JWT与RSA非对称加密的原理及其在微服务中的应用

目前我们创建了若干个微服务，假如我们在用户中心做了登陆，接下来要去商品详情页添加商品，此时就要跳转到购物车微服务，但是购物车微服务和用户微服务不是同一台tomcat，之前判断登录状态是通过tomcat session ，通过保存用户信息到tomcat session 中，那现在我们有两台不同的tomcat，所以现在跳转之后没有登录状态了，这显然是不合理的，因为用户信息无法共享，所以之前所学的登录在分布式系统中是没法使用的，那我们就来解决这个问题——无状态登陆。

1 有状态登录

有状态服务，即服务端需要记录每次会话的客户端信息，从而识别客户端身份，根据用户身份进行请求的处理，典型的设计如tomcat中的session。

例如登录：用户登录后，我们把登录者的信息保存在服务端session中，并且给用户一个cookie值，记录对应的session。然后下次请求，用户携带cookie值来，我们就能识别到对应session，从而找到用户的信息。

缺点是什么？

• 服务端保存大量数据，增加服务端压力
• 服务端保存用户状态，无法进行水平扩展
• 客户端请求依赖服务端，多次请求必须访问同一台服务器

2 无状态登陆

微服务集群中的每个服务，对外提供的都是Rest风格的接口。而Rest风格的一个最重要的规范就是：服务的无状态性，即：

• 服务端不保存任何客户端请求者信息
• 客户端的每次请求必须具备自描述信息，通过这些信息识别客户端身份（并不是用户说自己是谁就是谁，自描述信息会在服务端生成）

带来的好处是什么呢？

• 客户端请求不依赖服务端的信息，任何多次请求不需要必须访问到同一台服务
• 服务端的集群和状态对客户端透明
• 服务端可以任意的迁移和伸缩
• 减小服务端存储压力

3 如何实现无状态

无状态登录的流程：

• 当客户端第一次请求服务时，服务端对用户进行信息认证（登录）
• 认证通过，将用户信息进行加密形成token，返回给客户端，作为登录凭证
• 以后每次请求，客户端都携带认证的token
• 服务的对token进行解密，判断是否有效。

流程图：

整个登录过程中，最关键的点是什么？

token的安全性

token是识别客户端身份的唯一标示，如果加密不够严密，被人伪造那就完蛋了。

采用何种方式加密才是安全可靠的呢？

我们将采用JWT + RSA非对称加密

4 JWT

JWT，全称是Json Web Token， 是JSON风格轻量级的授权和身份认证规范（规定和规范了加密的规范但没有实现，因此和语言无关），可实现无状态、分布式的Web应用授权；

• 官网：https://jwt.io；
• GitHub上jwt的java客户端：https://github.com/jwtk/jjwt

4.1 数据格式

JWT包含三部分数据：

• Header：头部，通常头部有两部分信息：

  • 声明类型，这里是JWT
  • 加密算法，自定义

  我们会对头部进行base64加密（可解密），得到第一部分数据

• Payload：载荷，就是有效数据，一般包含下面信息：

  • 用户身份信息（注意，这里因为采用base64加密，可解密，因此不要存放敏感信息）
  • 注册声明：如token的签发时间，过期时间，签发人等

  这部分也会采用base64加密，得到第二部分数据

• Signature：签名，是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据，再加上服务的的密钥（secret）（不要泄漏，最好周期性更换），通过加密算法生成。用于验证整个数据完整和可靠性

生成的数据格式：

4.2 JWT交互流程

流程图：

步骤翻译：

• 1、用户登录
• 2、服务的认证，通过后根据secret生成token
• 3、将生成的token返回给用户
• 4、用户每次请求携带token
• 5、服务端利用公钥解读jwt签名，判断签名有效后，从Payload中获取用户信息
• 6、处理请求，返回响应结果

因为JWT签发的token中已经包含了用户的身份信息，并且每次请求都会携带，这样服务端就无需保存用户信息，甚至无需去数据库查询，完全符合了Rest的无状态规范。

5 RSA加密

5.1 加密技术

加密技术是对信息进行编码和解码的技术，编码是把原来可读信息（又称明文）译成代码形式（又称密文），其逆过程就是解码（解密），加密技术的要点是加密算法，加密算法可以分为三类：

• 对称加密，如AES
  • 基本原理：将明文分成N个组，然后使用密钥对各个组进行加密，形成各自的密文，最后把所有的分组密文进行合并，形成最终的密文。
  • 优势：算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
  • 缺陷：双方都使用同样密钥，安全性得不到保证
• 非对称加密，如RSA
  • 基本原理：同时生成两把密钥：私钥和公钥，私钥隐秘保存，公钥可以下发给信任客户端
    • 私钥加密，持有私钥或公钥才可以解密
    • 公钥加密，持有私钥才可解密
  • 优点：安全，难以破解
  • 缺点：算法比较耗时
• 不可逆加密，如MD5，SHA
  • 基本原理：加密过程中不需要使用密钥，输入明文后由系统直接经过加密算法处理成密文，这种加密后的数据是无法被解密的，无法根据密文推算出明文。

那光有JWT不就够了吗？为什么还要RSA算法，JWT也不是非要结合RSA算法，MD5加密理论上也是可以的，那为什么非要学习RSA加密？

如果我们没有RSA加密，只有JWT和MD5（首先MD5是不可逆加密，只能加密无法解密，而RSA可以加密也可以解密）那么我们做登录是什么样子的？

5.1没有RSA加密时

在微服务架构中，我们可以把服务的鉴权操作放到网关中，将未通过鉴权的请求直接拦截，如图：

注：我们把Zuul加进来，因为Zuul是整个后台微服务的入口，所有的请求都要先经过Zuul才能到达特定的微服务，所以我们关于鉴权的流程没有必要放在每一个微服务做一次，这就太复杂了，我们放在入口Zuul的位置，只需要做一次。

• 1、用户请求登录
• 2、Zuul将请求转发到授权中心，请求授权
• 3、授权中心校验完成，颁发JWT凭证
• 4、客户端请求其它功能，携带JWT
• 5、Zuul将JWT交给授权中心校验，通过后放行
• 6、用户请求到达微服务
• 7、微服务将JWT交给鉴权中心，鉴权同时解析用户信息
• 8、鉴权中心返回用户数据给微服务
• 9、微服务处理请求，返回响应

发现什么问题了？

每次鉴权都需要访问鉴权中心，系统间的网络请求频率过高，效率略差，鉴权中心的压力较大。

5.2 结合RSA的鉴权

流程图：

• 我们首先利用RSA生成公钥和私钥。私钥保存在授权中心，公钥保存在Zuul和各个微服务
• 用户请求登录
• 授权中心校验，通过后用私钥对JWT进行签名加密
• 返回JWT给用户
• 用户携带JWT访问
• Zuul直接通过公钥解密JWT，进行验证，验证通过则放行
• 请求到达微服务，微服务直接用公钥解析JWT，获取用户信息，无需访问授权中心