在线教育项目总结（二）-用户认证

一、有状态登录和无状态登录

1.1.什么是有状态？

有状态服务，即服务端需要记录每次会话的客户端信息，从而识别客户端身份，根据用户身份进行请求的处理，典型的设计如tomcat中的session。

例如登录：用户登录后，我们把登录者的信息保存在服务端session中，并且给用户一个cookie值，记录对应的session。然后下次请求，用户携带cookie值来，我们就能识别到对应session，从而找到用户的信息。

缺点：

• 服务端保存大量数据，增加服务端压力
• 服务端保存用户状态，无法进行水平扩展
• 客户端请求依赖服务端，多次请求必须访问同一台服务器

1.2、什么是无状态？

服务器不保存用户的登录信息！

微服务集群中的每个服务，对外提供的都是Rest风格的接口。而Rest风格的一个最重要的规范就是：服务的无状态性，即：

• 服务端不保存任何客户端请求者信息
• 客户端的每次请求必须具备自描述信息（jwt），通过这些信息识别客户端身份

优点：

• 无状态： token是无状态，session是有状态的
• 基于标准化：你的API可以采用标准化的 JSON Web Token (JWT)
• 客户端请求不依赖服务端的信息，任何多次请求不需要必须访问到同一台服务
• 服务端的集群和状态对客户端透明
• 服务端可以任意的迁移和伸缩
• 减小服务端存储压力

缺点：

• 占用带宽
• 无法在服务器端销毁

二、常见登录方式

2.1、单一服务器模式

一般过程如下：

1. 用户向服务器发送用户名和密码。
2. 验证服务器后，相关数据（如用户名，用户角色等）将保存在当前会话（session）中。
3. 服务器向用户返回session_id，session信息都会写入到用户的Cookie。
4. 用户的每个后续请求都将通过在Cookie中取出session_id传给服务器。
5. 服务器收到session_id并对比之前保存的数据，确认用户的身份。

缺点：

• 单点性能压力，无法扩展。
• 分布式架构中，需要session共享方案，session共享方案存在性能瓶颈。

2.2、单点登录（Single Sign On）

分布式，SSO(single sign on)模式：单点登录英文全称Single Sign On，简称就是SSO。它的解释是：在多个应用系统中，只需要登录一次，就可以访问其他相互信任的应用系统。

• 如图所示，图中有3个系统，分别是业务A、业务B、和SSO。
• 业务A、业务B没有登录模块。
• 而SSO只有登录模块，没有其他的业务模块。

一般过程如下：

1. 当业务A、业务B需要登录时，将跳到SSO系统。
2. SSO从用户信息数据库中获取用户信息并校验用户信息，SSO系统完成登录。
3. 然后将用户信息存入缓存（例如redis）。
4. 当用户访问业务A或业务B，需要判断用户是否登录时，将跳转到SSO系统中进行用户身份验证，SSO判断缓存中是否存在用户身份信息。
5. 这样，只要其中一个系统完成登录，其他的应用系统也就随之登录了。这就是单点登录（SSO）的定义。

优点 ：

用户身份信息独立管理，更好的分布式管理。可以自己扩展安全策略

缺点：

认证服务器访问压力较大。

2.3、Token模式

优点：

• 无状态： token是无状态，session是有状态的
• 基于标准化：你的API可以采用标准化的 JSON Web Token (JWT)

缺点：

• 占用带宽
• 无法在服务器端销毁

无状态登录的流程：

• 当客户端第一次请求服务时，服务端对用户进行信息认证（登录）
• 认证通过，将用户信息进行加密形成token，返回给客户端，作为登录凭证
• 以后每次请求，客户端都携带认证的token
• 服务的对token进行解密，判断是否有效。

整个登录过程中，最关键的点是什么？

token的安全性

三、JWT

3.1、什么是JWT令牌

JWT是JSON Web Token的缩写，即JSON Web令牌，是一种自包含令牌。

1、使用场景

• 一种情况是webapi，类似阿里云播放凭证的功能。
• 另一种情况是多web服务器下实现无状态分布式身份验证。

2、交互流程

步骤翻译：

• 1、用户登录
• 2、服务的认证，通过后根据secret生成token
• 3、将生成的token返回给浏览器
• 4、用户每次请求携带token
• 5、服务端利用公钥解读jwt签名，判断签名有效后，从Payload中获取用户信息
• 6、处理请求，返回响应结果

因为JWT签发的token中已经包含了用户的身份信息，并且每次请求都会携带，这样服务的就无需保存用户信息，甚至无需去数据库查询，完全符合了Rest的无状态规范。

3、作用

JWT 最重要的作用就是对 token信息的防伪作用

4、原理

• 一个JWT由三个部分组成：JWT头、有效载荷、签名哈希
• 最后由这三者组合进行base64编码得到JWT

3.2、JWT令牌的组成

JWT头

JWT头部分是一个描述JWT元数据的JSON对象，通常如下所示。

{
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}

在上面的代码中，alg属性表示签名使用的算法，默认为HMAC SHA256（写为HS256）；typ属性表示令牌的类型，JWT令牌统一写为JWT。最后，使用Base64 URL算法将上述JSON对象转换为字符串保存。

有效载荷

有效载荷部分，是JWT的主体内容部分，也是一个JSON对象，包含需要传递的数据。 JWT指定七个默认字段供选择。

iss: jwt签发者
sub: 主题
aud: 接收jwt的一方
exp: jwt的过期时间，这个过期时间必须要大于签发时间
nbf: 定义在什么时间之前，该jwt都是不可用的.
iat: jwt的签发时间
jti: jwt的唯一身份标识，主要用来作为一次性token,从而回避重放攻击。

除以上默认字段外，我们还可以自定义私有字段，如下例：

{
  "name": "Helen",
  "admin": true,
  "avatar": "helen.jpg"
}

请注意，默认情况下JWT是未加密的，任何人都可以解读其内容，因此不要构建隐私信息字段，存放保密信息，以防止信息泄露。

JSON对象也使用Base64 URL算法转换为字符串保存。

签名哈希

签名哈希部分是对上面两部分数据签名，通过指定的算法生成哈希，以确保数据不会被篡改。

首先，需要指定一个密码（secret）。该密码仅仅为保存在服务器中，并且不能向用户公开。然后，使用标头中指定的签名算法（默认情况下为HMAC SHA256）根据以下公式生成签名。

HMACSHA256(base64UrlEncode(header) + "." + base64UrlEncode(claims), secret)

在计算出签名哈希后，JWT头，有效载荷和签名哈希的三个部分组合成一个字符串，每个部分用”.”分隔，就构成整个JWT对象。

Base64URL算法

如前所述，JWT头和有效载荷序列化的算法都用到了Base64URL。该算法和常见Base64算法类似，稍有差别。

作为令牌的JWT可以放在URL中（例如api.example/?token=xxx）。 Base64中用的三个字符是”+”，”/“和”=”，由于在URL中有特殊含义，因此Base64URL中对他们做了替换：”=”去掉，”+”用”-“替换，”/“用”_”替换，这就是Base64URL算法。

注意：base64编码，并不是加密，只是把明文信息变成了不可见的字符串。但是其实只要用一些工具就可以把base64编码解成明文，所以不要在JWT中放入涉及私密的信息。

3.3、JWT的用法

客户端接收服务器返回的JWT，将其存储在Cookie或localStorage中。

此后，客户端将在与服务器交互中都会带JWT。如果将它存储在Cookie中，就可以自动发送，但是不会跨域，因此一般是将它放入HTTP请求的Header Authorization字段中。

当跨域时，也可以将JWT放置于POST请求的数据主体中。

3.4、问题和趋势

1、JWT默认不加密，但可以加密。生成原始令牌后，可以使用该令牌再次对其进行加密。

2、当JWT未加密时，一些私密数据无法通过JWT传输。

3、JWT不仅可用于认证，还可用于信息交换。善用JWT有助于减少服务器请求数据库的次数。

4、JWT的最大缺点是服务器不保存会话状态，所以在使用期间不可能取消令牌或更改令牌的权限。也就是说，一旦JWT签发，在有效期内将会一直有效。

5、JWT本身包含认证信息，因此一旦信息泄露，任何人都可以获得令牌的所有权限。为了减少盗用，JWT的有效期不宜设置太长。对于某些重要操作，用户在使用时应该每次都进行身份验证。

6、为了减少盗用和窃取，JWT不建议使用HTTP协议来传输代码，而是使用加密的HTTPS协议进行传输。

四、用户身份认证

4.1、引入依赖

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
        <artifactId>jjwt</artifactId>
    </dependency>

    <dependency>
        <groupId>joda-time</groupId>
        <artifactId>joda-time</artifactId>
    </dependency>
</dependencies>

4.2、引入工具类和用户有效载荷类

JwtUtils.java，用于根据用户信息生成token、判断token是否有效的工具类

public class JwtUtils {

    public static final String APP_SECRET = "ukc8BDbRigUDaY6pZFfWus2jZWLPHO";

    private static Key getKeyInstance(){
        SignatureAlgorithm signatureAlgorithm = SignatureAlgorithm.HS256;
        byte[] bytes = DatatypeConverter.parseBase64Binary(APP_SECRET);
        return new SecretKeySpec(bytes,signatureAlgorithm.getJcaName());
    }

    public static String getJwtToken(JwtInfo jwtInfo, int expire){

        String JwtToken = Jwts.builder()
                .setHeaderParam("typ", "JWT")
                .setHeaderParam("alg", "HS256")
                .setSubject("guli-user")//主题
                .setIssuedAt(new Date())//颁发时间
                .setExpiration(DateTime.now().plusSeconds(expire).toDate())//过期时间
                .claim("id", jwtInfo.getId())//用户id
                .claim("nickname", jwtInfo.getNickname())//用户昵称
                .claim("avatar", jwtInfo.getAvatar())//用户头像
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS256, getKeyInstance())
                .compact();

        return JwtToken;
    }

    /**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param jwtToken
     * @return
     */
    public static boolean checkJwtTToken(String jwtToken) {
        if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return false;
        try {
            Jwts.parser().setSigningKey(getKeyInstance()).parseClaimsJws(jwtToken);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 判断token是否存在与有效
     * @param request
     * @return
     */
    public static boolean checkJwtTToken(HttpServletRequest request) {
        try {
            String jwtToken = request.getHeader("token");
            if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return false;
            Jwts.parser().setSigningKey(getKeyInstance()).parseClaimsJws(jwtToken);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return false;
        }
        return true;
    }

    /**
     * 根据token获取会员id
     * @param request
     * @return
     */
    public static JwtInfo getMemberIdByJwtToken(HttpServletRequest request) {
        String jwtToken = request.getHeader("token");
        if(StringUtils.isEmpty(jwtToken)) return null;
        Jws<Claims> claimsJws = Jwts.parser().setSigningKey(getKeyInstance()).parseClaimsJws(jwtToken);
        Claims claims = claimsJws.getBody();
        JwtInfo jwtInfo = new JwtInfo(claims.get("id").toString(), claims.get("nickname").toString(), claims.get("avatar").toString());
        return jwtInfo;
    }
}

JwtInfo，存放用户的有效信息

@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class JwtInfo {
    private String id;
    private String nickname;
    private String avatar;
    //权限、角色等
    //不要存敏感信息
}

4.3、定义LoginVo

@Data
public class LoginVo implements Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private String mobile;
    private String password;
}

4.4、定义控制层接口

该接口接收Service层生成的Token，然后将token返回至前端

@ApiOperation(value = "会员登录")
@PostMapping("login")
public R login(@RequestBody LoginVo loginVo) {
    String token = memberService.login(loginVo);
    return R.ok().data("token", token);
}

4.5、定义Service层

@Override
public String login(LoginVo loginVo) {

    String mobile = loginVo.getMobile();
    String password = loginVo.getPassword();

    //校验参数
    if (StringUtils.isEmpty(mobile)
        || !FormUtils.isMobile(mobile)
        || StringUtils.isEmpty(password)) {
        throw new GuliException(ResultCodeEnum.PARAM_ERROR);
    }

    //校验手机号
    QueryWrapper<Member> queryWrapper = new QueryWrapper<>();
    queryWrapper.eq("mobile", mobile);
    Member member = baseMapper.selectOne(queryWrapper);
    if(member == null){
        throw new GuliException(ResultCodeEnum.LOGIN_MOBLE_ERROR);
    }

    //校验密码
    if(!MD5.encrypt(password).equals(member.getPassword())){
        throw new GuliException(ResultCodeEnum.LOGIN_PASSWORD_ERROR);
    }

    //检验用户是否被禁用
    if(member.getDisabled()){
        throw new GuliException(ResultCodeEnum.LOGIN_DISABLED_ERROR);
    }

    JwtInfo jwtInfo = new JwtInfo();
    jwtInfo.setId(member.getId());
    jwtInfo.setNickname(member.getNickname());
    jwtInfo.setAvatar(member.getAvatar());
    String jwtToken = JwtUtils.getJwtToken(jwtInfo, 1800);

    return jwtToken;
}

4.6、测试

往数据库中插入一条测试数据，mobile为13711111111，密码为123

打开swagger，进行测试

当mobile和密码均输入无误时，后端会返回一个token