如何做一个优秀的微服务访问安全设计方案？

今天给大家带来的是数人云工程师文权在线上的分享实录。从传统单体应用架构到微服务架构，安全问题一直是人们关注的重点，我们来看看文权他在微服务访问安全设计方案上的探索与实践。

作者简介

李文权

数人云资深售前工程师，致力于帮助客户进行实施部署，提供最适合的解决方案；之前在惠普工作5年，主要负责Openstack、Docker等云计算方面的项目开发；开源技术拥护者，热衷于IT技术交流和分享。

导语

我们首先从传统单体应用架构下的访问安全设计说起，然后，分析下现代微服务架构下，访问安全涉及的原则，接着，来看下目前常用的几种，微服务架构下的访问安全设计方案。最后，重点看下Spring Cloud微服务架构下，是如何解决访问安全这个问题的。

一、传统单体应用的访问安全设计

上面的示意图展示了单体应用的访问逻辑。用户通过客户端发出http或者https请求，经过负载均衡后，单体应用收到请求。接着经过auth层，进行身份验证和权限批准，这里，一般会有跟后端数据库的交互。

通过后，将请求分发到对应的功能逻辑层中去。完成相关操作后，返回结果给客户端。

传统单体应用的访问安全设计——原则

从以上分析可以看到，传统单体应用的访问安全设计原则为：

• 第一，每次的用户请求都需要验证是否安全，这里可以分两种情况：

  • 一种是没有session的请求，需要经过几个步骤完成session化。一般为验证当前用户的credential，获取当前用户的identity，这两步都需要访问数据库等持久化对象来完成，最后一步是为当前可用创建session，返回给客户端后，启用该session。

  • 另一种是有session的请求，只需验证请求中当前session的有效性，即可继续请求。

• 第二，用户的操作请求都在后端单个进程中执行完成，完全依赖后端调用方法的可靠性。一旦出错，应用是无法再次重复请求。

传统单体应用的访问安全设计——优势和注意点

小结: 传统单体应用由于设计相对简单单一，暴露给外界的入口相对较少，从而具有被攻击并造成危害性的可能小的优势。

也正是由于单体应用简单单一的特点，需要注意相关问题：

1. 应用后端保存了所有的credential等敏感信息

2. 一旦入侵了对这个应用的请求，就有可能拿到所有的保存在后端的信息

3. 应用的每次操作一般都需要和数据库进行交互，造成数据库负载变高

二、微服务架构下，访问安全设计原则

先来看下这张典型的微服务设计架构图，如图所示，有以下几点特征：

1. 每个服务只有权限去操作自己负责的那部分功能。

2. 用户请求的身份验证和权限批准都由独立的gateway服务来保障

3. 对外服务的LB层无法直接与提供业务服务的应用层进行访问

从上面的特征分析来看，想要给出一份访问安全设计的原则说明，就要看看微服务架构下，访问安全有哪些痛点，以下罗列了几点：

1. 单点登录，即在微服务这种多独立服务的架构下，实现用户只需要登录一次就能访问所有相互信任的应用系统。

2. 微服务架构下的应用一般都是无状态的，导致用户的请求每次都需要鉴权，可能引发Auth服务的性能瓶颈。

3. 微服务架构下，每个组件都管理着各自的功能权限，这种细粒度的鉴权机制需要事先良好的规划。

4. 微服务架构下，需要考虑到那些非浏览器端的客户请求，是否具有良好的可操作性。

根据实际情况，还有一些其他痛点，这里不再一一赘述，而这些痛点，就形成了我们在为微服务架构设计访问安全的原则。

三、微服务架构下，常用的访问安全设计方案

• HTTP Basic Authentication + Independent Auth DB

• HTTP Basic Authentication + Central Auth DB

• API Tokens

• SAML

这里列出4种，首先简单介绍下，然后一一叙述。

第一种，使用HTTP Basic Auth协议，加上独立的Auth数据库。

第二种，也是使用HTTP Basic Auth协议，跟第一种不同的是，使用集中式的Auth数据库

第三种，API Tokens协议，这种大家应该比较熟悉，很多公有服务（比如Github、Twitter等）的API都是用这种方式。

第四种，SAML，即Security Assertion Markup Language，翻译过来，是『安全声明标记语言』，它是基于XML的一种协议，企业内使用得较多。

下面一一做介绍。

1. 微服务常用访问安全设计方案——Basic Auth + Independent Auth DB

第一种，如上示意图所示，使用Basic Auth协议，配合每个服务自己都拥有存储Credential敏感数据的数据库（或者其他持久化仓库）。

简单介绍下Basic Auth协议，它是在用户的请求中添加一个Authorization消息头，这个消息头的值是一个固定格式：
Basic base64encode(username+“:”+password)
完整的消息头列子为：
Authorization: Basic QWxhZGRpbjpvcGVuIHNlc2FtZQ==

Basic Auth协议基本上被所有流行的网页浏览器都支持。

这种方案的特点：

• 每个提供功能的服务都拥有自己独立的鉴权和授权机制。

• 每个提供功能的服务都拥有自己独立的数据库，来保存敏感信息。

• 每次用户请求都需要携带用户的credential来完成操作

小结下使用这种方案的好处：

1. 微服务的应用可以实现100%无状态化

2. 基于Basic Auth开发简单

同时，小结下使用这种方案需要注意的地方：

1. 由于每个服务都有自己存储credential的机制，需要事先为每个服务设计好如何存储和查找用户的Credential

2. 由于每次用户请求都会携带用户的Credential，需要事先设计好如何管理鉴权机制

2. 微服务常用访问安全设计方案——Basic Auth + Central Auth DB

第二种，如上示意图所示，使用Basic Auth协议，与第一种方案相比，每个服务共用有同一个Auth DB。

第二种方案的特点和第一种很相似：

• 每个提供功能的服务都拥有自己独立的鉴权和授权机制。

• 每个提供功能的服务共用同一个DB，来保存Credential等敏感信息。

• 每次用户请求都需要携带用户的credential来完成操作。

小结下使用第二种方案的好处：

除了拥有第一种方案相似的好处外，由于共用了同一个持久化仓库来管理用户信息，简化了原来独立管理的机制。

同时，小结下使用这种方案需要注意的地方：

1. 中心化Auth DB会被每次用户请求来访问连接，可能引发AuthDB性能瓶颈。

2. 需要在每个服务中实现对共有Auth DB查找用户信息的逻辑。

3. 微服务常用访问安全设计方案——API Tokens

第三种，如上示意图所示，使用Token Based协议来对用户请求进行操作鉴权。

简单介绍下最基本的Token Based的交互方式：

1. 用户使用包含用户名和密码的credential从客户端发起资源请求。

2. 后端接受请求，通过授权中心，生产有效token字符串，返回给客户端。

3. 客户端获得token后，再次发出资源请求。

4. 后端接受带token的请求，通过授权中心，获取相关资源，返回给客户端。

业界常用的OAuth就是基于Token Based这套逻辑，实现的互联网级的鉴权机制。

第三种方案的特点明显：

1. 使用token来进行鉴权，替换用户本身的用户名和密码，提高了交互安全性。

2. 每次用户请求需要携带有效token，与Auth服务进行交互验证。

小结下使用第三种方案的好处：

由于使用了token来鉴权，业务服务不会看到用户的敏感信息。

同时，小结下使用这种方案需要注意的地方：

Auth服务可能需要处理大量的生产token的操作。

4. 微服务常用访问安全设计方案——SAML

第四种，如上示意图所示，使用SAML协议来对用户请求进行操作鉴权。它是一个基于XML的标准，用于在不同的安全域(security domain)之间交换认证和授权数据。

在SAML标准定义了身份提供者(identity provider)和服务提供者(service provider)，这两者构成了前面所说的不同的安全域。

以上图Google提供的Apps SSO的机制，简单介绍下SAML鉴权的交互方式：

1. 用户请求访问自建的google application

2. 当前application 生成一个 SAML 身份验证请求。SAML 请求将进行编码并嵌入到SSO 服务的网址中。

3. 当前application将重定向发送到用户的浏览器。重定向网址包含应向SSO 服务提交的编码 SAML 身份验证请求。

4. SSO（统一认证中心或叫Identity Provider）解码 SAML 请求，并提取当前application的ACS（声明客户服务）网址以及用户的目标网址（RelayState 参数）。然后，统一认证中心对用户进行身份验证。

5. 统一认证中心生成一个 SAML 响应，其中包含经过验证的用户的用户名。按照 SAML 2.0 规范，此响应将使用统一认证中心的 DSA/RSA 公钥和私钥进行数字签名。

6. 统一认证中心对 SAML 响应和 RelayState 参数进行编码，并将该信息返回到用户的浏览器。统一认证中心提供了一种机制，以便浏览器可以将该信息转发到当前application ACS。

7. 当前application使用统一认证中心的公钥验证 SAML 响应。如果成功验证该响应，ACS 则会将用户重定向到目标网址。

8. 用户将重定向到目标网址并登录到当前application。
   目前SAML在业界也有相当的使用度，包括IBM Weblogic等产品。

第四种方案的特点有：

1. 由Identity Provider提供可信的签名声明

2. 服务的访问安全由可信的Identity Provider提供

小结下使用第四种方案的好处：标准的可信访问模型

同时，小结下使用这种方案需要注意的地方：

1. 基于XML协议，传输相对复杂

2. 对非浏览器客户端适配不方便

四、Spring Cloud Security解决方案

Spring Cloud Security特点有：

1. 基于OAuth2 和 OpenID协议的可配置的SSO登录机制

2. 基于tokens保障资源访问安全

3. 引入UAA鉴权服务，UAA是一个Web服务，用于管理账户、Oauth2客户端和用户用于鉴权的问题令牌(Issue Token)。UAA实现了Oauth 2授权框架和基于JWT(JSON web tokens)的问题令牌。

下面简单介绍下UAA，事实上，它是由CloudFoundry发起的，也是CloudFoundry平台的身份管理服务（https://docs.cloudfoundry.org/concepts/architecture/uaa.html）。

主要功能是基于OAuth2，当用户访问客户端应用时，生成并发放token给目标客户端。

UAA认证服务包含如下几个方面的内容：

1. 认证对象。如用户、客户端以及目标资源服务器

2. 认证类型。主要有授权码模式、密码模式以及客户端模式

3. 认证范围，即认证权限，并作为一个命名的参数附加到AccessToken上。

4. 接下来，结合实例，一起来看下UAA在Spring Cloud中的实践。

如图所示，这是一个简单的基于Spring Cloud微服务架构的例子，它的主要组件有：

1. Eureka组件提供服务发现功能

2. 独立的Config组件提供类似配置中心的服务，持久化层可以是文件系统，也可是git repository

3. Auth组件提供基于UAA的鉴权服务

4. Account组件保存用户的业务信息

5. 其他组件不一一介绍了

这里主要讲Auth组件和Account组件是如何基于UAA服务进行认证和授权。

图一为Auth组件业务代码中定义了不同客户端的认证类型和认证范围，其中

1. 浏览器端的认证类型是password，认证范围是ui
   2

2. account组件端的认证类型是client_credentials，认证范围是server

3. 图二为config组件（配置中心）定义的请求路由的规则，其中：

4. 使用/uaa/**来转发基于uaa的认证请求至auth组件

5. 使用/accouts/**来转发请求至account组件，并标记serviceId为account-service，与图一中的withClient对应。

图一为浏览器打开应用入口后，输入用户名和密码后，发出的认证请求：

1. 认证url为/uaa/oauth/token，这是uaa模式下标准的请求获取token的url

2. 表单中包含了字段scope（认证范围）和字段password（认证类型）

图二为图一发出认证请求的返回结果：
Access_token为有效认证token，将来被其他请求使用

图三为发出获取当前用户的信息的请求：
在请求里的Authorization的值为图二中获得的access_token

图一为Account组件在Config组件（配置中心）定义的OAuth2协议下获取token的方式，这里定义了：

1. clientID和clientSecret

2. accessTokenUrl，这里指定了auth组件的uaa获取token的url

3. grant-type，即认证类型，这里指定为client_credentials

4. scope，这里指定了server，说明是这个认证请求只适用在各微服务之间的访问。

图二为Accout组件业务代码中定义了需要使用Auth组件进行事先鉴权的方法：

1. 使用@PreAuthorize

2. annotation中可以指定认证范围的具体条件，这里是限定了server或者是demo账户，才有权限发起认证。

最后小结下Spring Cloud Security的特点：

1. 基于UAA，使用OAuth2协议。不会暴露用户的敏感信息

2. 基于认证类型和认证范围，实现细粒度的鉴权机制

3. 非浏览器客户端下良好的操作性