一種微服務架構下面向多終端的認證授權機制研究

侯海平

安徽財貿職業(yè)學院 信息工程學院，安徽 合肥 230061

線上業(yè)務的處理能力越來越受到企業(yè)關注，大量線下業(yè)務都逐步遷移到線上進行處理，微服務架構也成為在線流量大、并發(fā)性高業(yè)務場景中的必選架構，大量業(yè)務系統(tǒng)由單體架構向微服務架構遷移[1]。無論是單體架構系統(tǒng)還是微服務架構系統(tǒng)都需要對業(yè)務資源實施授權訪問機制，防止不具備權限的用戶賬號訪問不匹配的內容資源。微服務架構下系統(tǒng)資源分散、系統(tǒng)開發(fā)技術多樣化、系統(tǒng)模塊相對獨立給授權認證帶來困難。

1 單體架構下服務端認證授權機制

1.1 單體架構

目前應用領域還存在大量的單體應用，例如一些傳統(tǒng)的業(yè)務系統(tǒng)如OA、財務系統(tǒng)、圖書借閱系統(tǒng)等，它們在用戶數(shù)量相對有限和穩(wěn)定的情況下依然能夠滿足業(yè)務運營的日常需求，因此依然有存在和使用的價值。所謂單體架構是指所有的業(yè)務系統(tǒng)功能都集成在一個開發(fā)項目中，這些業(yè)務代碼最終將被打包到一個程序中，該程序運行在操作系統(tǒng)中以一個進程為載體運行。例如Java 項目會使用Maven包管理工具將項目打包成一個war 包或一個jar包，然后以一個進程的形式運行在Tomcat 服務器程序中或直接運行在Java 虛擬機中。如果是.net（微軟平臺下）項目則會以一個dll 文件作為項目入口，運行在IIS 服務器程序中。通常這些單體架構只會映射到一個IP 和端口上，對外界提供服務。

1.2 單體架構中的認證授權機制

在單體架構中，驗證用戶賬號、密碼的組件與鑒別用戶身份的組件，以及與提供受限資源的組件都是在同一個Web 程序中，因此只需考慮同一用戶同一session 會話周期即可。一次鑒權過程主要包括2 個主要活動：第一，用戶提交賬號和密碼登錄，服務驗證賬號和密碼；第二，用戶成功登錄后，訪問受限資源，服務器鑒權后提供受限資源給用戶。

認證活動的步驟：

步驟1：用戶在瀏覽器上輸入賬號和密碼提交至服務器進行驗證；

步驟2：服務器收到用戶請求的賬號和密碼，對其進行驗證；

步驟3：服務器驗證通過后，將建立屬于該用戶的session 會話，將向session 中寫入授權憑證；

步驟4：服務器向用戶返回登錄成功的消息，并向用戶所在瀏覽器的cookie 寫入與服務器一致的sessionid。

鑒權活動的步驟：

步驟5：用戶在登錄后，向服務器發(fā)起訪問受限資源的請求；

步驟6：服務器根據(jù)用戶提交的cookie 中sessionid 辨認用戶身份，通過之前存放的session 憑證，來驗證用戶權限的合法性；

步驟7：服務器鑒權通過后，將用戶需要的受限資源返回給用戶，流程結束。

可以看到整個流程中，服務器要使用session 會話對象，只要有新的用戶進來，服務器就要創(chuàng)建新的session 對象，并且對通過驗證的用戶在session對象中存入身份憑證，這些數(shù)據(jù)都保存在服務器內存中。整個服務器對session 對象的管理建立過期機制，用戶如果長時間不訪問服務器，服務器將自動銷毀該用戶session 對象，如果用戶一直保持訪問服務器，服務器將不斷延長session 對象的生命周期。

服務器要想識別出不同用戶，依靠的是用戶瀏覽器的cookie 對象，用戶每次訪問服務器時，瀏覽器都會自動將客戶端cookie 主動提交至服務器。服務器通過cookie 中的sessionid 找出用戶，根據(jù)用戶找出對應的憑證，再根據(jù)憑證確定用戶是否具備訪問某資源的合法性。

1.3 集群部署下面臨的問題

隨著業(yè)務流量持續(xù)上升，這些單體架構系統(tǒng)需要進行集群化部署。使用同一個域名指向多個不同服務器地址，一般可以采用Nginx 反向代理架構，實現(xiàn)多臺服務器對外提供服務。例如一臺服務器可以同時支撐200 個客戶端進行并發(fā)訪問，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)流量高峰時有600 個客戶端并發(fā)訪問，則需要3 臺服務器對外提供服務。集群部署架構圖如圖1 所示。

圖1 單體架構系統(tǒng)的集群部署

1.3.1 session 同步問題

當客戶端對Nginx 服務器進行訪問時，Nginx服務器會將請求轉發(fā)至某一臺服務器，可以采用輪詢、同一客戶端IP 轉發(fā)至同一服務器、權重設置等方式實現(xiàn)負載均衡，從而將請求流量分攤到不同服務器，達到支持大并發(fā)量的目的。根據(jù)session 生成的基本原則，可以看出：當用戶訪問服務時，屬于某一用戶的session 只能保存在某一臺服務器上；當用戶下次訪問時，就可能切換到其他單體系統(tǒng)的服務器，當前服務器則沒有屬于該用戶的session 對象，因為屬于這個用戶的session 保存在上一個服務器里，把這種問題可以稱之為“session 不同步”。雖然可以通過“同一客戶端IP 轉發(fā)至同一服務器”原則來保證原用戶導向原服務器，但是一旦這個服務器掛起，則又會出現(xiàn)上述“session 不同步”的問題。

1.3.2 session 存儲問題

當用戶量上升時，session 對象依然存儲在服務器上，對服務器的負擔依然沒有降低，如果單臺服務器掛起時，session 也隨之消失。

2 面向多終端的微服務架構認證授權

2.1 多終端

第一類終端表現(xiàn)為傳統(tǒng)APP。從Android Native APP、iOS APP 到考慮各類平臺快速部署和兼容問題提出的Web APP，再到兼顧Native APP和Web APP 優(yōu)點的混合終端都以各自的方式接入到服務器系統(tǒng)。

第二類終端表現(xiàn)為依托第三方認證的APP。近幾年，隨著微信和支付寶的快速發(fā)展，一類依托微信建立微信公眾號、小程序和支付寶小程序也廣受企業(yè)用戶歡迎，他們既要與當前系統(tǒng)服務器通信，還要調取微信和支付寶授權信息。

第三類終端表現(xiàn)為服務器API 消費者。如提供數(shù)據(jù)作為一種基礎應用提供給其他第三方消費，此類供調取方消費的API 需求也越來越多。大數(shù)據(jù)時代到來各類數(shù)據(jù)中心積累的數(shù)據(jù)越來越多，應充分利用這些數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)安全保障的對社會公開。

2.2 微服務通用架構

以Spring Cloud 技術體系為例，通常這一架構構成主要有：注冊中心集群、配置中心集群、網(wǎng)關集群、業(yè)務系統(tǒng)1 集群、業(yè)務系統(tǒng)2 集群、業(yè)務系統(tǒng)3集群……。具體如下圖2 所示。

圖2 微服務通用架構

注冊中心：目前主流的注冊中心組件有zookeeper、eureka、nacos 等，有了注冊中心之后，所有的服務都需要到注冊中心進行登記，所有的服務調用都需要通過注冊中心發(fā)現(xiàn)，進行統(tǒng)一管理，即使服務部署在不同的機器上，注冊中心也可以進行統(tǒng)一管理，且可以很好的實現(xiàn)負載均衡。

配置中心：配置是指服務的統(tǒng)一約定、環(huán)境參數(shù)等信息，建立配置中心的目的是讓這些配置可以統(tǒng)一管理、動態(tài)刷新、實現(xiàn)不同環(huán)境下配置切換，每一個服務都可以將自己的配置信息放置到配置中心。配置中心組件有：config-server、nacos 等。

網(wǎng)關：所有的請求都必須通過網(wǎng)關才可以進入，網(wǎng)關相當于客戶端訪問服務的路由器[2]，對于客戶端來說屏蔽了服務提供者的內部地址，還可以通過網(wǎng)關的過濾器實現(xiàn)請求的攔截、實現(xiàn)響應的前置處理和后置處理等[3]。主流的網(wǎng)關組件有：zuul、Spring Cloud Gateway 等。

業(yè)務系統(tǒng)：一般業(yè)務系統(tǒng)會將用戶中心獨立出來變成一個基礎子系統(tǒng)獨立部署，然后再將其他業(yè)務系統(tǒng)按照微服務劃分服務的原則，獨立出若干個子系統(tǒng)，每個業(yè)務子系統(tǒng)都會注冊到注冊中心，都會通過配置中心拉取配置信息，同時要想訪問業(yè)務子系統(tǒng)都會從網(wǎng)關接入。

2.3 面向多終端的微服務架構認證授權滿足的條件

2.3.1 跨域

整個微服務架構中包含了很多業(yè)務服務器，服務器之間不可能采用相同域名或IP，這就要求對外提供服務時，需要支持跨域，而跨域之后cookie 是不能進行共享的，也就是服務A 并不能拿到服務B的cookie 信息，這也是Web 安全規(guī)則中要求的。

2.3.2 服務無狀態(tài)

多個服務之間相互通信，由于不能共享cookie，就無法記住某一次請求在不同服務之間是否為同一個用戶，這些服務無法保留請求的狀態(tài)信息，或者即使保留了服務的狀態(tài)也是沒有實際意義的，因為這些信息不能代表是同一個用戶。

2.3.3 終端不支持cookie

Native App 以及第三方API 請求的終端并不能支持cookie 機制，也就是說這些架構設計開發(fā)的應用不能記住服務器回寫的終端數(shù)據(jù)，因此不能記住用戶身份，即使通過OkHttp 等框架可以實現(xiàn)記住cookie 信息，也會對客戶端架構設計增加很多開發(fā)成本，如果開發(fā)者沒有遵循開發(fā)原則，也會導致無法識別用戶身份信息。

3 微服務架構下認證授權機制的改進與實現(xiàn)

3.1 基于shiro 的授權和鑒權

Shiro 是權限管理中非常出色的框架之一，它提供了認證、授權、加密、會話管理、Web 集成、緩存等功 能 。 Shiro 主 要 包 括 Subject、SecurityManager、Realm 等主要組件，開發(fā)通過實現(xiàn)自定義的Realm就可以實現(xiàn)授權和鑒權。

shiro 的鑒權是通過為需要限制訪問的資源方法 添 加 @RequiresUser、@RequiresRoles、@Requires Permission 等注解來實現(xiàn)的[4]。這些注解本質上是通過AOP 來實現(xiàn)的，通過給這些注解傳遞參數(shù)，使用@RequiresUser 表示只允許指定的用戶訪問，使用@RequiresRoles 表示只允許指定的角色訪問，使用@RequiresPermission 只允許擁有某權限的用戶訪問。當請求需要訪問這些受限資源方法時，AOP 就會來判斷這些限制訪問的資源是否允許訪問。

3.2 JWT（Json Web Token）

JWT 是一種基于JSON 的開放標準，定義了一套在不同實體之間傳遞安全信息的數(shù)據(jù)格式標準，最終由客戶端向服務端發(fā)送一個token（令牌）表示客戶端用戶的身份信息，整個信息傳輸又是建立在加密算法的基礎上，這樣既保證token 的安全，又能讓服務器識別出用戶身份。這個token 信息包含3個部分：head 部分（聲明token 類型和加密算法）、payload 部分（數(shù)據(jù)主體：用戶、過期時間等）、signature 部分（驗證數(shù)據(jù)是否被篡改的簽名）。它的優(yōu)點在于不需要依賴cookie 和session，JWT 非常適合微服務架構和不支持cookie 的各類終端。

3.3 無服務端狀態(tài)的認證授權方案

3.3.1 單體下使用Shiro 和JWT

首先，需要實現(xiàn)HostAuthenticationToken 接口定義JwtToken 類，用于按照JWT 數(shù)據(jù)標準標識用戶身份信息。

其次，定義類JwtFilter 繼承BasicHttpAuthenti cationFilter 類，對每一個攜帶jwtToken 的請求進行認證和授權，只有通過認證的才可以授權放行。

最后，定義JwtRealm 類繼承AuthorizingRealm，實現(xiàn)認證和授權核心機制。具體認證和授權流程如圖3 所示。

圖3 單體架構下使用shiro 和jwt 實現(xiàn)認證和授權

步驟1-4：客戶端用戶輸入賬號和密碼發(fā)起登錄請求，服務器使用Shiro 框架對賬號和密碼進行驗證，驗證通過發(fā)放JwtToken。

步驟5：用戶攜帶合法JwtToken 訪問受限資源，經過JwtFilter 過濾器，JwtFilter 對請求進行攔截。

步驟 6：JwtFilter 對 JwtToken 進行驗證，將JwtToken 傳遞給 Shiro 和 JWT 組件。

步驟 7：Shiro 和 JWT 使用 Realm 對 JwtToken進行驗證，驗證通過返回，并對用戶進行授權。

步驟8：JwtFilter 放行對受限資源的請求，轉發(fā)請求至受限資源。

步驟9：受限資源的權限注解被調用，將使用Shiro 的 isPermitted（）方法驗證權限。

步驟10：Shiro 驗證權限通過。

步驟11：返回受限資源到用戶端。

3.3.2 多服務架構改造

基于單體架構認證和授權的基本原理，改造成適合微服務架構的認證和授權機制。首先，創(chuàng)建類JwtGateWayFilter 實現(xiàn) GatewayFilter 接口，注意與之前單體架構實現(xiàn)的接口不同，GatewayFilter 接口是來自于微服務架構中的網(wǎng)關組件，目的是對用戶發(fā)起的請求中JwtToken 信息進行驗證；其次，繼續(xù)保留JwtToken 類的定義，用于認證和授權過程中token 的傳遞；最后，為每一個微服務創(chuàng)建JwtFilter 類繼承BasicHttpAuthenticationFilter 類，創(chuàng)建 JwtRealm 類繼承AuthorizingRealm 類，實現(xiàn)授權機制。

與單體架構不同之處：

（1）全局過濾器添加在微服務的網(wǎng)關上，用于判斷用戶是否獲得合法認證做驗證。

（2）每一個微服務需要進行授權操作。

（3）每一個微服務獨立實現(xiàn)鑒權機制。

整個流程圖如圖4 所示。

圖4 微服務架構下使用shiro 和jwt 實現(xiàn)認證和授權

步驟1-4：登錄通過認證，獲得token（JWT）。

步驟5：用戶訪問業(yè)務資源；

步驟6：網(wǎng)關使用JwtGatewayFilter 對token 進行驗證，如果驗證通過放行請求。

步驟7：業(yè)務集群使用Shiro 和JWT 對token 進行驗證并授權，放行請求至受限資源，返回受限資源信息。

步驟8：返回受限資源消息至用戶。

4 結語

微服務架構下的業(yè)務系統(tǒng)各自相對獨立，每一個業(yè)務系統(tǒng)都獨立部署，各個服務之間是處在一種跨域的環(huán)境中，加上客戶端技術架構多樣化，這就要求對傳統(tǒng)Web 認證和授權機制進行重構。既要支持業(yè)務集群的分布式環(huán)境，又要簡化認證授權流程，同時還需要減少服務器開銷，最終還需要保證Web 服務的安全性和可靠性。