微服務架構中用戶認證的設計與實現

傳統的用戶認證方案

我們直奔主題，什麼是用戶認證呢？對於大多數與用戶相關的操作，軟件系統首先要確認用戶的身份，因此會提供一個用戶登錄功能。用戶輸入用戶名、密碼等信息，後臺系統對其進行校驗的操作就是用戶認證。用戶認證的形式有多種，最常見的有輸入用戶名密碼、手機驗證碼、人臉識別、指紋識別等，但其目的都是爲了確認用戶的身份並與之提供服務。

用戶認證

在傳統的單體單點應用時代，我們會開發用戶認證的服務類，從登錄界面提交的用戶名密碼等信息通過用戶認證類進行校驗，然後獲取該用戶對象將其保存在 Tomcat 的 Session 中，如下所示：

單點應用認證方案

隨着系統流量的增高，單點應用以無法支撐業務運行，應用出現高延遲、宕機等狀況，此時很多公司會將應用改爲 Nginx 軟負載集羣，通過水平擴展提高系統的性能，於是應用架構就變成了這個樣子。

Java Web 應用集羣

雖然改造後系統性能顯著提高，但你發現了麼，因爲之前用戶登錄的會話數據都保存在本地，當 Nginx 將請求轉發到其他節點後，因爲其他節點沒有此會話數據，系統就會認爲沒有登錄過，請求的業務就會被拒絕。從使用者的角度會變成一刷新頁面後，系統就讓我重新登錄，這個使用體驗非常糟糕。

我們來分析下，這個問題的根本原因在於利用 Session 本地保存用戶數據會讓 Java Web 應用變成有狀態的，在集羣環境下必須保證每一個 Tomcat 節點的會話狀態一致的纔不會出問題。因此基於 Redis 的分佈式會話存儲方案應運而生，在原有架構後端增加 Redis 服務器，將用戶會話統一轉存至 Redis 中，因爲該會話數據是集中存儲的，所以不會出現數據一致性的問題。

Redis 統一存儲用戶會話

但是，傳統方案在互聯網環境下就會遇到瓶頸，Redis 充當了會話數據源，這也意味着 Redis 承擔了所有的外部壓力，在互聯網數以億計的龐大用戶羣規模下，如果出現突發流量洪峯，Redis 能否經受考驗就會成爲系統的關鍵風險，稍有差池系統就會崩潰。

那如何解決呢？其實還有一種巧妙的設計，在用戶認證成功，後用戶數據不再存儲在後端，而改爲在客戶端存儲，客戶端每一次發送請求時附帶用戶數據到 Web 應用端，Java 應用讀取用戶數據進行業務處理，因爲用戶數據分散存儲在客戶端中，因此並不會對後端產生額外的負擔，此時認證架構會變成下面的情況。

客戶端存儲用戶信息

當用戶認證成功後，在客戶端的 Cookie、LocalStorage 會持有當前用戶數據，在 Tomcat 接收到請求後便可獲取用戶數據進行業務處理。但細心的你肯定也發現，用戶的敏感數據是未經過加密的，在存儲與傳輸過程中隨時都有泄密的風險，決不能使用明文，必須要對其進行加密。

那如何進行加密處理呢？當然，你可以自己寫加解密類，但更通用的做法是使用 JWT 這種標準的加密方案進行數據存儲與傳輸。

Json Web Token（JWT）介紹

無論是微服務架構，還是前後端分離應用，在客戶端存儲並加密數據時有一個通用的方案：Json Web Token（JWT），JWT 是一個經過加密的，包含用戶信息的且具有時效性的固定格式字符串。下面這是一個標準的 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 “.” 分隔，具體含義如下。

{  
  "alg": "HS256",  
  "typ": "JWT"  
}

然後，此 JSON 被 Base64 編碼以形成 JWT 的第一部分。

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9
{  
  "sub": "1234567890",  
  "name": "John Doe",  
  "admin": true  
}

然後對原文進行 Base64 編碼形成 JWT 的第二部分。

eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9
HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." +  base64UrlEncode(payload),  secret)

生成的簽名字符串爲：

NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU

將以上三部分通過 “.” 連接在一起，就是 JWT 的標準格式了。

JWT 的創建與校驗

此時，你肯定有疑問 JWT 是如何生成的，又是如何完成有效性校驗呢？因爲 JWT 的格式與算法是固定的，在 Java 就有非常多的優秀開源項目幫我們實現了 JWT 的創建與驗籤，其中最具代表性的產品就是 JJWT。JJWT 是一個提供端到端的 JWT 創建和驗證的 Java 庫，它的官網是：https://github.com/jwtk/jjwt，有興趣的話你可以到官網閱讀它的源碼。

JJWT 的使用是非常簡單的，下面我們用代碼進行說明，關鍵代碼我已做好註釋。

<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>
@SpringBootTest  
public class JwtTestor {  
    /**  
     * 創建Token  
     */  
    @Test  
    public void createJwt(){  
        //私鑰字符串  
        String key = "1234567890_1234567890_1234567890";  
        //1.對祕鑰做BASE64編碼  
        String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());  
        //2.生成祕鑰對象,會根據base64長度自動選擇相應的 HMAC 算法  
        SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());  
        //3.利用JJWT生成Token  
        String data = "{\"userId\":123}"; //載荷數據  
        String jwt = Jwts.builder().setSubject(data).signWith(secretKey).compact();  
        System.out.println(jwt);  
    }  
}

運行結果產生 JWT 字符串如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw
/**  
 * 校驗及提取JWT數據  
 */  
@Test  
public void checkJwt(){  
    String jwt = "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw";  
    //私鑰  
    String key = "1234567890_1234567890_1234567890";  
    //1.對祕鑰做BASE64編碼  
    String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());  
    //2.生成祕鑰對象,會根據base64長度自動選擇相應的 HMAC 算法  
    SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());  
    //3.驗證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據  
        String subject = claimsJws.getBody().getSubject();  
        System.out.println(subject);  
    }catch (JwtException e){  
        //所有關於Jwt校驗的異常都繼承自JwtException  
        System.out.println("Jwt校驗失敗");  
        e.printStackTrace();  
    }  
}

運行結果如下：

{"userId":123}

以上便是 JWT 的生成與校驗代碼，你會發現在加解密過程中，服務器私鑰 key 是保障 JWT 安全的命脈。對於這個私鑰在生產環境它不能寫死在代碼中，而是加密後保存在 Nacos 配置中心統一存儲，同時定期更換私鑰以防止關鍵信息泄露。

講到這應該你已掌握 JWT 的基本用法，但是在微服務架構下又該如何設計用戶認證體系呢？

基於網關的統一用戶認證

關於網關統一用戶認證和鑑權可以看陳某之前的文章：實戰乾貨！Spring Cloud Gateway 整合 OAuth2.0 實現分佈式統一認證授權！

下面我們結合場景講解 JWT 在微服務架構下的認證過程。這裏我將介紹兩種方案：

服務端自主驗籤方案

首先咱們來看服務端驗籤的架構圖。

服務端自主驗籤方案

首先梳理下執行流程：

http://usercenter/login #認證中心用戶認證（登錄）地址
{  
    "code": "0",  
    "message": "success",  
    "data": {  
        "user": {  
            "userId": 1,  
            "username": "zhangsan",  
        },  
        "token": "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxLFwidXNlcm5hbWVcIjpcInpoYW5nc2FuXCIsXCJuYW1lXCI6XCLlvKDkuIlcIixcImdyYWRlXCI6XCJub3JtYWxcIn0ifQ.1HtfszarTxLrqPktDkzArTEc4ah5VO7QaOOJqmSeXEM"  
    }  
}
{  
    "code": "0",  
    "message": "success",  
    "data": {  
        "user": { #用戶詳細數據  
            "userId": 1,  
            "username": "zhangsan",  
            "name": "張三",  
            "grade": "normal"  
            "age": 18,  
            "idno" : 130.......,  
            ...  
        },  
        "authorization":{ #權限數據  
            "role" : "admin",  
            "permissions" : [{"addUser","delUser","..."}]  
        }  
    }  
}

到此從登錄創建 JWT 到驗籤後執行業務代碼的完整流程已經完成。

下面咱們來聊一聊第二種方案：

API 網關統一驗籤方案

API 網關統一驗籤方案

API 網關統一驗籤與服務端驗籤最大的區別是在 API 網關層面就發起 JWT 的驗籤請求，之後路由過程中附加的是從認證中心返回的用戶與權限數據，其他的操作步驟與方案一是完全相同的。

在這你可能又會有疑惑，爲什麼要設計兩種不同的方案呢？其實這對應了不同的應用場景：

服務端驗籤的時機是在業務代碼執行前，控制的粒度更細。比如微服務 A 提供了 “商品查詢” 與“創建訂單”兩個功能，前者不需要登錄用戶就可以使用，因此不需要向認證中心額外發起驗籤工作；而後者是登錄後的功能，因此必須驗籤後纔可執行。因爲服務端驗籤是方法層面上的，所以可以精確控制方法是否驗籤。但也有不足，正是因爲驗籤是在方法前執行，所以需要在所有業務方法上聲明是否需要額外驗籤，儘管這個工作可以通過 Spring AOP + 註解的方式無侵入實現，但這也無疑需要程序員額外關注，分散了開發業務的精力。

相應的，服務端驗籤的缺點反而成爲 API 網關驗籤的優勢。API 網關不關心後端的服務邏輯，只要請求附帶 JWT，就自動向認證中心進行驗籤。這種簡單粗暴的策略確實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，因爲只要請求包含 JWT 就會產生認證中心的遠程通信。如果前端工程師沒有對 JWT 進行精確控制，很可能帶來大量多餘的認證操作，系統性能肯定會受到影響。

那在項目中到底如何選擇呢？服務端驗籤控制力度更細，適合應用在低延遲、高併發的應用，例如導航、實時交易系統、軍事應用。而 API 統一網關則更適合用在傳統的企業應用，可以讓程序員專心開發業務邏輯，同時程序也更容易維護。

全新的挑戰

雖然 JWT 看似很美，在實施落地過程中也會遇到一些特有的問題，例如：

JWT 生成後失效期是固定的，很多業務中需要客戶端在不改變 JWT 的前提下，實現 JWT 的 “續簽” 功能，但這單靠 JWT 自身特性是無法做到的，因爲 JWT 的設計本身就不允許生成完全相同的字符串。爲了解決這個問題，很多項目在生成的 JWT 設爲“永久生效”，架構師利用 Redis 的 Expire 過期特性在後端控制 JWT 的時效性。這麼做雖然讓 JWT 本身變得有狀態，但這可能也是在各種權衡後的“最優解”。類似的，例如：強制 JWT 立即失效、動態 JWT 有效期都可以使用這個辦法解決。

某個 JWT 在 3600 秒後過期

對於上面兩種認證方案，還有優化的空間，比如在服務 A 第一次對某個 JWT 進行驗籤後獲取用戶與權限數據，那在 JWT 的有效期內便可將數據在本地內存或者 Redis 中進行緩存，這樣下一次同樣的 JWT 訪問時直接從緩存中提取即可，可以節省大量服務間通信時間。但引入緩存後你也要時刻關注緩存與用戶數據的一致性問題，是要性能還是要數據可靠，這又是一個架構師需要面對的抉擇。

小結

今天主要涉及三方面內容，首先咱們回顧了基於 Session 的有狀態用戶認證解決方案，其次介紹了 JWT 與 JJWT 的使用，最後講解了利用 JWT 實現微服務架構認證的兩種方案，對產生的新問題也進行了梳理。

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來源：https://mp.weixin.qq.com/s/UFzDxqWBTZmeVvrc2Mzqpw

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