Spring Security+JWT实现微服务架构中的身份验证和授权
作者： 吕玉桂摘要：身份验证和授权是保障Web应用程序安全性的关键因素。文章以基于微服务架构的电商应用为例，从设计思路到实现过程，介绍了基于Spring Security框架结合JWT实现分布式环境下的身份验证和授权技术。系统采用RBAC模型实现了基于角色的动态授权，借助Java的jjwt库按照JWT规则生成Token，解决了分布式环境下的Token过期和Token传递问题，保证了服务之间的正确调用和良好的用户体验。
关键词：Spring Security；JWT；RBAC；微服务；身份验证；授权
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2024）22-0060-04
开放科学（资源服务）标识码（OSID）
0 引言
随着互联网技术的飞速发展，其在各个行业的广泛应用日益广泛。随着用户数量的激增和业务场景的日益复杂化，传统的单体架构已难以满足当前互联网技术的发展需求。为了提升系统的可维护性和扩展性，并降低维护成本，微服务架构应运而生。该架构将一个大型软件应用分解为一组小型服务，每个服务均运行在其独立的进程中，使用轻量级机制通信，并独立部署每个服务，提升系统的维护性和扩展性。
微服务架构同样面临挑战，服务之间依赖API进行通信，因此确保API安全、限制未授权用户的访问以及数据篡改等至关重要。Spring Security作为安全框架提供了身份验证、授权、加密、会话管理等功能。JWT用于在多个服务之间传输加密的用户信息，进行身份验证和标识。RBAC基于角色实现对资源的访问控制。三者融合在一起实现微服务架构的安全策略。
本文以电商系统为例，介绍在微服务架构中使用Spring Security+JWT结合RBAC实现身份验证和授权。
1 核心技术
1.1 Spring Security
Spring Security是一个功能强大且高度可定制的基于Java的认证和授权框架，旨在为应用程序提供全面的安全保护。它提供了一系列的API和功能，帮助开发人员在应用程序中实现各种安全特性，如用户认证、授权、密码加密等。通过提供保护机制来防止常见的安全漏洞，CSRF，XSS、点击劫持等[1]，从而提高应用程序的安全性。核心原理是通过 Spring AOP和 Servlet 过滤器来保护应用程序。当 HTTP 请求到达应用程序时，通过一组过滤器链进行不同的安全检查，验证用户身份以及是否有权限访问所请求的资源[2]。支持基于角色的访问控制，允许开发者定制安全策略。Spring Security强大的功能和灵活性使其成为保护Spring应用程序的首选安全解决方案。
1.2 JWT
JWT（JSON Web Token） 是一种基于JSON格式的轻量级安全令牌标准，用于在网络应用中传递身份信息[3]，它由头部、载荷和签名三部分组成。用户登录后，服务器会生成 JWT 并发送给客户端。客户端将令牌存储在本地LocalStorage，后续携带JWT向服务器发送请求，服务器通过验证JWT确认用户身份[4]。JWT具有一定的有效期，过期后须重新获取新的令牌。JWT的跨域性、安全性、扩展性适合在分布式架构中实现身份验证。
1.3 RBAC
RBAC（Role-Based Access Control） 基于角色的访问控制，是一种广泛应用于系统和网络安全中的访问控制模型[5]。RBAC模型引入了角色这一中间层概念，通过角色与权限的关联来简化用户与权限的直接关系，从而更灵活高效地管理系统的访问控制。通过将权限授予角色，可以减少权限分配的复杂性和重复性。当用户角色发生变化时，只需要更改角色与权限的关联，而无须管理每个用户的权限。RBAC模型以其灵活性、简化性、细粒度控制等优点成为权限控制的主要模型。
2 系统架构
本文介绍的电商应用主要面向前台用户和后台的管理员，按照功能模块划分为前台模块和后台模块。具体功能模块如图1所示。
电商应用涉及功能多，需求变化快，业务复杂。传统的单体架构难以扩展，采用微服务架构根据功能拆分为独立的服务，单个部署，独立扩展，可以提高系统的稳定性和扩展性。微服务架构同样面临挑战，要解决服务间的通信、数据一致性、分布式事务处理等问题。本系统采取国内主流的微服务解决方案Spring Cloud+Spring Cloud Alibaba技术栈[3]，从服务发现、配置、熔断、远程调用以及分布式事务全方位实现微服务应用。核心组件的应用有：Nacos：提供注册中心和配置中心，便于服务的发现和统一的配置管理。Sentinel： 解决服务熔断降级，流量控制，提升系统的可用性和稳定性。Feign： 简洁快速地实现微服务之间的通信和负载均衡。Seata： 以简单高效的方式解决分布式事务，让开发人员专注于业务逻辑。Gateway： 提供微服务统一的访问入口，实现权限拦截。服务列表：每个独立的功能模块，划分为一个独立服务。身份验证授权服务：验证用户身份并进行授权的服务。
系统架构如图2所示。
本系统面向的PC端用户和移动端用户拥有不同的权限，每当请求后端服务时，都需要身份信息。身份验证是用户访问后端服务的必经之路，为提升性能，会独立设计身份验证授权服务实现用户身份及权限的过滤。
3 身份验证以及授权实现
3.1 数据库设计
本系统面向管理员用户和终端小程序用户，两者需要存储不同的用户信息以及权限，因此独立设计会员表和系统用户表，根据RBAC设计基于用户和角色权限都是多对多关系。设计用户相关表如图3所示。
3.2 网关设计
网关作为用户访问后端服务的第一道关卡，主要用于实现用户拦截。用户在服务器登录成功时，根据JWT生成Token返回到客户端，并保存在LocalStorage[4]。用户向后端发请求时须携带Token，网关则验证用户是否在请求头中包含了Token，如果有，则放行，否则拦截。
在网关服务中，创建TokenCheckFilter实现GlobalFilter接口，提供token的验证。用户在访问时，通过请求头header携带Authorization ： Bearer Token。如果Token合法并且在Redis中存在，则继续进行。否则直接拦截在网关之外。代码思路如下：
public class TokenCheckFilter implements GlobalFilter， Ordered {
public Mono<Void> filter（ServerWebExchange exchange， GatewayFilterChain chain） { //1.判断是否是可以放行的url
//2.从header中获取身份授权
//3.获取token的实际内容--将前缀Bearer替换为""
//4.如果token合法，并且在redis中存在（没有过期）则放行
//5.如果没有合法的token，则拦截在网关之外
//6.输出结果 }
3.3 身份验证授权服务
授权服务用于用户身份信息及授权验证。如果用户第一次登录，则需要提供用户名密码或者小程序用户信息进行数据库验证。如果提供的信息正确，则根据JWT生成Token，存到redis，并将token信息返回前端，存入LocalStorage。其中，Spring Security框架负责登录验证，用户注销，加密处理以及相关安全的配置。
3.3.1 登录验证
采用Spring Security的验证功能，自定义实现接口UserDetailsService接口，提供登录验证。本项目有两种类型用户，使用同一套登录验证程序。因此在登录时使用userType=sysUser或者userType=Member分别进行身份验证和授权处理，即同一套验证登录程序处理两种类型的用户登录[5]。代码思路如下：
public class UserDetailServiceImpl implements UserDetailsService {
//小程序传递header信息loginType=Member，后台用户loginType=SysUser
public UserDetails loadUserByUsername（String username） throws UsernameNotFoundException {
//获取用户类型
switch （loginType） {
case AuthConstant.SYS_USER： //后台系统用户
{//根据用户名查询表sys_user，sys_role，sys_menu，sys_user_role，sys_role_menu
//获取用户以及权限并返回系统用户对象
}
case AuthConstant.MEMBER：
{ //调用小程序接口获取open_id，查询数据库如果有直接返回
//如果不存在则自动注册插入数据库，返回会员对象 }
}
return //系统用户或者会员; } }
3.3.2 安全验证
继承使用Spring Security的WebSecurityConfigurer⁃Adapter类实现安全验证功能，处理登录，注销以及加密等逻辑。
public class WebSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
@Bean //登录成功的处理逻辑
public AuthenticationSuccessHandler authenticationSuccessHandler（）
{ // 生成token，返回前端，同时保存在redis }
@Bean //处理登录失败的逻辑
public AuthenticationFailureHandler authenticationFailureHandler（）
{ //设置错误信息，并将结果写入json对象，输出到客户端 }
@Bean //注销成功处理逻辑
public LogoutSuccessHandler logoutSuccessHandler（）
{ //从header中获取token，获取真正的token，删除redis缓存 }
}
3.4 Token的解析和续约
用户访问后端服务时携带的Token仅包含用户信息，用户的权限信息存储在服务端Redis中。Spring Security进行身份验证时需要用户对象以及权限集合，需要将Redis中的用户级权限字符串反序列化为用户对象，转换成Security的身份对象，存入Security上下文，保证后续的操作可用，这个过程就是Token解析。同时，为了提升用户体验，在用户持续访问网站的过程中，Token过期时间自动后延，避免绝对过期，即Token的续约。使用过滤器技术，实现接口OncePerRequestFilter，在每次请求时进行Token解析和续约操作。代码思路如下：