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深入理解Spring Cloud Security OAuth2及JWT

OAuth2是壹個關於授權的開放標準,核心思路是通過各類認證手段(具體什麽手段OAuth2不關心)認證用戶身份,並頒發token(令牌),使得第三方應用可以使用該令牌在 限定時間 限定範圍 訪問指定資源。主要涉及的RFC規範有 RFC6749 (整體授權框架), RFC6750 (令牌使用), RFC6819 (威脅模型)這幾個,壹般我們需要了解的就是 RFC6749 。獲取令牌的方式主要有四種,分別是 授權碼模式 , 簡單模式 , 密碼模式 和 客戶端模式 ,如何獲取token不在本篇文章的討論範圍,我們這裏假定客戶端已經通過某種方式獲取到了access_token,想了解具體的oauth2授權步驟可以移步阮壹峰老師的 理解OAuth 2.0 ,裏面有非常詳細的說明。

這裏要先明確幾個OAuth2中的幾個重要概念:

明確概念後,就可以看OAuth2的協議握手流程,摘自RFC6749

Spring Security是壹套安全框架,可以基於RBAC(基於角色的權限控制)對用戶的訪問權限進行控制,核心思想是通過壹系列的filter chain來進行攔截過濾,以下是ss中默認的內置過濾器列表,當然妳也可以通過 custom-filter 來自定義擴展filter chain列表

這裏面最核心的就是 FILTER_SECURITY_INTERCEPTOR ,通過 FilterInvocationSecurityMetadataSource 來進行資源權限的匹配, AccessDecisionManager 來執行訪問策略。

壹般意義來說的應用訪問安全性,都是圍繞認證(Authentication)和授權(Authorization)這兩個核心概念來展開的。即首先需要確定用戶身份,在確定這個用戶是否有訪問指定資源的權限。認證這塊的解決方案很多,主流的有 CAS 、 SAML2 、 OAUTH2 等(不巧這幾個都用過-_-),我們常說的單點登錄方案(SSO)說的就是這塊,授權的話主流的就是spring security和shiro。shiro我沒用過,據說是比較輕量級,相比較而言spring security確實架構比較復雜。

將OAuth2和Spring Security集成,就可以得到壹套完整的安全解決方案。

為了便於理解,現在假設有壹個名叫“臉盆網”的社交網站,用戶在首次登陸時會要求導入用戶在facebook的好友列表,以便於快速建立社交關系。具體的授權流程如下:

不難看出,這個假設的場景中,臉盆網就是第三方應用(client),而facebook既充當了認證服務器,又充當了資源服務器。這個流程裏面有幾個比較重要的關鍵點,我需要重點說壹下,而這也是其他的涉及spring security與OAuth2整合的文章中很少提及的,很容易雲裏霧裏的地方。

細心的同學應該發現了,其實在標準的OAuth2授權過程中,5、6、8這幾步都不是必須的,從上面貼的 RFC6749 規範來看,只要有1、2、3、4、7這幾步,就完成了被保護資源訪問的整個過程。事實上, RFC6749 協議規範本身也並不關心用戶身份的部分,它只關心token如何頒發,如何續簽,如何用token訪問被保護資源(facebook只要保證返回給臉盆網的就是當前用戶的好友,至於當前用戶是誰臉盆網不需要關心)。那為什麽spring security還要做5、6這兩步呢?這是因為spring security是壹套完整的安全框架,它必須關心用戶身份!在實際的使用場景中,OAuth2壹般不僅僅用來進行被保護資源的訪問,還會被用來做單點登陸(SSO)。在SSO的場景中,用戶身份無疑就是核心,而token本身是不攜帶用戶信息的,這樣client就沒法知道認證服務器發的token到底對應的是哪個用戶。設想壹下這個場景,臉盆網不想自建用戶體系了,想直接用facebook的用戶體系,facebook的用戶和臉盆網的用戶壹壹對應(其實在很多中小網站現在都是這種模式,可以選擇使用微信、QQ、微博等網站的用戶直接登陸),這種情況下,臉盆網在通過OAuth2的認證後,就希望拿到用戶信息了。所以現在壹般主流的OAuth2認證實現,都會預留壹個用戶信息獲取接口,就是上面提到的 /user (雖然這不是OAuth2授權流程中必須的),這樣client在拿到token後,就可以攜帶token通過這個接口獲取用戶信息,完成SSO的整個過程。另外從用戶體驗的角度來說,如果獲取不到用戶信息,則意味者每次要從臉盆網訪問facebook的資源,都需要重定向壹次進行認證,用戶體驗也不好。

首先要明確壹點, OAuth2並不是壹個SSO框架,但可以實現SSO功能 。以下是壹個使用github作為OAuth2認證服務器的配置文件

可以看到 accessTokenUri 和 userAuthorizationUri 都是為了完成OAuth2的授權流程所必須的配置,而 userInfoUri 則是spring security框架為了完成SSO所必須要的。所以總結壹下就是: 通過將用戶信息這個資源設置為被保護資源,可以使用OAuth2技術實現單點登陸(SSO),而Spring Security OAuth2就是這種OAuth2 SSO方案的壹個實現。

Spring Security在調用user接口成功後,會構造壹個 OAuth2Authentication 對象,這個對象是我們通常使用的 UsernamePasswordAuthenticationToken 對象的壹個超集,裏面封裝了壹個標準的 UsernamePasswordAuthenticationToken ,同時在 detail 中還攜帶了OAuth2認證中需要用到的壹些關鍵信息(比如 tokenValue , tokenType 等),這時候就完成了SSO的登陸認證過程。後續用戶如果再想訪問被保護資源,spring security只需要從principal中取出這個用戶的token,再去訪問資源服務器就行了,而不需要每次進行用戶授權。這裏要註意的壹點是 此時瀏覽器與client之間仍然是通過傳統的cookie-session機制來保持會話,而非通過token。實際上在SSO的過程中,使用到token訪問的只有client與resource server之間獲取user信息那壹次,token的信息是保存在client的session中的,而不是在用戶本地 。這也是之前我沒搞清楚的地方,以為瀏覽器和client之間也是使用token,繞了不少彎路,對於Spring Security來說, 不管是用cas、saml2還是Oauth2來實現SSO,最後和用戶建立會話保持的方式都是壹樣的

根據前面所說,大家不難看出,OAuth2的SSO方案和CAS、SAML2這樣的純SSO框架是有本質區別的。在CAS和SAML2中,沒有資源服務器的概念,只有認證客戶端(需要驗證客戶信息的應用)和認證服務器(提供認證服務的應用)的概念。在CAS中這叫做 cas-client 和 cas-server ,SAML2中這叫做 Service Providers 和 Identity Provider ,可以看出CAS、SAML2規範天生就是為SSO設計的,在報文結構上都考慮到了用戶信息的問題(SAML2規範甚至還帶了權限信息),而OAuth2本身不是專門為SSO設計的,主要是為了解決資源第三方授權訪問的問題,所以在用戶信息方面,還需要額外提供壹個接口。

臉盆網的這個例子中,我們看到資源服務器和認證服務器是在壹起的(都是facebook),在互聯網場景下壹般妳很難找到壹個獨立的、權威的、第三方的認證中心(妳很難想像騰訊的QQ空間通過支付寶的認證中心去授權,也很難想像使用谷歌服務要通過亞馬遜去授權)。但是如果是在公司內部,這種場景其實是很多的,尤其在微服務架構下,有大量服務會對外提供資源訪問,他們都需要做權限控制。那麽最合理的當然就是建立壹個統壹的認證中心,而不是每個服務都做壹個認證中心。我們前面也介紹了,token本身是不攜帶用戶信息的,在分離後resouce server在收到請求後,如何檢驗token的真實性?又如何從token中獲取對應的用戶信息?這部分的介紹網上其實非常少,幸好我們可以直接從官方文檔獲取相關的蛛絲馬跡,官方文檔對於resouce server的配置是這樣描述的:

寥寥數語,但已經足夠我們分析了。從這個配置可以看出,client在訪問resource server的被保護資源時,如果沒有攜帶token,則資源服務器直接返回壹個401未認證的錯誤

如果攜帶了token,則資源服務器會使用這個token向認證服務器發起壹個用戶查詢的請求,若token錯誤或已經失效,則會返回

若token驗證成功,則認證服務器向資源服務器返回對應的用戶信息,此時resource server的spring security安全框架就可以按照標準的授權流程進行訪問權限控制了。

從這個流程中我們可以看出,通過OAuth2進行SSO認證,有壹個好處是做到了 認證與授權的解耦 。從日常的使用場景來說,認證比較容易做到統壹和抽象,畢竟妳就是妳,走到哪裏都是妳,但是妳在不同系統裏面的角色,卻可能千差萬別(家裏妳是父親,單位裏妳是員工,父母那裏妳是子女)。同時角色的設計,又是和資源服務器的設計強相關的。從前面的配置中不難發現,如果希望獲得為不同資源服務器設計的角色,妳只需要替換 /user 這個配置就行了,這為我們的權限控制帶來了更大的靈活性,而這是傳統的比如SAML2這樣的SSO框架做不到的。

終於來到了著名的JWT部分了,JWT全稱為Json Web Token,最近隨著微服務架構的流行而越來越火,號稱新壹代的認證技術。今天我們就來看壹下,jwt的本質到底是什麽。

我們先來看壹下OAuth2的token技術有沒有什麽痛點,相信從之前的介紹中妳也發現了,token技術最大的問題是 不攜帶用戶信息 ,且資源服務器無法進行本地驗證,每次對於資源的訪問,資源服務器都需要向認證服務器發起請求,壹是驗證token的有效性,二是獲取token對應的用戶信息。如果有大量的此類請求,無疑處理效率是很低的,且認證服務器會變成壹個中心節點,對於SLA和處理性能等均有很高的要求,這在分布式架構下是很要命的。

JWT就是在這樣的背景下誕生的,從本質上來說,jwt就是壹種 特殊格式 的token。普通的oauth2頒發的就是壹串隨機hash字符串,本身無意義,而jwt格式的token是有特定含義的,分為三部分:

這三部分均用base64進行編碼,當中用 . 進行分隔,壹個典型的jwt格式的token類似 xxxxx.yyyyy.zzzzz 。關於jwt格式的更多具體說明,不是本文討論的重點,大家可以直接去官網查看 官方文檔 ,這裏不過多贅述。

相信看到簽名大家都很熟悉了,沒錯,jwt其實並不是什麽高深莫測的技術,相反非常簡單。認證服務器通過對稱或非對稱的加密方式利用 payload 生成 signature ,並在 header 中申明簽名方式,僅此而已。通過這種本質上極其傳統的方式,jwt可以實現 分布式的token驗證功能 ,即資源服務器通過事先維護好的對稱或者非對稱密鑰(非對稱的話就是認證服務器提供的公鑰),直接在本地驗證token,這種去中心化的驗證機制無疑很對現在分布式架構的胃口。jwt相對於傳統的token來說,解決以下兩個痛點:

在上面的那個資源服務器和認證服務器分離的例子中,如果認證服務器頒發的是jwt格式的token,那麽資源服務器就可以直接自己驗證token的有效性並綁定用戶,這無疑大大提升了處理效率且減少了單點隱患。

就像布魯克斯在《人月神話》中所說的名言壹樣:“沒有銀彈”。JWT的使用上現在也有壹種誤區,認為傳統的認證方式都應該被jwt取代。事實上,jwt也不能解決壹切問題,它也有適用場景和不適用場景。

適用場景:

這些場景能充分發揮jwt無狀態以及分布式驗證的優勢

不適用的場景:

不要試圖用jwt去代替session。 這種模式下其實傳統的session+cookie機制工作的更好,jwt因為其無狀態和分布式,事實上只要在有效期內,是無法作廢的,用戶的簽退更多是壹個客戶端的簽退,服務端token仍然有效,妳只要使用這個token,仍然可以登陸系統。另外壹個問題是續簽問題,使用token,無疑令續簽變得十分麻煩,當然妳也可以通過redis去記錄token狀態,並在用戶訪問後更新這個狀態,但這就是硬生生把jwt的無狀態搞成有狀態了,而這些在傳統的session+cookie機制中都是不需要去考慮的。這種場景下,考慮高可用,我更加推薦采用分布式的session機制,現在已經有很多的成熟框架可供選擇了(比如spring session)。