(shù)據(jù)源，這也意味著 Redis 承擔(dān)了所有的外部壓力，在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)以億計(jì)的龐大用戶群規(guī)模下，如果出現(xiàn)突發(fā)流量洪峰，Redis 能否經(jīng)受考驗(yàn)就會(huì)成為系統(tǒng)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)，稍有差池系統(tǒng)就會(huì)崩潰。
那如何解決呢？其實(shí)還有一種巧妙的設(shè)計(jì)，在用戶認(rèn)證成功，后用戶數(shù)據(jù)不再存儲(chǔ)在后端，而改為在客戶端存儲(chǔ)，客戶端每一次發(fā)送請求時(shí)附帶用戶數(shù)據(jù)到 Web 應(yīng)用端，Java 應(yīng)用讀取用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，因?yàn)橛脩魯?shù)據(jù)分散存儲(chǔ)在客戶端中，因此并不會(huì)對后端產(chǎn)生額外的負(fù)擔(dān)，此時(shí)認(rèn)證架構(gòu)會(huì)變成下面的情況。
客戶端存儲(chǔ)用戶信息
當(dāng)用戶認(rèn)證成功后，在客戶端的 Cookie、LocalStorage 會(huì)持有當(dāng)前用戶數(shù)據(jù)，在 Tomcat 接收到請求后便可獲取用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理。但細(xì)心的你肯定也發(fā)現(xiàn)，用戶的敏感數(shù)據(jù)是未經(jīng)過加密的，在存儲(chǔ)與傳輸過程中隨時(shí)都有泄密的風(fēng)險(xiǎn)，決不能使用明文，必須要對其進(jìn)行加密。
那如何進(jìn)行加密處理呢？當(dāng)然，你可以自己寫加解密類，但更通用的做法是使用 JWT 這種標(biāo)準(zhǔn)的加密方案進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸。
Json Web Token（JWT）介紹
無論是微服務(wù)架構(gòu)，還是前后端分離應(yīng)用，在客戶端存儲(chǔ)并加密數(shù)據(jù)時(shí)有一個(gè)通用的方案：Json Web Token（JWT），JWT是一個(gè)經(jīng)過加密的，包含用戶信息的且具有時(shí)效性的固定格式字符串。下面這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的JWT字符串。
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9.NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU這段加密字符串由三部分組成，中間由點(diǎn)“.”分隔，具體含義如下。
- 第一部分 標(biāo)頭（Header）：標(biāo)頭通常由兩部分組成：令牌的類型（即 JWT）和所使用的簽名算法，例如 HMAC SHA256 或 RSA，下面是標(biāo)頭的原文：
{
"alg": "HS256",
"typ": "JWT"
}然后，此 JSON 被 Base64 編碼以形成 JWT 的第一部分。
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9- 第二部分 載荷（Payload）：載荷就是實(shí)際的用戶數(shù)據(jù)以及其他自定義數(shù)據(jù)。載荷原文如下所示。
{
"sub": "1234567890",
"name": "John Doe",
"admin": true
}然后對原文進(jìn)行 Base64 編碼形成 JWT 的第二部分。
eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9- 第三部分 簽名（Sign）：簽名就是通過前面兩部分標(biāo)頭+載荷+私鑰再配合指定的算法，生成用于校驗(yàn) JWT 是否有效的特殊字符串，簽名的生成規(guī)則如下。
HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(payload), secret)生成的簽名字符串為：
NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU將以上三部分通過“.”連接在一起，就是 JWT 的標(biāo)準(zhǔn)格式了。
JWT 的創(chuàng)建與校驗(yàn)
此時(shí)，你肯定有疑問 JWT 是如何生成的，又是如何完成有效性校驗(yàn)?zāi)兀恳驗(yàn)?JWT 的格式與算法是固定的，在 Java 就有非常多的優(yōu)秀開源項(xiàng)目幫我們實(shí)現(xiàn)了JWT 的創(chuàng)建與驗(yàn)簽，其中最具代表性的產(chǎn)品就是 JJWT。JJWT 是一個(gè)提供端到端的 JWT 創(chuàng)建和驗(yàn)證的 Java 庫，它的官網(wǎng)是：https://github.com/jwtk/jjwt，有興趣的話你可以到官網(wǎng)閱讀它的源碼。
JJWT 的使用是非常簡單的，下面我們用代碼進(jìn)行說明，關(guān)鍵代碼我已做好注釋。
- 第一步，pom.xml 引入 JJWT 的 Maven 依賴。
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-api</artifactId>
<version>0.11.2</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-impl</artifactId>
<version>0.11.2</version>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-jackson</artifactId> <!-- or jjwt-gson if Gson is preferred -->
<version>0.11.2</version>
<scope>runtime</scope>
</dependency>- 第二步，編寫創(chuàng)建 JWT 的測試用例，模擬真實(shí)環(huán)境 UserID 為 123 號(hào)的用戶登錄后的 JWT 生成過程。
@SpringBootTest
public class JwtTestor {
/**
* 創(chuàng)建Token
*/
@Test
public void createJwt(){
//私鑰字符串
String key = "1234567890_1234567890_1234567890";
//1.對秘鑰做BASE64編碼
String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());
//2.生成秘鑰對象,會(huì)根據(jù)base64長度自動(dòng)選擇相應(yīng)的 HMAC 算法
SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());
//3.利用JJWT生成Token
String data = "{\"userId\":123}"; //載荷數(shù)據(jù)
String jwt = Jwts.builder().setSubject(data).signWith(secretKey).compact();
System.out.println(jwt);
}
}運(yùn)行結(jié)果產(chǎn)生 JWT 字符串如下：
eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw- 第三步，驗(yàn)簽代碼，從 JWT 中提取 123 號(hào)用戶數(shù)據(jù)。這里要保證 JWT 字符串、key 私鑰與生成時(shí)保持一致。否則就會(huì)拋出驗(yàn)簽失敗 JwtException。
/**
* 校驗(yàn)及提取JWT數(shù)據(jù)
*/
@Test
public void checkJwt(){
String jwt = "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw";
//私鑰
String key = "1234567890_1234567890_1234567890";
//1.對秘鑰做BASE64編碼
String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());
//2.生成秘鑰對象,會(huì)根據(jù)base64長度自動(dòng)選擇相應(yīng)的 HMAC 算法
SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());
//3.驗(yàn)證Token
try {
//生成JWT解析器
JwtParser parser = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(secretKey).build();
//解析JWT
Jws<Claims> claimsJws = parser.parseClaimsJws(jwt);
//得到載荷中的用戶數(shù)據(jù)
String subject = claimsJws.getBody().getSubject();
System.out.println(subject);
}catch (JwtException e){
//所有關(guān)于Jwt校驗(yàn)的異常都繼承自JwtException
System.out.println("Jwt校驗(yàn)失敗");
e.printStackTrace();
}
}運(yùn)行結(jié)果如下：
{"userId":123}以上便是 JWT 的生成與校驗(yàn)代碼，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在加解密過程中，服務(wù)器私鑰 key 是保障 JWT 安全的命脈。對于這個(gè)私鑰在生產(chǎn)環(huán)境它不能寫死在代碼中，而是加密后保存在 Nacos 配置中心統(tǒng)一存儲(chǔ)，同時(shí)定期更換私鑰以防止關(guān)鍵信息泄露。
講到這應(yīng)該你已掌握 JWT 的基本用法，但是在微服務(wù)架構(gòu)下又該如何設(shè)計(jì)用戶認(rèn)證體系呢？
基于網(wǎng)關(guān)的統(tǒng)一用戶認(rèn)證
關(guān)于網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一用戶認(rèn)證和鑒權(quán)可以看陳某之前的文章：實(shí)戰(zhàn)干貨！Spring Cloud Gateway 整合 OAuth2.0 實(shí)現(xiàn)分布式統(tǒng)一認(rèn)證授權(quán)！
下面我們結(jié)合場景講解 JWT 在微服務(wù)架構(gòu)下的認(rèn)證過程。這里我將介紹兩種方案：
- 服務(wù)端自主驗(yàn)簽方案；
- API 網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一驗(yàn)簽方案。
服務(wù)端自主驗(yàn)簽方案
首先咱們來看服務(wù)端驗(yàn)簽的架構(gòu)圖。
服務(wù)端自主驗(yàn)簽方案
首先梳理下執(zhí)行流程：
- 第一步，認(rèn)證中心微服務(wù)負(fù)責(zé)用戶認(rèn)證任務(wù)，在啟動(dòng)時(shí)從 Nacos 配置中心抽取 JWT 加密用私鑰；
- 第二步，用戶在登錄頁輸入用戶名密碼，客戶端向認(rèn)證中心服務(wù)發(fā)起認(rèn)證請求：
http://usercenter/login #認(rèn)證中心用戶認(rèn)證（登錄）地址- 第三步，認(rèn)證中心服務(wù)根據(jù)輸入在用戶數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行認(rèn)證校驗(yàn)，如果校驗(yàn)成功則返回認(rèn)證中心將生成用戶的JSON數(shù)據(jù)并創(chuàng)建對應(yīng)的 JWT 返回給客戶端，下面是認(rèn)證中心返回的數(shù)據(jù)樣本；
{
"code": "0",
"message": "success",
"data": {
"user": {
"userId": 1,
"username": "zhangsan",
},
"token": "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxLFwidXNlcm5hbWVcIjpcInpoYW5nc2FuXCIsXCJuYW1lXCI6XCLlvKDkuIlcIixcImdyYWRlXCI6XCJub3JtYWxcIn0ifQ.1HtfszarTxLrqPktDkzArTEc4ah5VO7QaOOJqmSeXEM"
}
}- 第四步，在收到上述 JSON 數(shù)據(jù)后，客戶端將其中 token 數(shù)據(jù)保存在 cookie 或者本地緩存中；
- 第五步，隨后客戶端向具體某個(gè)微服務(wù)發(fā)起新的請求，這個(gè) JWT 都會(huì)附加在請求頭或者 cookie 中發(fā)往 API 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)根據(jù)路由規(guī)則將請求與jwt數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至具體的微服務(wù)。中間過程網(wǎng)關(guān)不對 JWT 做任何處理；
- 第六步，微服務(wù)接收到請求后，發(fā)現(xiàn)請求附帶 JWT 數(shù)據(jù)，于是將 JWT 再次轉(zhuǎn)發(fā)給用戶認(rèn)證服務(wù)，此時(shí)用戶認(rèn)證服務(wù)對 JWT 進(jìn)行驗(yàn)簽，驗(yàn)簽成功提取其中用戶編號(hào)，查詢用戶認(rèn)證與授權(quán)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：
{
"code": "0",
"message": "success",
"data": {
"user": { #用戶詳細(xì)數(shù)據(jù)
"userId": 1,
"username": "zhangsan",
"name": "張三",
"grade": "normal"
"age": 18,
"idno" : 130.......,
...
},
"authorization":{ #權(quán)限數(shù)據(jù)
"role" : "admin",
"permissions" : [{"addUser","delUser","..."}]
}
}
}- 第七步，具體的微服務(wù)收到上述 JSON 后，對當(dāng)前執(zhí)行的操作進(jìn)行判斷，檢查是否擁有執(zhí)行權(quán)限，權(quán)限檢查通過執(zhí)行業(yè)務(wù)代碼，權(quán)限檢查失敗返回錯(cuò)誤響應(yīng)。
到此從登錄創(chuàng)建 JWT 到驗(yàn)簽后執(zhí)行業(yè)務(wù)代碼的完整流程已經(jīng)完成。
下面咱們來聊一聊第二種方案：
API 網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一驗(yàn)簽方案
API 網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一驗(yàn)簽方案
API 網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一驗(yàn)簽與服務(wù)端驗(yàn)簽最大的區(qū)別是在 API 網(wǎng)關(guān)層面就發(fā)起 JWT 的驗(yàn)簽請求，之后路由過程中附加的是從認(rèn)證中心返回的用戶與權(quán)限數(shù)據(jù)，其他的操作步驟與方案一是完全相同的。
在這你可能又會(huì)有疑惑，為什么要設(shè)計(jì)兩種不同的方案呢？其實(shí)這對應(yīng)了不同的應(yīng)用場景：
服務(wù)端驗(yàn)簽的時(shí)機(jī)是在業(yè)務(wù)代碼執(zhí)行前，控制的粒度更細(xì)。比如微服務(wù) A 提供了“商品查詢”與“創(chuàng)建訂單”兩個(gè)功能，前者不需要登錄用戶就可以使用，因此不需要向認(rèn)證中心額外發(fā)起驗(yàn)簽工作；而后者是登錄后的功能，因此必須驗(yàn)簽后才可執(zhí)行。因?yàn)榉?wù)端驗(yàn)簽是方法層面上的，所以可以精確控制方法是否驗(yàn)簽。但也有不足，正是因?yàn)轵?yàn)簽是在方法前執(zhí)行，所以需要在所有業(yè)務(wù)方法上聲明是否需要額外驗(yàn)簽，盡管這個(gè)工作可以通過 Spring AOP+注解的方式無侵入實(shí)現(xiàn)，但這也無疑需要程序員額外關(guān)注，分散了開發(fā)業(yè)務(wù)的精力。
相應(yīng)的，服務(wù)端驗(yàn)簽的缺點(diǎn)反而成為 API 網(wǎng)關(guān)驗(yàn)簽的優(yōu)勢。API 網(wǎng)關(guān)不關(guān)心后端的服務(wù)邏輯，只要請求附帶 JWT，就自動(dòng)向認(rèn)證中心進(jìn)行驗(yàn)簽。這種簡單粗暴的策略確實(shí)讓模塊耦合有所降低，處理起來也更簡單，但也帶來了性能問題，因?yàn)橹灰埱蟀?JWT 就會(huì)產(chǎn)生認(rèn)證中心的遠(yuǎn)程通信。如果前端工程師沒有對 JWT 進(jìn)行精確控制，很可能帶來大量多余的認(rèn)證操作，系統(tǒng)性能肯定會(huì)受到影響。
那在項(xiàng)目中到底如何選擇呢？服務(wù)端驗(yàn)簽控制力度更細(xì)，適合應(yīng)用在低延遲、高并發(fā)的應(yīng)用，例如導(dǎo)航、實(shí)時(shí)交易系統(tǒng)、軍事應(yīng)用。而 API 統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)則更適合用在傳統(tǒng)的企業(yè)應(yīng)用，可以讓程序員專心開發(fā)業(yè)務(wù)邏輯，同時(shí)程序也更容易維護(hù)。
全新的挑戰(zhàn)
雖然 JWT 看似很美，在實(shí)施落地過程中也會(huì)遇到一些特有的問題，例如：
JWT 生成后失效期是固定的，很多業(yè)務(wù)中需要客戶端在不改變 JWT 的前提下，實(shí)現(xiàn) JWT 的“續(xù)簽”功能，但這單靠 JWT 自身特性是無法做到的，因?yàn)?JWT 的設(shè)計(jì)本身就不允許生成完全相同的字符串。為了解決這個(gè)問題，很多項(xiàng)目在生成的 JWT 設(shè)為“永久生效”，架構(gòu)師利用 Redis 的 Expire 過期特性在后端控制 JWT 的時(shí)效性。這么做雖然讓 JWT 本身變得有狀態(tài)，但這可能也是在各種權(quán)衡后的“最優(yōu)解”。類似的，例如：強(qiáng)制 JWT 立即失效、動(dòng)態(tài) JWT 有效期都可以使用這個(gè)辦法解決。
某個(gè) JWT 在 3600 秒后過期
對于上面兩種認(rèn)證方案，還有優(yōu)化的空間，比如在服務(wù)A第一次對某個(gè) JWT 進(jìn)行驗(yàn)簽后獲取用戶與權(quán)限數(shù)據(jù)，那在 JWT 的有效期內(nèi)便可將數(shù)據(jù)在本地內(nèi)存或者 Redis 中進(jìn)行緩存，這樣下一次同樣的 JWT 訪問時(shí)直接從緩存中提取即可，可以節(jié)省大量服務(wù)間通信時(shí)間。但引入緩存后你也要時(shí)刻關(guān)注緩存與用戶數(shù)據(jù)的一致性問題，是要性能還是要數(shù)據(jù)可靠，這又是一個(gè)架構(gòu)師需要面對的抉擇。
小結(jié)
今天主要涉及三方面內(nèi)容，首先咱們回顧了基于 Session 的有狀態(tài)用戶認(rèn)證解決方案，其次介紹了 JWT 與 JJWT 的使用，最后講解了利用 JWT 實(shí)現(xiàn)微服務(wù)架構(gòu)認(rèn)證的兩種方案，對產(chǎn)生的新問題也進(jìn)行了梳理。
