聊聊微服务架构中的用户认证方案

传统的用户认证方案

我们直奔主题，什么是用户认证呢？对于大多数与用户相关的操作，软件系统首先要确认用户的身份，因此会提供一个用户登录功能。用户输入用户名、密码等信息，后台系统对其进行校验的操作就是用户认证。用户认证的形式有多种，最常见的有输入用户名密码、手机验证码、人脸识别、指纹识别等，但其目的都是为了确认用户的身份并与之提供服务。

用户认证

在传统的单体单点应用时代，我们会开发用户认证的服务类，从登录界面提交的用户名密码等信息通过用户认证类进行校验，然后获取该用户对象将其保存在 Tomcat 的 Session 中，如下所示：

单点应用认证方案

随着系统流量的增高，单点应用以无法支撑业务运行，应用出现高延迟、宕机等状况，此时很多公司会将应用改为 Nginx 软负载集群，通过水平扩展提高系统的性能，于是应用架构就变成了这个样子。

Java Web 应用集群

虽然改造后系统性能显著提高，但你发现了么，因为之前用户登录的会话数据都保存在本地，当 Nginx 将请求转发到其他节点后，因为其他节点没有此会话数据，系统就会认为没有登录过，请求的业务就会被拒绝。从使用者的角度会变成一刷新页面后，系统就让我重新登录，这个使用体验非常糟糕。

我们来分析下，这个问题的根本原因在于利用 Session 本地保存用户数据会让 Java Web 应用变成有状态的，在集群环境下必须保证每一个 Tomcat 节点的会话状态一致的才不会出问题。因此基于 Redis 的分布式会话存储方案应运而生，在原有架构后端增加 Redis 服务器，将用户会话统一转存至 Redis 中，因为该会话数据是集中存储的，所以不会出现数据一致性的问题。

Redis 统一存储用户会话

但是，传统方案在互联网环境下就会遇到瓶颈，Redis 充当了会话数据源，这也意味着 Redis 承担了所有的外部压力，在互联网数以亿计的庞大用户群规模下，如果出现突发流量洪峰，Redis 能否经受考验就会成为系统的关键风险，稍有差池系统就会崩溃。

那如何解决呢？其实还有一种巧妙的设计，在用户认证成功，后用户数据不再存储在后端，而改为在客户端存储，客户端每一次发送请求时附带用户数据到 Web 应用端，Java 应用读取用户数据进行业务处理，因为用户数据分散存储在客户端中，因此并不会对后端产生额外的负担，此时认证架构会变成下面的情况。

客户端存储用户信息

当用户认证成功后，在客户端的 Cookie、LocalStorage 会持有当前用户数据，在 Tomcat 接收到请求后便可获取用户数据进行业务处理。但细心的你肯定也发现，用户的敏感数据是未经过加密的，在存储与传输过程中随时都有泄密的风险，决不能使用明文，必须要对其进行加密。

那如何进行加密处理呢？当然，你可以自己写加解密类，但更通用的做法是使用 JWT 这种标准的加密方案进行数据存储与传输。

Json Web Token（JWT）介绍

无论是微服务架构，还是前后端分离应用，在客户端存储并加密数据时有一个通用的方案：Json Web Token（JWT），JWT是一个经过加密的，包含用户信息的且具有时效性的固定格式字符串。下面这是一个标准的JWT字符串。

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9.NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU

这段加密字符串由三部分组成，中间由点“.”分隔，具体含义如下。

• 第一部分 标头（Header）：标头通常由两部分组成：令牌的类型（即 JWT）和所使用的签名算法，例如 HMAC SHA256 或 RSA，下面是标头的原文：

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

然后，此 JSON 被 Base64 编码以形成 JWT 的第一部分。

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9

• 第二部分 载荷（Payload）：载荷就是实际的用户数据以及其他自定义数据。载荷原文如下所示。

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

然后对原文进行 Base64 编码形成 JWT 的第二部分。

eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9

• 第三部分 签名（Sign）：签名就是通过前面两部分标头+载荷+私钥再配合指定的算法，生成用于校验 JWT 是否有效的特殊字符串，签名的生成规则如下。

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

生成的签名字符串为：

NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU

将以上三部分通过“.”连接在一起，就是 JWT 的标准格式了。

JWT 的创建与校验

此时，你肯定有疑问 JWT 是如何生成的，又是如何完成有效性校验呢？因为 JWT 的格式与算法是固定的，在 Java 就有非常多的优秀开源项目帮我们实现了JWT 的创建与验签，其中最具代表性的产品就是 JJWT。JJWT 是一个提供端到端的 JWT 创建和验证的 Java 库，它的官网是：https://github.com/jwtk/jjwt，有兴趣的话你可以到官网阅读它的源码。

JJWT 的使用是非常简单的，下面我们用代码进行说明，关键代码我已做好注释。

• 第一步，pom.xml 引入 JJWT 的 Maven 依赖。

    io.jsonwebtoken
    jjwt-api
    0.11.2



    io.jsonwebtoken
    jjwt-impl
    0.11.2
    runtime



    io.jsonwebtoken
    jjwt-jackson 
    0.11.2
    runtime

• 第二步，编写创建 JWT 的测试用例，模拟真实环境 UserID 为 123 号的用户登录后的 JWT 生成过程。

@SpringBootTest
public class JwtTestor {
    /**
     * 创建Token
     */
    @Test
    public void createJwt(){
        //私钥字符串
        String key = "1234567890_1234567890_1234567890";
        //1.对秘钥做BASE64编码
        String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());
        //2.生成秘钥对象,会根据base64长度自动选择相应的 HMAC 算法
        SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());
        //3.利用JJWT生成Token
        String data = "{\"userId\":123}"; //载荷数据
        String jwt = Jwts.builder().setSubject(data).signWith(secretKey).compact();
        System.out.println(jwt);
    }
}

运行结果产生 JWT 字符串如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw

• 第三步，验签代码，从 JWT 中提取 123 号用户数据。这里要保证 JWT 字符串、key 私钥与生成时保持一致。否则就会抛出验签失败 JwtException。

/**
 * 校验及提取JWT数据
 */
@Test
public void checkJwt(){
    String jwt = "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw";
    //私钥
    String key = "1234567890_1234567890_1234567890";
    //1.对秘钥做BASE64编码
    String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());
    //2.生成秘钥对象,会根据base64长度自动选择相应的 HMAC 算法
    SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());
    //3.验证Token
    try {
        //生成JWT解析器 
        JwtParser parser = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(secretKey).build();
        //解析JWT
        Jws claimsJws = parser.parseClaimsJws(jwt);
        //得到载荷中的用户数据
        String subject = claimsJws.getBody().getSubject();
        System.out.println(subject);
    }catch (JwtException e){
        //所有关于Jwt校验的异常都继承自JwtException
        System.out.println("Jwt校验失败");
        e.printStackTrace();
    }
}

运行结果如下：

{"userId":123}

以上便是 JWT 的生成与校验代码，你会发现在加解密过程中，服务器私钥 key 是保障 JWT 安全的命脉。对于这个私钥在生产环境它不能写死在代码中，而是加密后保存在 Nacos 配置中心统一存储，同时定期更换私钥以防止关键信息泄露。

讲到这应该你已掌握 JWT 的基本用法，但是在微服务架构下又该如何设计用户认证体系呢？

基于网关的统一用户认证

下面我们结合场景讲解 JWT 在微服务架构下的认证过程。这里我将介绍两种方案：

• 服务端自主验签方案；

• API 网关统一验签方案。

服务端自主验签方案

首先咱们来看服务端验签的架构图。

服务端自主验签方案

首先梳理下执行流程：

• 第一步，认证中心微服务负责用户认证任务，在启动时从 Nacos 配置中心抽取 JWT 加密用私钥；

• 第二步，用户在登录页输入用户名密码，客户端向认证中心服务发起认证请求：

http://usercenter/login #认证中心用户认证（登录）地址

• 第三步，认证中心服务根据输入在用户数据库中进行认证校验，如果校验成功则返回认证中心将生成用户的JSON数据并创建对应的 JWT 返回给客户端，下面是认证中心返回的数据样本；

{
    "code": "0",
    "message": "success",
    "data": {
        "user": {
            "userId": 1,
            "username": "zhangsan",
        },
        "token": "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxLFwidXNlcm5hbWVcIjpcInpoYW5nc2FuXCIsXCJuYW1lXCI6XCLlvKDkuIlcIixcImdyYWRlXCI6XCJub3JtYWxcIn0ifQ.1HtfszarTxLrqPktDkzArTEc4ah5VO7QaOOJqmSeXEM"
    }
}

• 第四步，在收到上述 JSON 数据后，客户端将其中 token 数据保存在 cookie 或者本地缓存中；

• 第五步，随后客户端向具体某个微服务发起新的请求，这个 JWT 都会附加在请求头或者 cookie 中发往 API 网关，网关根据路由规则将请求与jwt数据转发至具体的微服务。中间过程网关不对 JWT 做任何处理；

• 第六步，微服务接收到请求后，发现请求附带 JWT 数据，于是将 JWT 再次转发给用户认证服务，此时用户认证服务对 JWT 进行验签，验签成功提取其中用户编号，查询用户认证与授权的详细数据，数据结构如下所示：

{
    "code": "0",
    "message": "success",
    "data": {
        "user": { #用户详细数据
            "userId": 1,
            "username": "zhangsan",
            "name": "张三",
            "grade": "normal"
            "age": 18,
            "idno" : 130.......,
            ...
        },
        "authorization":{ #权限数据
            "role" : "admin",
            "permissions" : [{"addUser","delUser","..."}]
        }
    }
}

• 第七步，具体的微服务收到上述 JSON 后，对当前执行的操作进行判断，检查是否拥有执行权限，权限检查通过执行业务代码，权限检查失败返回错误响应。

到此从登录创建 JWT 到验签后执行业务代码的完整流程已经完成。

下面咱们来聊一聊第二种方案：

API 网关统一验签方案

API 网关统一验签方案

API 网关统一验签与服务端验签最大的区别是在 API 网关层面就发起 JWT 的验签请求，之后路由过程中附加的是从认证中心返回的用户与权限数据，其他的操作步骤与方案一是完全相同的。

在这你可能又会有疑惑，为什么要设计两种不同的方案呢？其实这对应了不同的应用场景：

• 服务端验签的时机是在业务代码执行前，控制的粒度更细。比如微服务 A 提供了“商品查询”与“创建订单”两个功能，前者不需要登录用户就可以使用，因此不需要向认证中心额外发起验签工作；而后者是登录后的功能，因此必须验签后才可执行。因为服务端验签是方法层面上的，所以可以精确控制方法是否验签。但也有不足，正是因为验签是在方法前执行，所以需要在所有业务方法上声明是否需要额外验签，尽管这个工作可以通过 Spring AOP+注解的方式无侵入实现，但这也无疑需要程序员额外关注，分散了开发业务的精力。

• 相应的，服务端验签的缺点反而成为 API 网关验签的优势。API 网关不关心后端的服务逻辑，只要请求附带 JWT，就自动向认证中心进行验签。这种简单粗暴的策略确实让模块耦合有所降低，处理起来也更简单，但也带来了性能问题，因为只要请求包含 JWT 就会产生认证中心的远程通信。如果前端工程师没有对 JWT 进行精确控制，很可能带来大量多余的认证操作，系统性能肯定会受到影响。

那在项目中到底如何选择呢？服务端验签控制力度更细，适合应用在低延迟、高并发的应用，例如导航、实时交易系统、军事应用。而 API 统一网关则更适合用在传统的企业应用，可以让程序员专心开发业务逻辑，同时程序也更容易维护。

全新的挑战

虽然 JWT 看似很美，在实施落地过程中也会遇到一些特有的问题，例如：

• JWT 生成后失效期是固定的，很多业务中需要客户端在不改变 JWT 的前提下，实现 JWT 的“续签”功能，但这单靠 JWT 自身特性是无法做到的，因为 JWT 的设计本身就不允许生成完全相同的字符串。为了解决这个问题，很多项目在生成的 JWT 设为“永久生效”，架构师利用 Redis 的 Expire 过期特性在后端控制 JWT 的时效性。这么做虽然让 JWT 本身变得有状态，但这可能也是在各种权衡后的“最优解”。类似的，例如：强制 JWT 立即失效、动态 JWT 有效期都可以使用这个办法解决。

某个 JWT 在 3600 秒后过期

• 对于上面两种认证方案，还有优化的空间，比如在服务A第一次对某个 JWT 进行验签后获取用户与权限数据，那在 JWT 的有效期内便可将数据在本地内存或者 Redis 中进行缓存，这样下一次同样的 JWT 访问时直接从缓存中提取即可，可以节省大量服务间通信时间。但引入缓存后你也要时刻关注缓存与用户数据的一致性问题，是要性能还是要数据可靠，这又是一个架构师需要面对的抉择。

小结

今天主要涉及三方面内容，首先咱们回顾了基于 Session 的有状态用户认证解决方案，其次介绍了 JWT 与 JJWT 的使用，最后讲解了利用 JWT 实现微服务架构认证的两种方案，对产生的新问题也进行了梳理。

在多年的架构生涯中，我自己也在不断感慨，架构是一门取舍的艺术，没有完美的架构，只有适合的场景，希望未来同学们可以多学习一些前沿技术，兴许随着技术发展没准鱼和熊掌真的可以兼得呢。