浅谈微服务安全架构设计

2021-10-13 15:33:17

1、 回顾微服务设计理念

在 浅入Spring Cloud架构 一文中，我们了解到什么是微服务，微服务的划分依据，其实，说到底，微服务的设计，有其独到的好处：使得各个模块之间解耦合，让每一个模块有自己独立的灵魂，其他服务即使出现任何问题，自己不会受到任何的影响。这是微服务的核心宗旨。那么今天要讲的微服务安全性问题，其实也是反映微服务的一个核心：高内聚。所谓高内聚，简单的理解就是，对外暴露的最小限度，降低其依赖关系，大部分都作为一个黑盒子封装起来，不直接对外，这样，即使内部发生变更、翻云覆雨，对外的接口没发生改变，这才是好的微服务设计理念，做到完美的对外兼容，一个好的架构设计，首先，这一点可能需要 get 到位，不知道大家咋认为呢？所以今天说的微服务安全性，就跟这个高内聚有一点点相关了。或者说，体现了微服务设计的核心理念。

2、微服务下的各种安全性保证

2.1 常见的几种安全性措施

在微服务中，我们常见的，有如下几种安全性设计的举措：网关设计、服务端口的对外暴露的限度、token 鉴权、OAuth2 的统一认证、微信中的 openId 设计等。这些都是在为服务的安全性作考虑的一些举措。

2.2 OAuth2 的概念

何为 OAuth2 呢？我们先了解 OAuth，Oauth 是一个开放标准，假设有这样一种场景：一个 QQ 应用，希望让一个第三方的（慕课网）应用，能够得到关于自身的一些信息（唯一用户标识，比如说 QQ 号，用户个人信息、一些基础资料，昵称和头像等）。但是在获得这些资料的同时，却又不能提供用户名和密码之类的信息。

而 OAuth 就是实现上述目标的一种规范。OAuth2 是 OAuth 协议的延续版本，但不兼容 OAuth1.0，即完全废弃了 OAuth1.0。

OAuth2.0 有这么几个术语：客户凭证、令牌、作用域。

  • 客户凭证：客户的 clientId 和密码用于认证客户。
  • 令牌：授权服务器在接收到客户请求后颁发的令牌。
  • 作用域：客户请求访问令牌时,由资源拥有者额外指定的细分权限。

2.3 OAuth2 的原理

在 OAuth2 的授权机制中有 4 个核心对象：

Resource Owner：资源拥有者，即用户。

Client：第三方接入平台、应用，请求者。

Resource Server：资源服务器，存储用户信息、用户的资源信息等资源。

Authorization Server：授权认证服务器。

实现机制：

  • 用户在第三方应用上点击登录，应用向认证服务器发送请求，说有用户希望进行授权操作，同时说明自己是谁、用户授权完成后的回调 url，例如：上面的截图，通过慕课网访问 QQ 获取授权。
  • 认证服务器展示给用户自己的授权界面。
  • 用户进行授权操作，认证服务器验证成功后，生成一个授权编码 code，并跳转到第三方的回调 url。
  • 第三方应用拿到 code 后，连同自己在平台上的身份信息（ID 密码）发送给认证服务器，再一次进行验证请求，说明自己的身份正确，并且用户也已经授权我了，来换取访问用户资源的权限。
  • 认证服务器对请求信息进行验证，如果没问题，就生成访问资源服务器的令牌 access_token，交给第三方应用。
  • 第三方应用使用 access_token 向资源服务器请求资源。
  • 资源服务器验证 access_token 成功后返回响应资源。

2.4 OAuth2 的几种授权模式

OAuth2.0 有这么几个授权模式：授权码模式、简化模式、密码模式、客户端凭证模式。

授权码模式：（authorization_code）是功能最完整、流程最严密的授权模式，code 保证了 token 的安全性，即使 code 被拦截，由于没有 client_secret，也是无法通过 code 获得 token 的。

简化模式：和授权码模式类似，只不过少了获取 code 的步骤，是直接获取令牌 token 的，适用于公开的浏览器单页应用，令牌直接从授权服务器返回，不支持刷新令牌，且没有 code 安全保证，令牌容易因为被拦截窃听而泄露。

密码模式：使用用户名/密码作为授权方式从授权服务器上获取令牌，一般不支持刷新令牌。

客户端凭证模式：一般用于资源服务器是应用的一个后端模块，客户端向认证服务器验证身份来获取令牌。

2.5 实战 OAuth2 的密码模式

本次结合 Spring Cloud Alibaba 组件，实现微服务的安全系统体系，本文主要讲解 OAuth2 的部分。

先来看鉴权中心，鉴权中心需要做到提供单点服务，为所有的客户端微服务的安全保驾护航。下面首先看依赖:

<dependency>
<groupId>org.springframework.cloud</groupId>
<artifactId>spring-cloud-starter-oauth2</artifactId>
</dependency>

<dependency>
  <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
  <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery</artifactId>
</dependency>

<dependency>
  <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
  <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-config</artifactId>
  </dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>

如果需要使用 redis 来存储 token，则可以加入 reids 依赖，如果使用 jwt，则使用:

<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.0</version>
</dependency>

当然，本次的项目模块引入的是比较新的 Spring Boot:

<parent>
  <groupId>org.springframework.boot</groupId>
  <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
  <version>2.1.13.RELEASE</version>
  <relativePath/>
</parent>

剩下的，像数据库、持久化等，其他的可以根据需要添加。

配置完成后，我们需要写一个认证服务器的配置:


    /**
     * redis token 方式
     */
    @Override
    public void configure(AuthorizationServerEndpointsConfigurer endpoints) throws Exception {
        endpoints.authenticationManager(authenticationManager)
                .exceptionTranslator(userOAuth2WebResponseExceptionTranslator)
                .userDetailsService(loginService)
                .tokenStore(tokenStore);

    }

   
    @Override
    public void configure(ClientDetailsServiceConfigurer clients) throws Exception {
        clients.inMemory()
                .withClient("provider-service")
                .secret(passwordEncoder.encode("provider-service-123"))
                .accessTokenValiditySeconds(3600)
                .refreshTokenValiditySeconds(864000)
                .autoApprove(true)
                .scopes("all")
                .authorizedGrantTypes("password", "authorization_code", "client_credentials", "refresh_token")
                .redirectUris("http://localhost:2001/login")
                
    }

    @Override
    public void configure(AuthorizationServerSecurityConfigurer security) {
        security.allowFormAuthenticationForClients();
        security.checkTokenAccess("isAuthenticated()");
        security.tokenKeyAccess("isAuthenticated()");
    }
}

Redis 配置:

package com.damon.config;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Bean;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnectionFactory;
import org.springframework.security.oauth2.provider.token.TokenStore;
import org.springframework.security.oauth2.provider.token.store.redis.RedisTokenStore;


@Configuration
public class RedisTokenStoreConfig {

    @Autowired
    private RedisConnectionFactory redisConnectionFactory;

    @Bean
    public TokenStore redisTokenStore (){
        //return new RedisTokenStore(redisConnectionFactory);
        return new MyRedisTokenStore(redisConnectionFactory);
    }
}

后面接下来需要配置安全访问的拦截，这时候需要 SpringSecurity:

@Override
    public void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.csrf()
                .disable()

                .exceptionHandling()
                .authenticationEntryPoint(new AuthenticationEntryPointHandle())
                //.authenticationEntryPoint((request, response, authException) -> response.sendError(HttpServletResponse.SC_UNAUTHORIZED))
                .and()

                .authorizeRequests()
                .antMatchers("/oauth/**", "/login/**")//"/logout/**"
                .permitAll()
                .anyRequest()
                .authenticated()
                .and()
                .formLogin()
                .permitAll();
    }

再者，就是需要配置资源拦截:

package com.damon.config;

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.context.annotation.Configuration;
import org.springframework.security.config.annotation.web.builders.HttpSecurity;
import org.springframework.security.oauth2.config.annotation.web.configuration.EnableResourceServer;
import org.springframework.security.oauth2.config.annotation.web.configuration.ResourceServerConfigurerAdapter;


@Configuration
@EnableResourceServer
public class ResourceServerConfig extends ResourceServerConfigurerAdapter {


    @Override
    public void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.csrf().disable()

                .exceptionHandling()
                .authenticationEntryPoint(new AuthenticationEntryPointHandle())
                //.authenticationEntryPoint((request, response, authException) -> response.sendError(HttpServletResponse.SC_UNAUTHORIZED))
                .and()

                .requestMatchers().antMatchers("/api/**")
                .and()
                .authorizeRequests()
                .antMatchers("/api/**").authenticated()
                .and()
                .httpBasic();
    }
}

其中，在上面我们配置了资源拦截、权限拦截的统一处理配置:

public class AuthenticationEntryPointHandle implements AuthenticationEntryPoint {
    
    @Override
    public void commence(HttpServletRequest request, HttpServletResponse response,
            AuthenticationException authException) throws IOException, ServletException {

        //response.setStatus(HttpServletResponse.SC_FORBIDDEN);
        //response.setStatus(HttpStatus.OK.value());

        //response.setHeader("Access-Control-Allow-Origin", "*");  //gateway已加，无需再加
        //response.setHeader("Access-Control-Allow-Headers", "token");
        //解决低危漏洞点击劫持 X-Frame-Options Header未配置
        response.setHeader("X-Frame-Options", "SAMEORIGIN");
        response.setCharacterEncoding("UTF-8");
        response.setContentType("application/json; charset=utf-8");

        response.getWriter()
        .write(JSON.toJSONString(Response.ok(response.getStatus(), -2, authException.getMessage(), null)));
        /*response.getWriter()
                .write(JSON.toJSONString(Response.ok(200, -2, "Internal Server Error", authException.getMessage())));*/
    }
}

最后，我们可能需要配置一些请求客户端的配置，以及变量配置:

@Configuration
public class BeansConfig {
    @Resource
    private Environment env;

    @Bean
    public RestTemplate restTemplate() {
        SimpleClientHttpRequestFactory requestFactory = new SimpleClientHttpRequestFactory();
        requestFactory.setReadTimeout(env.getProperty("client.http.request.readTimeout", Integer.class, 15000));
        requestFactory.setConnectTimeout(env.getProperty("client.http.request.connectTimeout", Integer.class, 3000));
        RestTemplate rt = new RestTemplate(requestFactory);
        return rt;
    }

}

最后需要配置一些环境配置:

spring:
  application:
    name: oauth-cas
  cloud:
    nacos:
      discovery:
        server-addr: 127.0.0.1:8848
      config:
        server-addr: 127.0.0.1:8848
        refreshable-dataids: actuator.properties,log.properties

  redis: #redis相关配置
    database: 8
    host: 127.0.0.1 #localhost
    port: 6379
    password: aaa #有密码时设置
    jedis:
      pool:
        max-active: 8
        max-idle: 8
        min-idle: 0
    timeout: 10000ms

记住：上面这个启动配置需要在 bootstrap 文件中添加，否则，可能会失败，大家可以尝试下。

server:
  port: 2000
  undertow:
    uri-encoding: UTF-8
    accesslog:
      enabled: false
      pattern: combined
  #这里我们使用了SpringBoot2.x，注意session与1.x不同
  servlet:
    session:
      timeout: PT120M
      cookie:
        name: OAUTH-CAS-SESSIONID

最后，我们添加启动类:

@Configuration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan(basePackages = {"com.damon"})
@EnableDiscoveryClient
public class CasApp {
    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(CasApp.class, args);
    }
}

以上，一个认证中心的代码实战逻辑就完成了。

接下来，我们看一个客户端如何去认证，首先还是依赖:

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-oauth2</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-discovery</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>com.alibaba.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-alibaba-nacos-config</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-netflix-ribbon</artifactId>
</dependency>

<dependency>
    <groupId>org.springframework.cloud</groupId>
    <artifactId>spring-cloud-starter-netflix-hystrix</artifactId>
</dependency>

在客户端，我们也需要配置一个资源配置与权限配置:

@Configuration
@EnableResourceServer
public class ResourceServerConfig extends ResourceServerConfigurerAdapter {

    @Override
    public void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.csrf().disable()

                .exceptionHandling()
                .authenticationEntryPoint(new AuthenticationEntryPointHandle())
                //.authenticationEntryPoint((request, response, authException) -> response.sendError(HttpServletResponse.SC_UNAUTHORIZED))
                .and()

                .requestMatchers().antMatchers("/api/**")
                .and()
                .authorizeRequests()
                .antMatchers("/api/**").authenticated()
                .and()
                .httpBasic();
    }
}

当然，权限拦截可能就相对简单了:

@Configuration
@EnableGlobalMethodSecurity(prePostEnabled = true)
@Order(101)
public class SecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
}

同样，这里也需要一个统一结果处理类，这里就不展示了。

接下来，我们主要看配置:

cas-server-url: http://oauth-cas #http://localhost:2000#设置可以访问的地址

security:
  oauth2: #与cas对应的配置
    client:
      client-id: provider-service
      client-secret: provider-service-123
      user-authorization-uri: ${cas-server-url}/oauth/authorize #是授权码认证方式需要的
      access-token-uri: ${cas-server-url}/oauth/token #是密码模式需要用到的获取 token 的接口
    resource:
      loadBalanced: true
      #jwt: #jwt存储token时开启
        #key-uri: ${cas-server-url}/oauth/token_key
        #key-value: test_jwt_sign_key
      id: provider-service
      #指定用户信息地址
      user-info-uri: ${cas-server-url}/api/user #指定user info的URI，原生地址后缀为/auth/user
      prefer-token-info: false
      #token-info-uri:
    authorization:
      check-token-access: ${cas-server-url}/oauth/check_token #当此web服务端接收到来自UI客户端的请求后，需要拿着请求中的 token 到认证服务端做 token 验证，就是请求的这个接口

在上面的配置里，我们看到了各种注释了，讲得很仔细，但是我要强调下：为了高可用，我们的认证中心可能多个，所以需要域名来作 LB。同时，开启了 loadBalanced=true。最后，如果是授权码认证模式，则需要 "user-authorization-uri"，如果是密码模式，需要 "access-token-uri" 来获取 token。我们通过它 "user-info-uri" 来获取认证中心的用户信息，从而判断该用户的权限，从而访问相应的资源。另外，上面的配置需要在 bootstrap 文件中，否则可能失败，大家可以试试。

接下来，我们添加一般配置:

server:
  port: 2001
  undertow:
    uri-encoding: UTF-8
    accesslog:
      enabled: false
      pattern: combined
  servlet:
    session:
      timeout: PT120M
      cookie:
        name: PROVIDER-SERVICE-SESSIONID #防止Cookie冲突，冲突会导致登录验证不通过


backend:
  ribbon:
    client:
      enabled: true
    ServerListRefreshInterval: 5000

ribbon:
  ConnectTimeout: 3000
  # 设置全局默认的ribbon的读超时
  ReadTimeout: 1000
  eager-load:
    enabled: true
    clients: oauth-cas,consumer-service
  MaxAutoRetries: 1 #对第一次请求的服务的重试次数
  MaxAutoRetriesNextServer: 1 #要重试的下一个服务的最大数量（不包括第一个服务）
  #listOfServers: localhost:5556,localhost:5557
  #ServerListRefreshInterval: 2000
  OkToRetryOnAllOperations: true
  NFLoadBalancerRuleClassName: com.netflix.loadbalancer.RoundRobinRule


hystrix.command.BackendCall.execution.isolation.thread.timeoutInMilliseconds: 5000
hystrix.threadpool.BackendCallThread.coreSize: 5

这里，我们使用了 Ribbon 来做 LB，hystrix 来作熔断，最后需要注意的是：加上了 cookie name，防止 Cookie 冲突，冲突会导致登录验证不通过。

配置启动类:

@Configuration
@EnableAutoConfiguration
@ComponentScan(basePackages = {"com.damon"})
@EnableDiscoveryClient
@EnableOAuth2Sso
public class ProviderApp {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ProviderApp.class, args);
    }

}

我们在上面配置了所有带有 "/api/**" 的路径请求，都会加以拦截，根据用户的信息来判断其是否有权限访问。

写一个简单的测试类:

@RestController
@RequestMapping("/api/user")
public class UserController {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(UserController.class);

    @Autowired
    private UserService userService;

  @PreAuthorize("hasAuthority('admin')")
    @GetMapping("/auth/admin")
    public Object adminAuth() {
        logger.info("test password mode");
        return "Has admin auth!";
    }
}

上面的代码表示：如果用户具有 "admin" 的权限，则能够访问该接口，否则会被拒绝。

本文用的是 alibaba 的组件来作 LB，具体可以看前面的文章，用域名来找到服务。同时也加上了网关 Gateway。

最后，我们先来通过密码模式来进行认证吧:

curl -i -X POST -d "username=admin&password=123456&grant_type=password&client_id=provider-service&client_secret=provider-service-123" http://localhost:5555/oauth-cas/oauth/token

认证成功后，会返回如下结果:

{"access_token":"d2066f68-665b-4038-9dbe-5dd1035e75a0","token_type":"bearer","refresh_token":"44009836-731c-4e6a-9cc3-274ce3af8c6b","expires_in":3599,"scope":"all"}

接下来，我们通过 token 来访问接口:

curl -i -H "Accept: application/json" -H "Authorization:bearer d2066f68-665b-4038-9dbe-5dd1035e75a0" -X GET http://localhost:5555/provider-service/api/user/auth/admin

成功会返回结果:

Has admin auth!

token 如果失效，会返回:

{"error":"invalid_token","error_description":"d2066f68-665b-4038-9dbe-5dd1035e75a01"}






3、GitHub 的授权应用案例

如果你的应用想要接入 GitHub，则可以通过如下办法来实现。

  1. 首先注册一个 GitHub 账号，登陆后，找到设置，打开页面，最下面有一个开发者设置：

浅谈微服务安全架构设计

找到后，点击，可以看到三个，可以选择第二个方式来接入：

浅谈微服务安全架构设计

可以新增你的应用 app，新建时，应用名、回调地址必填项：

浅谈微服务安全架构设计

最后，完成后会生成一个 Client ID、Client Secret。

然后利用 Github 官方给的文档来进行认证、接入，授权逻辑：

1.在注册完信息后生成了 Client ID、Client Secret，首先，用户点击 github 登录本地应用引导用户跳转到第三方授权页跳转地址:

https://github.com/login/oauth/authorize?client_id={client_id}&redirect_uri={redirect_uri}&state={state}

其中，client_id，client_secret 是注册好 Oauth APP 后 github 提供的，需要写在本地代码或者配置文件中，state 也是在本地生成的。redirect_uri 就是在 GitHub 官网填的 Authorization callback URL。此时带着 state 等参数去申请授权，但此时尚未登陆，未能通过 authorize，GitHub 返回 code 参数。

2.授权成功后会重定向带参数访问上面的 redirect_uri，并多了一个 code 参数
后台接收 code 这个参数,我们带着这个 code 再次访问 github 地址:

https://github.com/login/oauth/access_token?client_id=xxx&client_secret=xxx&code=xxx&redirect_uri=http://localhost:3001/authCallback

注意：上面的 redirect_uri 要与之前在新建 app 时填写的保持一直，否则会报错。

3.通过 state 参数和 code 参数，成功获取 access_token
有了 access_token，只需要把 access_token 参数放在 URL 后面即可，就可以换取用户信息了。访问地址:

https://api.github.com/user?access_token=xxx

4.得到 GitHub 授权用户的个人信息，就表明授权成功。

4、微服务安全架构设计

在微服务中，安全性是一个很重要的问题。我们经常比较多的场景是：服务 A 需要调用服务 B，但是问题来了，到底是走外网调用呢？还是走局域网调用呢？这当然看 A、B 是否在同一个网段，如果在同一个局域网段，那肯定走局域网好。为什么呢？因为局域网快呀，如果说还有理由吗？当然有：除了网络快，降低网络开销，还可以保证安全性，不至于被黑客黑掉。这是安全的一个保证。

那么除了上面说的安全性，还有其他的吗？比如：在一个局域网下，有 N 个微服务模块，但是这些微服务并不想完全直接暴露给外部，这时候，就需要一个网关 Gateway 来处理。网关把所有的服务给路由了，就像在所有的服务上面一层，加了一个保护光环，突出高内聚的含义。同时还可以加上一些拦截，安全的拦截，鉴权、认证等。存在通过 token 的鉴权，也可以通过 jwt 的，等等。有时候，可以借助 redis 通过 session 共享。也可以通过 OAuth2 的鉴权模式来实现安全拦截。

最后安全性的考虑是在每个服务的接口设计上，比如：幂等的存在，让很多恶意攻击成为无用之功。

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