Spring Cloud Security[微服务安全](一)初识Spring Cloud Security和OAuth2.0

在介绍Spring Cloud Security之前，我们先要介绍一下Spring Security。

Spring Security是一套提供了完整的声明式安全访问控制的解决方案。

Spring Security是基于Spring AOP和Servlet过滤器的，它只能服务基于Spring的应用程序。

除常规认证和授权外，它还提供 ACL，LDAP，JAAS，CAS 等高级安全特性以满足复杂环境中的安全需求。

(注:在Spring Security中，Authority和Permission是两个完全独立的概念，两者没有必然的联系。它们之前需要通过配置进行关联。)

安全方案的实现通常分为 认证(Authentication) 和 授权(Authorization) 两部分。

使用者可以使一个 用户 ， 设备 ，和可以在应用程序中执行某种操作的 其它系统 。

认证一般通过用户名和密码的正确性校验来完成通过或拒绝。

Spring Security支持的主流认证如下:

Spring Security进行认证的步骤:

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++ 1. 用户使用用户名和密码登陆

++

++ 2. 过滤器(UsernamePasswordAuthenticationFilter)获取到用户名

++    和密码，将它们封装成Authentication

++

++ 3. AuthenticationManager认证Token(由Authentication实现类传递)

++

++ 4. AuthenticationManager认证成功，返回一个封装了用户权限信息

++    的Authentication对象，包含用户的上下文信息(角色列表)

++

++ 5. 将Authentication对象赋值给当前的SecurityContext，建立这个用户

++ 的安全上下文( SecurityContextHolder.getContext.setAuthentication() )

++

++ 6. 当用户进行一些受到访问控制机制保护的操作，访问控制机制会依据

++    当前安全的上下文信息来检查这个操作所需的权限

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Spring Security提供了一系列基本组件，如spring-security-acl, spring-security-cas, spring-security-oauth2等。

具体这里就不详述了，读者可以查看官网的介绍。

 

Spring Cloud Security是用于构建微服务系统架构下的安全的应用程序和服务，它可以轻松实现基于微服务架构的统一的安全认证与授权。

Spring Cloud Security相对于Spring Security整合了Zuul，Feign，而且更加完美地整合了OAuth2.0。

 

OAuth 2.0是用于授权的行业标准协议。

原理:

OAuth2是用户资源和第三方应用之间的一个中间层。

它把资源和第三方应用隔开，使得第三方应用无法直接访问资源，第三方应用要访问资源需要通过提供 凭证(Token) 来获得OAuth 2.0授权。

OAuth2的典型例子:

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== 微信公众号授权提醒

== 页面弹出一个提示框需要获取我们的个人信息

== 单击确定

== 第三方应用会获取我们在微信公众平台中的个人信息

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OAuth的关键角色:

在用户授权第三方获取私有资源后，第三方通过获取到的token等信息通过授权服务器认证，然后去资源服务器获取资源。

 

密码模式中，资源拥有者负责向客户端提供用户名和密码；

客户端根据用户名和密码箱认证服务器申请令牌，正确后认证服务器发放令牌。

客户端请求参数:

缺点:

用户对客户端高度可信，必须把自己的密码发给客户端，存在被黑客窃取的隐患(不推荐)。

在授权码模式中，客户端是通过其后台服务器与认证服务器进行交互的。

授权码模式的运行流程:

从以上图中我们可以看到客户端服务器和认证服务器需经过2次握手，客户端服务器才能拿到最终的访问和更新令牌。

客户端申请认证的参数:

 

服务器返回的参数:

 

客户端收到授权码以后，附上重定向URI，向认证服务器申请访问令牌。

客户端申请令牌的参数:

 

服务器返回的参数:

 

如果访问令牌已经过期，可以使用更新令牌申请一个新的访问令牌。

通过更新令牌申请访问令牌的参数:

这两种模式不常用，因此在这里就不多叙述了。

OAuth2是一个关于授权的开放标准，核心思路是通过各类认证手段（具体什么手段OAuth2不关心）认证用户身份，并颁发token（令牌），使得第三方应用可以使用该令牌在 限定时间 、 限定范围 访问指定资源。主要涉及的RFC规范有 RFC6749 （整体授权框架）, RFC6750 （令牌使用）, RFC6819 （威胁模型）这几个，一般我们需要了解的就是 RFC6749 。获取令牌的方式主要有四种，分别是 授权码模式 ， 简单模式 ， 密码模式 和 客户端模式 ，如何获取token不在本篇文章的讨论范围，我们这里假定客户端已经通过某种方式获取到了access_token，想了解具体的oauth2授权步骤可以移步阮一峰老师的 理解OAuth 2.0 ，里面有非常详细的说明。

这里要先明确几个OAuth2中的几个重要概念：

明确概念后，就可以看OAuth2的协议握手流程，摘自RFC6749

Spring Security是一套安全框架，可以基于RBAC（基于角色的权限控制）对用户的访问权限进行控制，核心思想是通过一系列的filter chain来进行拦截过滤，以下是ss中默认的内置过滤器列表，当然你也可以通过 custom-filter 来自定义扩展filter chain列表

这里面最核心的就是 FILTER_SECURITY_INTERCEPTOR ，通过 FilterInvocationSecurityMetadataSource 来进行资源权限的匹配， AccessDecisionManager 来执行访问策略。

一般意义来说的应用访问安全性，都是围绕认证（Authentication）和授权（Authorization）这两个核心概念来展开的。即首先需要确定用户身份，在确定这个用户是否有访问指定资源的权限。认证这块的解决方案很多，主流的有 CAS 、 SAML2 、 OAUTH2 等（不巧这几个都用过-_-），我们常说的单点登录方案（SSO）说的就是这块，授权的话主流的就是spring security和shiro。shiro我没用过，据说是比较轻量级，相比较而言spring security确实架构比较复杂。

将OAuth2和Spring Security集成，就可以得到一套完整的安全解决方案。

为了便于理解，现在假设有一个名叫“脸盆网”的社交网站，用户在首次登陆时会要求导入用户在facebook的好友列表，以便于快速建立社交关系。具体的授权流程如下：

不难看出，这个假设的场景中，脸盆网就是第三方应用（client），而facebook既充当了认证服务器，又充当了资源服务器。这个流程里面有几个比较重要的关键点，我需要重点说一下，而这也是其他的涉及spring security与OAuth2整合的文章中很少提及的，很容易云里雾里的地方。

细心的同学应该发现了，其实在标准的OAuth2授权过程中，5、6、8这几步都不是必须的，从上面贴的 RFC6749 规范来看，只要有1、2、3、4、7这几步，就完成了被保护资源访问的整个过程。事实上， RFC6749 协议规范本身也并不关心用户身份的部分，它只关心token如何颁发，如何续签，如何用token访问被保护资源（facebook只要保证返回给脸盆网的就是当前用户的好友，至于当前用户是谁脸盆网不需要关心）。那为什么spring security还要做5、6这两步呢？这是因为spring security是一套完整的安全框架，它必须关心用户身份！在实际的使用场景中，OAuth2一般不仅仅用来进行被保护资源的访问，还会被用来做单点登陆（SSO）。在SSO的场景中，用户身份无疑就是核心，而token本身是不携带用户信息的，这样client就没法知道认证服务器发的token到底对应的是哪个用户。设想一下这个场景，脸盆网不想自建用户体系了，想直接用facebook的用户体系，facebook的用户和脸盆网的用户一一对应（其实在很多中小网站现在都是这种模式，可以选择使用微信、QQ、微博等网站的用户直接登陆），这种情况下，脸盆网在通过OAuth2的认证后，就希望拿到用户信息了。所以现在一般主流的OAuth2认证实现，都会预留一个用户信息获取接口，就是上面提到的 https://api.facebook.com/user (虽然这不是OAuth2授权流程中必须的)，这样client在拿到token后，就可以携带token通过这个接口获取用户信息，完成SSO的整个过程。另外从用户体验的角度来说，如果获取不到用户信息，则意味者每次要从脸盆网访问facebook的资源，都需要重定向一次进行认证，用户体验也不好。

首先要明确一点， OAuth2并不是一个SSO框架，但可以实现SSO功能 。以下是一个使用github作为OAuth2认证服务器的配置文件

可以看到 accessTokenUri 和 userAuthorizationUri 都是为了完成OAuth2的授权流程所必须的配置，而 userInfoUri 则是spring security框架为了完成SSO所必须要的。所以总结一下就是： 通过将用户信息这个资源设置为被保护资源，可以使用OAuth2技术实现单点登陆（SSO），而Spring Security OAuth2就是这种OAuth2 SSO方案的一个实现。

Spring Security在调用user接口成功后，会构造一个 OAuth2Authentication 对象，这个对象是我们通常使用的 UsernamePasswordAuthenticationToken 对象的一个超集，里面封装了一个标准的 UsernamePasswordAuthenticationToken ，同时在 detail 中还携带了OAuth2认证中需要用到的一些关键信息（比如 tokenValue ， tokenType 等），这时候就完成了SSO的登陆认证过程。后续用户如果再想访问被保护资源，spring security只需要从principal中取出这个用户的token，再去访问资源服务器就行了，而不需要每次进行用户授权。这里要注意的一点是 此时浏览器与client之间仍然是通过传统的cookie-session机制来保持会话，而非通过token。实际上在SSO的过程中，使用到token访问的只有client与resource server之间获取user信息那一次，token的信息是保存在client的session中的，而不是在用户本地 。这也是之前我没搞清楚的地方，以为浏览器和client之间也是使用token，绕了不少弯路，对于Spring Security来说， 不管是用cas、saml2还是Oauth2来实现SSO，最后和用户建立会话保持的方式都是一样的 。

根据前面所说，大家不难看出，OAuth2的SSO方案和CAS、SAML2这样的纯SSO框架是有本质区别的。在CAS和SAML2中，没有资源服务器的概念，只有认证客户端（需要验证客户信息的应用）和认证服务器（提供认证服务的应用）的概念。在CAS中这叫做 cas-client 和 cas-server ，SAML2中这叫做 Service Providers 和 Identity Provider ，可以看出CAS、SAML2规范天生就是为SSO设计的，在报文结构上都考虑到了用户信息的问题（SAML2规范甚至还带了权限信息），而OAuth2本身不是专门为SSO设计的，主要是为了解决资源第三方授权访问的问题，所以在用户信息方面，还需要额外提供一个接口。

脸盆网的这个例子中，我们看到资源服务器和认证服务器是在一起的（都是facebook），在互联网场景下一般你很难找到一个独立的、权威的、第三方的认证中心（你很难想像腾讯的QQ空间通过支付宝的认证中心去授权，也很难想像使用谷歌服务要通过亚马逊去授权）。但是如果是在公司内部，这种场景其实是很多的，尤其在微服务架构下，有大量服务会对外提供资源访问，他们都需要做权限控制。那么最合理的当然就是建立一个统一的认证中心，而不是每个服务都做一个认证中心。我们前面也介绍了，token本身是不携带用户信息的，在分离后resouce server在收到请求后，如何检验token的真实性？又如何从token中获取对应的用户信息？这部分的介绍网上其实非常少，幸好我们可以直接从官方文档获取相关的蛛丝马迹，官方文档对于resouce server的配置是这样描述的：

寥寥数语，但已经足够我们分析了。从这个配置可以看出，client在访问resource server的被保护资源时，如果没有携带token，则资源服务器直接返回一个401未认证的错误

如果携带了token，则资源服务器会使用这个token向认证服务器发起一个用户查询的请求，若token错误或已经失效，则会返回

若token验证成功，则认证服务器向资源服务器返回对应的用户信息，此时resource server的spring security安全框架就可以按照标准的授权流程进行访问权限控制了。

从这个流程中我们可以看出，通过OAuth2进行SSO认证，有一个好处是做到了 认证与授权的解耦 。从日常的使用场景来说，认证比较容易做到统一和抽象，毕竟你就是你，走到哪里都是你，但是你在不同系统里面的角色，却可能千差万别（家里你是父亲，单位里你是员工，父母那里你是子女）。同时角色的设计，又是和资源服务器的设计强相关的。从前面的配置中不难发现，如果希望获得为不同资源服务器设计的角色，你只需要替换 https://api.facebook.com/user 这个配置就行了，这为我们的权限控制带来了更大的灵活性，而这是传统的比如SAML2这样的SSO框架做不到的。

终于来到了著名的JWT部分了，JWT全称为Json Web Token，最近随着微服务架构的流行而越来越火，号称新一代的认证技术。今天我们就来看一下，jwt的本质到底是什么。

我们先来看一下OAuth2的token技术有没有什么痛点，相信从之前的介绍中你也发现了，token技术最大的问题是 不携带用户信息 ，且资源服务器无法进行本地验证，每次对于资源的访问，资源服务器都需要向认证服务器发起请求，一是验证token的有效性，二是获取token对应的用户信息。如果有大量的此类请求，无疑处理效率是很低的，且认证服务器会变成一个中心节点，对于SLA和处理性能等均有很高的要求，这在分布式架构下是很要命的。

JWT就是在这样的背景下诞生的，从本质上来说，jwt就是一种 特殊格式 的token。普通的oauth2颁发的就是一串随机hash字符串，本身无意义，而jwt格式的token是有特定含义的，分为三部分：

这三部分均用base64进行编码，当中用 . 进行分隔，一个典型的jwt格式的token类似 xxxxx.yyyyy.zzzzz 。关于jwt格式的更多具体说明，不是本文讨论的重点，大家可以直接去官网查看 官方文档 ，这里不过多赘述。

相信看到签名大家都很熟悉了，没错，jwt其实并不是什么高深莫测的技术，相反非常简单。认证服务器通过对称或非对称的加密方式利用 payload 生成 signature ，并在 header 中申明签名方式，仅此而已。通过这种本质上极其传统的方式，jwt可以实现 分布式的token验证功能 ，即资源服务器通过事先维护好的对称或者非对称密钥（非对称的话就是认证服务器提供的公钥），直接在本地验证token，这种去中心化的验证机制无疑很对现在分布式架构的胃口。jwt相对于传统的token来说，解决以下两个痛点：

在上面的那个资源服务器和认证服务器分离的例子中，如果认证服务器颁发的是jwt格式的token，那么资源服务器就可以直接自己验证token的有效性并绑定用户，这无疑大大提升了处理效率且减少了单点隐患。

就像布鲁克斯在《人月神话》中所说的名言一样：“没有银弹”。JWT的使用上现在也有一种误区，认为传统的认证方式都应该被jwt取代。事实上，jwt也不能解决一切问题，它也有适用场景和不适用场景。

适用场景：

这些场景能充分发挥jwt无状态以及分布式验证的优势

不适用的场景：

不要试图用jwt去代替session。 这种模式下其实传统的session+cookie机制工作的更好，jwt因为其无状态和分布式，事实上只要在有效期内，是无法作废的，用户的签退更多是一个客户端的签退，服务端token仍然有效，你只要使用这个token，仍然可以登陆系统。另外一个问题是续签问题，使用token，无疑令续签变得十分麻烦，当然你也可以通过redis去记录token状态，并在用户访问后更新这个状态，但这就是硬生生把jwt的无状态搞成有状态了，而这些在传统的session+cookie机制中都是不需要去考虑的。这种场景下，考虑高可用，我更加推荐采用分布式的session机制，现在已经有很多的成熟框架可供选择了（比如spring session）。

微服务架构中推荐采用无状态 API 模式，主要有两种方案比较普遍。其中 OAuth2.0 能够完全满足。此外 JWT 除了不能满足 SSOff(一次登出全部登出) 外，其他都能满足，且是所有方案里最为简便轻巧的一个，可通过搭配 API 网关来满足 SSOff 特性的要求，因此 JWT + API 网关也是一个推荐的方案。

API 网关作为服务访问的统一入口，所有用户请求都会过 API 网关，很适合用来做认证鉴权这类切面型服务。网关可以拦截用户请求，获取请求中附带的用户身份信息，调用认证授权中心的服务，对请求者做身份认证，即确认当前访问者确实是其所声称的身份，检查该用户是否有访问该后台服务的权限。

目前主流的认证鉴权方案有 2 种。

第一种是引入 Redis 做分布式会话，即用户登录成功后，将用户身份、权限信息存入 Redis，以一个唯一 ID 作为 Key，并设置信息在 Redis 里的失效时间。这个唯一 ID 的 Key 将返回给客户端，客户端可以放入 Cookie，sessionStorage 等处做本地存储。下次访问的时候，将这个唯一 ID 放入请求参数中一起发送（一般放入 Header）。服务端通过检查 Redis 里有无这个 ID 来判断用户是否登录，获取用户身份和权限信息。客户端如果长时间没有操作，则存储在 Redis 里会话信息过期自动删除。客户端每访问一次服务端，需刷新一次会话信息的过期时间，避免固定过期时间带来的低用户体验。

第二种是 JWT，即 Java Web Token。用户登录成功后，服务端向客户端返回的唯一 ID 不再是无意义的字符串，而是包含了用户身份、权限、失效时间等信息的加密字符串。并且这个字符串包含数字签名，服务端可对这个字符串做数字签名验签，确保该字符串未经篡改和伪造。相比分布式会话方案，JWT 虽省去了 Redis 存储，但是每次访问都要做数字签名验证，增加了 CPU 的资源损耗。

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