深入聊聊微服务架构的身份认证

你的名字 2021-11-08 16:08 555阅读 0赞

从单体应用架构到分布式应用架构再到微服务架构，应用的安全访问在不断的经受考验。为了适应架构的变化、需求的变化，身份认证与鉴权方案也在不断的变革。面对数十个甚至上百个微服务之间的调用，如何保证高效安全的身份认证？面对外部的服务访问，该如何提供细粒度的鉴权方案？本文将会为大家阐述微服务架构下的安全认证与鉴权方案。

## 单体应用 VS 微服务 ##

随着微服务架构的兴起，传统的单体应用场景下的身份认证和鉴权面临的挑战越来越大。单体应用体系下，应用是一个整体，一般针对所有的请求都会进行权限校验。请求一般会通过一个权限的拦截器进行权限的校验，在登录时将用户信息缓存到 session 中，后续访问则从缓存中获取用户信息。

![aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvZTgvYzIvZTgzYWY2OGU0Mzk2MWQ5NmYxNzBhZmRlMmU3ZmZiYzIuanBn][]

而微服务架构下，一个应用会被拆分成若干个微应用，每个微应用都需要对访问进行鉴权，每个微应用都需要明确当前访问用户以及其权限。尤其当访问来源不只是浏览器，还包括其他服务的调用时，单体应用架构下的鉴权方式就不是特别合适了。在为服务架构下，要考虑外部应用接入的场景、用户 - 服务的鉴权、服务 - 服务的鉴权等多种鉴权场景。

![aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvYTQvN2IvYTQxYzExNjYxMDQ5YmFlYzJmMjY3NWNhZmYxMDhmN2IuanBn][]![aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvYTQvN2IvYTQxYzExNjYxMDQ5YmFlYzJmMjY3NWNhZmYxMDhmN2IuanBn][]

**1. 单点登录（SSO）**

这种方案意味着每个面向用户的服务都必须与认证服务交互，这会产生大量非常琐碎的网络流量和重复的工作，当动辄数十个微应用时，这种方案的弊端会更加明显。

**2. 分布式 Session 方案**

分布式会话方案原理主要是将关于用户认证的信息存储在共享存储中，且通常由用户会话作为 key 来实现的简单分布式哈希映射。当用户访问微服务时，用户数据可以从共享存储中获取。在某些场景下，这种方案很不错，用户登录状态是不透明的。同时也是一个高可用且可扩展的解决方案。这种方案的缺点在于共享存储需要一定保护机制，因此需要通过安全链接来访问，这时解决方案的实现就通常具有相当高的复杂性了。

**3. 客户端 Token 方案**

令牌在客户端生成，由身份验证服务进行签名，并且必须包含足够的信息，以便可以在所有微服务中建立用户身份。令牌会附加到每个请求上，为微服务提供用户身份验证，这种解决方案的安全性相对较好，但身份验证注销是一个大问题，缓解这种情况的方法可以使用短期令牌和频繁检查认证服务等。对于客户端令牌的编码方案，我更喜欢使用 JSON Web Tokens（JWT），它足够简单且库支持程度也比较好。

**4. 客户端 Token 与 API 网关结合**

这个方案意味着所有请求都通过网关，从而有效地隐藏了微服务。 在请求时，网关将原始用户令牌转换为内部会话 ID 令牌。在这种情况下，注销就不是问题，因为网关可以在注销时撤销用户的令牌。

## 微服务常见安全认证方案 ##

### HTTP 基本认证 ###

HTTP Basic Authentication（HTTP 基本认证）是 HTTP 1.0 提出的一种认证机制，这个想必大家都很熟悉了，我不再赘述。HTTP 基本认证的过程如下：

1.  **客户端发送 HTTP Request 给服务器。**
2.  **因为 Request 中没有包含 Authorization header，服务器会返回一个 401 Unauthozied 给客户端，并且在 Response 的 Header "WWW-Authenticate" 中添加信息。**
3.  **客户端把用户名和密码用 BASE64 加密后，放在 Authorization Header 中发送给服务器， 认证成功。**
4.  **服务器将 Authorization Header 中的用户名密码取出，进行验证， 如果验证通过，将根据请求，发送资源给客户端。**

## ##

### 基于 Session 的认证 ###

基于 Session 的认证应该是最常用的一种认证机制了。用户登录认证成功后，将用户相关数据存储到 Session 中，单体应用架构中，默认 Session 会存储在应用服务器中，并且将 Session ID 返回到客户端，存储在浏览器的 Cookie 中。

但是在分布式架构下，Session 存放于某个具体的应用服务器中自然就无法满足使用了，简单的可以通过 Session 复制或者 Session 粘制的方案来解决。

Session 复制依赖于应用服务器，需要应用服务器有 Session 复制能力，不过现在大部分应用服务器如 Tomcat、JBoss、WebSphere 等都已经提供了这个能力。

除此之外，Session 复制的一大缺陷在于当节点数比较多时，大量的 Session 数据复制会占用较多网络资源。Session 粘滞是通过负载均衡器，将统一用户的请求都分发到固定的服务器节点上，这样就保证了对某一用户而言，Session 数据始终是正确的。不过这种方案依赖于负载均衡器，并且只能满足水平扩展的集群场景，无法满足应用分割后的分布式场景。

在微服务架构下，每个微服务拆分的粒度会很细，并且不只有用户和微服务打交道，更多还有微服务间的调用。这个时候上述两个方案都无法满足，就要求必须要将 Session 从应用服务器中剥离出来，存放在外部进行集中管理。可以是数据库，也可以是分布式缓存，如 Memchached、Redis 等。基于这种的解决方案就是，分布式 Session 方案。

![aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvYzEvMWEvYzFlMDBhNDRkNjRjNTEzMmU1MzIxNGNiYzg3YjNhMWEuanBn][]

### 基于 Token 的认证 ###

随着 Restful API、微服务的兴起，基于 Token 的认证现在已经越来越普遍。Token 和 Session ID 不同，并非只是一个 key。Token 一般会包含用户的相关信息，通过验证 Token 就可以完成身份校验。像 Twitter、微信、QQ、GitHub 等公有服务的 API 都是基于这种方式进行认证的，一些开发框架如 OpenStack、Kubernetes 内部 API 调用也是基于 Token 的认证。基于 Token 认证的一个典型流程如下：

![aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvOTgvZTkvOThkYmMyMTU1ZmIxNGE0NmE0ZGIzN2Q5MGYxYjk5ZTkuanBn][]

1.  用户输入登录信息（或者调用 Token 接口，传入用户信息），发送到身份认证服务进行认证（身份认证服务可以和服务端在一起，也可以分离，看微服务拆分情况了）。
2.  身份验证服务验证登录信息是否正确，返回接口（一般接口中会包含用户基础信息、权限范围、有效时间等信息），客户端存储接口，可以存储在 Session 或者数据库中。
3.  用户将 Token 放在 HTTP 请求头中，发起相关 API 调用。
4.  被调用的微服务，验证 Token 权限。
5.  服务端返回相关资源和数据。

### 基于 Token 认证的好处如下： ###

1.  服务端无状态：Token 机制在服务端不需要存储 session 信息，因为 Token 自身包含了所有用户的相关信息。
2.  性能较好，因为在验证 Token 时不用再去访问数据库或者远程服务进行权限校验，自然可以提升不少性能。
3.  支持移动设备。
4.  支持跨程序调用，Cookie 是不允许垮域访问的，而 Token 则不存在这个问题。
5.  session是存于内存中的，当用户一多，就会占用空间一大，可能会导致各种问题。

目前市场常用的两种基于 Token 的认证方案 **JWT**/**Oauth2.0，JWT是一个跨域认证的解决方案**。

**使用JWT会返回一个Claim对象，这里放置的是我们需要传输的信息。**

注册claim类包含下面几个部分：

*  iss: token的发行者
 *  sub: token的题目
 *  aud: token的客户
 *  exp: 经常使用的，以数字时间定义失效期，也就是当前时间以后的某个时间本token失效。
 *  nbf: 定义在此时间之前，JWT不会接受处理。
 *  iat: JWT发布时间，能用于决定JWT年龄
 *  jti: JWT唯一标识. 能用于防止 JWT重复使用，一次只用一个token

[aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvZTgvYzIvZTgzYWY2OGU0Mzk2MWQ5NmYxNzBhZmRlMmU3ZmZiYzIuanBn]: /images/20211108/e72fbdbfa9774f039e9edbb4065453e3.png
[aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvYTQvN2IvYTQxYzExNjYxMDQ5YmFlYzJmMjY3NWNhZmYxMDhmN2IuanBn]: /images/20211108/bccd1bc521904f38a59ebc5e17db682d.png
[aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvYzEvMWEvYzFlMDBhNDRkNjRjNTEzMmU1MzIxNGNiYzg3YjNhMWEuanBn]: /images/20211108/9885154cf1064538ae9225c169eb2428.png
[aHR0cHM6Ly9zdGF0aWMwMDEuaW5mb3EuY24vcmVzb3VyY2UvaW1hZ2UvOTgvZTkvOThkYmMyMTU1ZmIxNGE0NmE0ZGIzN2Q5MGYxYjk5ZTkuanBn]: /images/20211108/82fe39b9281b41fb94555556a2a600a9.png