JWT与RSA非对称加密的原理及其在微服务中的应用
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目前我们创建了若干个微服务,假如我们在用户中心做了登陆,接下来要去商品详情页添加商品,此时就要跳转到购物车微服务,但是购物车微服务和用户微服务不是同一台tomcat,之前判断登录状态是通过tomcat session ,通过保存用户信息到tomcat session 中,那现在我们有两台不同的tomcat,所以现在跳转之后没有登录状态了,这显然是不合理的,因为用户信息无法共享,所以之前所学的登录在分布式系统中是没法使用的,那我们就来解决这个问题——无状态登陆。
1 有状态登录
有状态服务,即服务端需要记录每次会话的客户端信息,从而识别客户端身份,根据用户身份进行请求的处理,典型的设计如tomcat中的session。
例如登录:用户登录后,我们把登录者的信息保存在服务端session中,并且给用户一个cookie值,记录对应的session。然后下次请求,用户携带cookie值来,我们就能识别到对应session,从而找到用户的信息。
缺点是什么?
- 服务端保存大量数据,增加服务端压力
- 服务端保存用户状态,无法进行水平扩展
- 客户端请求依赖服务端,多次请求必须访问同一台服务器
2 无状态登陆
微服务集群中的每个服务,对外提供的都是Rest风格的接口。而Rest风格的一个最重要的规范就是:服务的无状态性,即:
- 服务端不保存任何客户端请求者信息
- 客户端的每次请求必须具备自描述信息,通过这些信息识别客户端身份(并不是用户说自己是谁就是谁,自描述信息会在服务端生成)
带来的好处是什么呢?
- 客户端请求不依赖服务端的信息,任何多次请求不需要必须访问到同一台服务
- 服务端的集群和状态对客户端透明
- 服务端可以任意的迁移和伸缩
- 减小服务端存储压力
3 如何实现无状态
无状态登录的流程:
- 当客户端第一次请求服务时,服务端对用户进行信息认证(登录)
- 认证通过,将用户信息进行加密形成token,返回给客户端,作为登录凭证
- 以后每次请求,客户端都携带认证的token
- 服务的对token进行解密,判断是否有效。
流程图:
整个登录过程中,最关键的点是什么?
token的安全性
token是识别客户端身份的唯一标示,如果加密不够严密,被人伪造那就完蛋了。
采用何种方式加密才是安全可靠的呢?
我们将采用JWT + RSA非对称加密
4 JWT
JWT,全称是Json Web Token, 是JSON风格轻量级的授权和身份认证规范(规定和规范了加密的规范但没有实现,因此和语言无关),可实现无状态、分布式的Web应用授权;
- 官网:https://jwt.io;
- GitHub上jwt的java客户端:https://github.com/jwtk/jjwt
4.1 数据格式
JWT包含三部分数据:
-
Header:头部,通常头部有两部分信息:
声明类型,这里是JWT - 加密算法,自定义
我们会对头部进行base64加密(可解密),得到第一部分数据
Payload:载荷,就是有效数据,一般包含下面信息:
-
用户身份信息(注意,这里因为采用base64加密,可解密,因此不要存放敏感信息)
这部分也会采用base64加密,得到第二部分数据
Signature:签名,是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据,再加上服务的的密钥(secret)(不要泄漏,最好周期性更换),通过加密算法生成。用于验证整个数据完整和可靠性
生成的数据格式:
4.2 JWT交互流程
流程图:
步骤翻译:
- 1、用户登录
- 2、服务的认证,通过后根据secret生成token
- 3、将生成的token返回给用户
- 4、用户每次请求携带token
- 5、服务端利用公钥解读jwt签名,判断签名有效后,从Payload中获取用户信息
- 6、处理请求,返回响应结果
因为JWT签发的token中已经包含了用户的身份信息,并且每次请求都会携带,这样服务端就无需保存用户信息,甚至无需去数据库查询,完全符合了Rest的无状态规范。
5 RSA加密
5.1 加密技术
加密技术是对信息进行编码和解码的技术,编码是把原来可读信息(又称明文)译成代码形式(又称密文),其逆过程就是解码(解密),加密技术的要点是加密算法,加密算法可以分为三类:
- 对称加密,如AES 基本原理:将明文分成N个组,然后使用密钥对各个组进行加密,形成各自的密文,最后把所有的分组密文进行合并,形成最终的密文。
- 优势:算法公开、计算量小、加密速度快、加密效率高
- 缺陷:双方都使用同样密钥,安全性得不到保证
-
基本原理:同时生成两把密钥:私钥和公钥,私钥隐秘保存,公钥可以下发给信任客户端
私钥加密,持有私钥或公钥才可以解密
-
基本原理:加密过程中不需要使用密钥,输入明文后由系统直接经过加密算法处理成密文,这种加密后的数据是无法被解密的,无法根据密文推算出明文。
那光有JWT不就够了吗?为什么还要RSA算法,JWT也不是非要结合RSA算法,MD5加密理论上也是可以的,那为什么非要学习RSA加密?
如果我们没有RSA加密,只有JWT和MD5(首先MD5是不可逆加密,只能加密无法解密,而RSA可以加密也可以解密)那么我们做登录是什么样子的?
5.1没有RSA加密时
在微服务架构中,我们可以把服务的鉴权操作放到网关中,将未通过鉴权的请求直接拦截,如图:
注:我们把Zuul加进来,因为Zuul是整个后台微服务的入口,所有的请求都要先经过Zuul才能到达特定的微服务,所以我们关于鉴权的流程没有必要放在每一个微服务做一次,这就太复杂了,我们放在入口Zuul的位置,只需要做一次。
- 1、用户请求登录
- 2、Zuul将请求转发到授权中心,请求授权
- 3、授权中心校验完成,颁发JWT凭证
- 4、客户端请求其它功能,携带JWT
- 5、Zuul将JWT交给授权中心校验,通过后放行
- 6、用户请求到达微服务
- 7、微服务将JWT交给鉴权中心,鉴权同时解析用户信息
- 8、鉴权中心返回用户数据给微服务
- 9、微服务处理请求,返回响应
发现什么问题了?
每次鉴权都需要访问鉴权中心,系统间的网络请求频率过高,效率略差,鉴权中心的压力较大。
5.2 结合RSA的鉴权流程图:
- 我们首先利用RSA生成公钥和私钥。私钥保存在授权中心,公钥保存在Zuul和各个微服务
- 用户请求登录
- 授权中心校验,通过后用私钥对JWT进行签名加密
- 返回JWT给用户
- 用户携带JWT访问
- Zuul直接通过公钥解密JWT,进行验证,验证通过则放行
- 请求到达微服务,微服务直接用公钥解析JWT,获取用户信息,无需访问授权中心
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