使用 OAuth 2 和 JWT 为微服务提供安全保障

Part 1 - 理论相关

作者 freewolf

关键词

微服务、Spring Cloud、OAuth 2.0、JWT、Spring Security、SSO、UAA

写在前面

作为从业了十多年的IT行业和程序的老司机，今天如果你说你不懂微服务，都不好意思说自己的做软件的。SOA喊了多年，无人不知，但又有多少系统开发真正的SOA了呢？但是好像一夜之间所有人都投入了微服务的怀抱。

作为目前最主流的“微服务框架”，Spring Cloud发展速度很快，成为了最全面的微服务解决方案。不管什么软件体系，什么框架，安全永远是不可能绕开的话题，我也把它作为我最近一段时间研究微服务的开篇。

老话题！“如何才能在微服务体系中保证安全？”，为了达成目标，这里采用一个简单而可行方式来保护Spring Cloud中服务的安全，也就是建立统一的用户授权中心。

这里补充说一下什么是Authentication（认证）和Authorization（鉴权），其实很简单，认证关心你是谁，鉴权关心你能干什么。举个大家一致都再说的例子，如果你去机场乘机，你持有的护照代表你的身份，这是认证，你的机票就是你的权限，你能干什么。

学习微服务并不是一个简单的探索过程，这不得学习很多新的知识，其实不管是按照DDD（Domain Driven Design）领域驱动设计中领域模型的方式，还是将微服务拆分成更小的粒度。都会遇到很多新的问题和以前一直都没解决很好的问题。随着不断的思考，随着熟悉Facebook/GitHub/AWS这些机构是如何保护内部资源，答案也逐渐浮出水面。

为了高效的实现这个目标，这里采用OAuth 2和JWT(JSON Web Tokens)技术作为解决方案，

为什么使用OAuth 2

尽管微服务在现代软件开发中还算一个新鲜事物，但是OAuth 2已经是一个广泛使用的授权技术，它让Web开发者在自己提供服务中，用一种安全的方式直访问Google/Facebook/GitHub平台用户信息。但在我开始阐述细节之前，我将揭开聚焦到本文真正的主题：云安全

那么在云服务中对用户访问资源的控制，我们一般都怎么做呢？然我举一些大家似乎都用过的但又不是很完美的例子。

我们可以设置边界服务器或者带认证功能的反向代理服务器，假设所有访问请求都发给它。通过认证后，转发给内部相应的服务器。一般在Spring MVC Security开发中几乎都会这样做的。但这并不安全，最重要的是，一旦是有人从内部攻击，你的数据毫无安全性。

其他方式:我们为所有服务建立统一的权限数据库，并在每次请求前对用户进行鉴权，听起来某些方面的确有点愚蠢，但实际上这确实是一个可行的安全方案。

更好的方式: 用户通过授权服务来实现鉴权，把用户访问Session映射成一个Token。所有远程访问资源服务器相关的API必须提供Token。然后资源服务器访问授权服务来识别Token，得知Token属于哪个用户，并了解通过这个Token可以访问什么资源。

这听起来是个不错的方案，对不？但是如何保证Token的安全传输？如何区分是用户访问还是其他服务访问？这肯定是我们关心的问题。

所以上述种种问题让我们选择使用OAuth 2，其实访问Facebook/Google的敏感数据和访问我们自己后端受保护数据没什么区别，并且他们已经使用这样的解决方案很多年，我们只要遵循这些方法就好了。

OAuth 2是如何工作的

如果你了解OAuth 2相关的原理，那么在部署OAuth 2是非常容易的。
让我们描述下这样一个场景，“某App希望获得Tom在Facebook上相关的数据”

OAuth 2 在整个流程中有四种角色:

• 资源拥有者(Resource Owner) - 这里是Tom

• 资源服务器(Resource Server) - 这里是Facebook

• 授权服务器(Authorization Server) - 这里当然还是Facebook，因为Facebook有相关数据

• 客户端(Client) - 这里是某App

当Tom试图登录Facebook，某App将他重定向到Facebook的授权服务器，当Tom登录成功，并且许可自己的Email和个人信息被某App获取。这两个资源被定义成一个Scope（权限范围），一旦准许，某App的开发者就可以申请访问权限范围中定义的这两个资源。

+--------+                               +---------------+
|        |--(A)- Authorization Request ->|   Resource    |
|        |                               |     Owner     |
|        |<-(B)-- Authorization Grant ---|               |
|        |                               +---------------+
|        |
|        |                               +---------------+
|        |--(C)-- Authorization Grant -->| Authorization |
| Client |                               |     Server    |
|        |<-(D)----- Access Token -------|               |
|        |                               +---------------+
|        |
|        |                               +---------------+
|        |--(E)----- Access Token ------>|    Resource   |
|        |                               |     Server    |
|        |<-(F)--- Protected Resource ---|               |
+--------+                               +---------------+

Tom允许了权限请求，再次通过重定向返回某App，重定向返回时携带了一个Access Token（访问令牌），接下来某App就可以通过这个Access Token从Facebook直接获取相关的授权资源（也就是Email和个人信息），而无需重新做Tom相关的鉴权。而且每当Tom登录了某App，都可以通过之前获得的Access Token，直接获取相关授权资源。

到目前为止，我们如何直接将以上内容用于实际的例子中？OAuth 2十分友好，并容易部署，所有交互都是关于客户端和权限范围的。

• OAuth 2中的客户端和权限范围和我们平时的用户和权限是否相同？

• 我需要将授权映射到权限范围中或将用户映射到客户端中？

• 为什么我需要客户端？

你也许在之前在类似的企业级开发案例中尝试映射过相关的角色。这会很棘手！

任何类型的应用都提供用户登录，登录结果是一个Access Token，所有的之后的API调用都将这个Access Token加入HTTP请求头中，被调用服务去授权服务器验证Access Token并获取该Token可访问的权限信息。这样一来，所有服务的访问都会请求另外的服务来完成鉴权。

权限范围和角色，客户端和用户

在OAuth 2中，你可以定义哪个应用（网站、移动客户端、桌面应用、其他）可以访问那些资源。这里只有一个尺寸，来自哪里的哪个用户可以访问那些数据，当然也是哪个应用或者服务可以访问那些资源。换一种说法，权限范围就是控制那些端点对客户端可见，或者用户根据他的权限来获取相关的数据。

在一个在线商店中，前端可以看做一个客户端，可以访问商品、订单和客户信息，但后端可以关于物流和合同等，另一方面，用户可以访问一个服务但并不是全部的数据，这可以是因为用户正在使用Web应用，当他不能的时候，其他用户却可以。服务之间的访问时我们要讨论的另一个维度。如果你熟悉数学，我可以说在OAuth 2中，客户端-权限范围关系是线性独立于用户-权限关系。

为什么是JWT

OAuth 2并不关心去哪找Access Token和把它存在什么地方的，生成随机字符串并保存Token相关的数据到这些字符串中保存好。通过一个令牌端点，其他服务可能会关心这个Token是否有效，它可以通过哪些权限。这就是用户信息URL方法，授权服务器为了获取用户信息转换为资源服务器。

当我们谈及微服务时，我们需要找一个Token存储的方式，来保证授权服务器可以被水平扩展，尽管这是一个很复杂的任务。所有访问微服务资源的请求都在Http Header中携带Token，被访问的服务接下来再去请求授权服务器验证Token的有效性，目前这种方式，我们需要两次或者更多次的请求，但这是为了安全性也没什么其他办法。但扩展Token存储会很大影响我们系统的可扩展性，这是我们引入JWT（读jot）的原因。

+-----------+                                     +-------------+
|           |       1-Request Authorization       |             |
|           |------------------------------------>|             |
|           |     grant_type&username&password    |             |--+
|           |                                     |Authorization|  | 2-Gen
|  Client   |                                     |Service      |  |   JWT
|           |       3-Response Authorization      |             |<-+
|           |<------------------------------------| Private Key |
|           |    access_token / refresh_token     |             |
|           |    token_type / expire_in / jti     |             |
+-----------+                                     +-------------+

简短来说，响应一个用户请求时，将用户信息和授权范围序列化后放入一个JSON字符串，然后使用Base64进行编码，最终在授权服务器用私钥对这个字符串进行签名，得到一个JSON Web Token，我们可以像使用Access Token一样的直接使用它，假设其他所有的资源服务器都将持有一个RSA公钥。当资源服务器接收到这个在Http Header中存有Token的请求，资源服务器就可以拿到这个Token，并验证它是否使用正确的私钥签名（是否经过授权服务器签名，也就是验签）。验签通过，反序列化后就拿到OAuth 2的验证信息。

验证服务器返回的信息可以是以下内容：

• access_token - 访问令牌，用于资源访问

• refresh_token - 当访问令牌失效，使用这个令牌重新获取访问令牌

• token_type - 令牌类型，这里是Bearer也就是基本HTTP认证

• expire_in - 过期时间

• jti - JWT ID

由于Access Token是Base64编码，反编码后就是下面的格式，标准的JWT格式。也就是Header、 Payload、Signature三部分。

{ 
  "alg":"RS256",
  "typ":"JWT"
}
{
  "exp": 1492873315,
  "user_name": "reader",
  "authorities": [
    "AURH_READ"
  ],
  "jti": "8f2d40eb-0d75-44df-a8cc-8c37320e3548",
  "client_id": "web_app",
  "scope": [
    "FOO"
  ]
}
&:lƧs)ۡ-[+
F"2"Kآ8ۓٞ:u9ٴ̯ޡ 9Q32Zƌ޿$ec{3mxJh0DF庖[!뀭N)㥔knVVĖV|夻ׄE㍫}Ŝf9>'<蕱굤Bۋеϵov虀DӨ8C4K}Emޢ    YVcaqIW&*uʝub!׏*Ť\՟-{ʖX܌WTq

使用JWT可以简单的传输Token，用RSA签名保证Token很难被伪造。Access Token字符串中包含用户信息和权限范围，我们所需的全部信息都有了，所以不需要维护Token存储，资源服务器也不必要求Token检查。

+-----------+                                    +-----------+
|           |       1-Request Resource           |           |
|           |----------------------------------->|           |
|           | Authorization: bearer Access Token |           |--+
|           |                                    | Resource  |  | 2-Verify
|  Client   |                                    | Service   |  |  Token
|           |       3-Response Resource          |           |<-+
|           |<-----------------------------------| Public Key|
|           |                                    |           |
+-----------+                                    +-----------+

所以，在微服务中使用OAuth 2，不会影响到整体架构的可扩展性。淡然这里还有一些问题没有涉及，例如Access Token过期后，使用Refresh Token到认证服务器重新获取Access Token等，后面会有具体的例子来展开讨论这些问题。

如果您感兴趣，后面还会有实现部分，敬请期待~

由于 http://asciiflow.com/ 流程图使用中文就无法对齐了，本文中流程图都是英文了~