一、传统的用户认证方案

对于大多数与用户相关的操作，软件系统首先要确认用户的身份，因此会提供一个用户登录功能。用户输入用户名、密码等信息，后台系统对其进行校验的操作就是用户认证。

用户认证的形式有多种，最常见的有输入用户名密码、手机验证码、人脸识别、指纹识别等，但其目的都是为了确认用户的身份并与之提供服务。

在传统的单体单点应用时代，我们会开发用户认证的服务类，从登录界面提交的用户名密码等信息通过用户认证类进行校验，然后获取该用户对象将其保存在 Tomcat 的 Session 中，如下所示：

随着系统流量的增高，单点应用以无法支撑业务运行，应用出现高延迟、宕机等状况，此时很多公司会将应用改为 Nginx 软负载集群，通过水平扩展提高系统的性能，于是应用架构就变成了这个样子。

虽然改造后系统性能显著提高，但因为之前用户登录的会话数据都保存在本地，当 Nginx 将请求转发到其他节点后，因为其他节点没有此会话数据，系统就会认为没有登录过，请求的业务就会被拒绝。从使用者的角度会变成一刷新页面后，系统就让我重新登录，这个使用体验非常糟糕。

这个问题的根本原因在于利用 Session 本地保存用户数据会让 Java Web 应用变成有状态的，在集群环境下必须保证每一个 Tomcat 节点的会话状态一致的才不会出问题。因此基于 Redis 的分布式会话存储方案应运而生，在原有架构后端增加 Redis 服务器，将用户会话统一转存至 Redis 中，因为该会话数据是集中存储的，所以不会出现数据一致性的问题。

但是，传统方案在互联网环境下就会遇到瓶颈，Redis 充当了会话数据源，这也意味着 Redis 承担了所有的外部压力，在互联网数以亿计的庞大用户群规模下，如果出现突发流量洪峰，Redis 能否经受考验就会成为系统的关键风险，稍有差池系统就会崩溃。

那如何解决呢？其实还有一种巧妙的设计，在用户认证成功，后用户数据不再存储在后端，而改为在客户端存储，客户端每一次发送请求时附带用户数据到 Web 应用端，Java 应用读取用户数据进行业务处理，因为用户数据分散存储在客户端中，因此并不会对后端产生额外的负担，此时认证架构会变成下面的情况。

当用户认证成功后，在客户端的 Cookie、LocalStorage 会持有当前用户数据，在 Tomcat 接收到请求后便可获取用户数据进行业务处理。但也有一点需要注意，用户的敏感数据是未经过加密的，在存储与传输过程中随时都有泄密的风险，决不能使用明文，必须要对其进行加密。

那如何进行加密处理呢？当然，我们可以自己写加解密类，但更通用的做法是使用 JWT 这种标准的加密方案进行数据存储与传输。

二、Json Web Token（JWT）

无论是微服务架构，还是前后端分离应用，在客户端存储并加密数据时有一个通用的方案：Json Web Token（JWT），JWT是一个经过加密的，包含用户信息的且具有时效性的固定格式字符串。下面这是一个标准的JWT字符串。

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoyLFwidXNlcm5hbWVcIjpcImxpc2lcIixcIm5hbWVcIjpcIuadjuWbm1wiLFwiZ3JhZGVcIjpcInZpcFwifSJ9.NT8QBdoK4S-PbnhS0msJAqL0FG2aruvlsBSyG226HiU

这段加密字符串由三部分组成，中间由点“.”分隔，具体含义如下:

第一部分标头（Header）：标头通常由两部分组成：令牌的类型（即 JWT）和所使用的签名算法，例如 HMAC SHA256 或 RSA：
第二部分载荷（Payload）：载荷就是实际的用户数据以及其他自定义数据。
第三部分签名（Sign）：签名就是通过前面两部分标头+载荷+私钥再配合指定的算法，生成用于校验 JWT 是否有效的特殊字符串，

将以上三部分通过“.”连接在一起，就是 JWT 的标准格式了。

三、JWT 的创建与校验

因为 JWT 的格式与算法是固定的，在 Java 就有非常多的优秀开源项目帮我们实现了JWT 的创建与验签，其中最具代表性的产品就是 JJWT。JJWT 是一个提供端到端的 JWT 创建和验证的 Java 库，下面我们通过代码来了解一下：

1、引入JJWT依赖

<dependency>

    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>

    <artifactId>jjwt-api</artifactId>

    <version>0.11.2</version>

</dependency>

<dependency>

    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>

    <artifactId>jjwt-impl</artifactId>

    <version>0.11.2</version>

    <scope>runtime</scope>

</dependency>

<dependency>

    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>

    <artifactId>jjwt-jackson</artifactId> <!-- or jjwt-gson if Gson is preferred -->

    <version>0.11.2</version>

    <scope>runtime</scope>

</dependency>

2、创建测试用例

这里我们模拟UserID 为 123 号的用户登录后的 JWT 生成过程。

@SpringBootTest

public class JwtTestor {

    /**

     * 创建Token

     */

    @Test

    public void createJwt(){

        //私钥字符串

        String key = "1234567890_1234567890_1234567890";

        //1.对秘钥做BASE64编码

        String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());

        //2.生成秘钥对象,会根据base64长度自动选择相应的 HMAC 算法

        SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());

        //3.利用JJWT生成Token

        String data = "{"userId":123}"; //载荷数据

        String jwt = Jwts.builder().setSubject(data).signWith(secretKey).compact();

        System.out.println(jwt);

    }

}

运行结果产生 JWT 字符串如下：

eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw

3、验签

从 JWT 中提取 123 号用户数据。这里要保证 JWT 字符串、key 私钥与生成时保持一致。否则就会抛出验签失败 JwtException。

/**

 * 校验及提取JWT数据

 */

@Test

public void checkJwt(){

    String jwt = "eyJhbGciOiJIUzI1NiJ9.eyJzdWIiOiJ7XCJ1c2VySWRcIjoxMjN9In0.1p_VTN46sukRJTYFxUg93CmfR3nJZRBm99ZK0e3d9Hw";

    //私钥

    String key = "1234567890_1234567890_1234567890";

    //1.对秘钥做BASE64编码

    String base64 = new BASE64Encoder().encode(key.getBytes());

    //2.生成秘钥对象,会根据base64长度自动选择相应的 HMAC 算法

    SecretKey secretKey = Keys.hmacShaKeyFor(base64.getBytes());

    //3.验证Token

    try {

        //生成JWT解析器 

        JwtParser parser = Jwts.parserBuilder().setSigningKey(secretKey).build();

        //解析JWT

        Jws<Claims> claimsJws = parser.parseClaimsJws(jwt);

        //得到载荷中的用户数据

        String subject = claimsJws.getBody().getSubject();

        System.out.println(subject);

    }catch (JwtException e){

        //所有关于Jwt校验的异常都继承自JwtException

        System.out.println("Jwt校验失败");

        e.printStackTrace();

    }

}

运行结果如下：

{"userId":123}

以上便是 JWT 的生成与校验代码，大家会发现在加解密过程中，服务器私钥 key 是保障 JWT 安全的命脉。对于这个私钥在生产环境它不能写死在代码中，而是加密后保存在 Nacos 配置中心统一存储，同时定期更换私钥以防止关键信息泄露。

三、基于网关的统一用户认证方案

1、服务端自主验签方案

首先来看服务端验签的架构图

执行流程如下：

1、认证中心微服务负责用户认证任务，在启动时从 Nacos 配置中心抽取 JWT 加密用私钥；

2、用户在登录页输入用户名密码，客户端向认证中心服务发起认证请求：

3、认证中心服务根据输入在用户数据库中进行认证校验，如果校验成功则返回认证中心将生成用户的JSON数据并创建对应的 JWT 返回给客户端；

4、在收到上述 JSON 数据后，客户端将其中 token 数据保存在 cookie 或者本地缓存中；

5、随后客户端向具体某个微服务发起新的请求，这个 JWT 都会附加在请求头或者 cookie 中发往 API 网关，网关根据路由规则将请求与jwt数据转发至具体的微服务。中间过程网关不对 JWT 做任何处理；

6、微服务接收到请求后，发现请求附带 JWT 数据，于是将 JWT 再次转发给用户认证服务，此时用户认证服务对 JWT 进行验签，验签成功提取其中用户编号，查询用户认证与授权的详细数据；

7、具体的微服务收到上述 JSON 后，对当前执行的操作进行判断，检查是否拥有执行权限，权限检查通过执行业务代码，权限检查失败返回错误响应。

2、API网关统一验签方案

API 网关统一验签与服务端验签最大的区别是在 API 网关层面就发起 JWT 的验签请求，之后路由过程中附加的是从认证中心返回的用户与权限数据，其他的操作步骤与方案一是完全相同的。

3、两种方案优缺点对比

服务端验签的时机是在业务代码执行前，控制的粒度更细。比如微服务 A 提供了“商品查询”与“创建订单”两个功能，前者不需要登录用户就可以使用，因此不需要向认证中心额外发起验签工作；而后者是登录后的功能，因此必须验签后才可执行。

因为服务端验签是方法层面上的，所以可以精确控制方法是否验签。但也有不足，正是因为验签是在方法前执行，所以需要在所有业务方法上声明是否需要额外验签，尽管这个工作可以通过 Spring AOP+注解的方式无侵入实现，但这也无疑需要程序员额外关注，分散了开发业务的精力。

服务端验签的缺点反而成为 API 网关验签的优势。API 网关不关心后端的服务逻辑，只要请求附带 JWT，就自动向认证中心进行验签。这种简单粗暴的策略确实让模块耦合有所降低，处理起来也更简单，但也带来了性能问题，因为只要请求包含 JWT 就会产生认证中心的远程通信。如果前端工程师没有对 JWT 进行精确控制，很可能带来大量多余的认证操作，系统性能肯定会受到影响。