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Spring Boot2 系列教程(三十七)Spring Security 整合 JWT

在前后端分离的项目中,登录策略也有不少,不过 JWT 算是目前比较流行的一种解决方案了,本文就和大家来分享一下如何将 Spring Security 和 JWT 结合在一起使用,进而实现前后端分离时的登录解决方案。

1 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,我们把用户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(这一步有浏览器自动完成),我们就能识别到对应 session,从而找到用户的信息。这种方式目前来看最方便,但是也有一些缺陷,如下:

  • 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,不支持集群化部署

1.2 什么是无状态

微服务集群中的每个服务,对外提供的都使用 RESTful 风格的接口。而 RESTful 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,通过这些信息识别客户端身份

那么这种无状态性有哪些好处呢?

  • 客户端请求不依赖服务端的信息,多次请求不需要必须访问到同一台服务器
  • 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(可以方便的进行集群化部署)
  • 减小服务端存储压力

1.3 如何实现无状态

无状态登录的流程:

  • 首先客户端发送账户名/密码到服务端进行认证
  • 认证通过后,服务端将用户信息加密并且编码成一个 token,返回给客户端
  • 以后客户端每次发送请求,都需要携带认证的 token
  • 服务端对客户端发送来的 token 进行解密,判断是否有效,并且获取用户登录信息

1.4 JWT

1.4.1 简介

JWT,全称是 Json Web Token, 是一种 JSON 风格的轻量级的授权和身份认证规范,可实现无状态、分布式的 Web 应用授权:

JWT 作为一种规范,并没有和某一种语言绑定在一起,常用的 Java 实现是 GitHub 上的开源项目 jjwt,地址如下:https://github.com/jwtk/jjwt

1.4.2 JWT数据格式

JWT 包含三部分数据:

  • Header:头部,通常头部有两部分信息:
    • 声明类型,这里是JWT
    • 加密算法,自定义

我们会对头部进行 Base64Url 编码(可解码),得到第一部分数据。

  • Payload:载荷,就是有效数据,在官方文档中(RFC7519),这里给了7个示例信息:
    • iss (issuer):表示签发人
    • exp (expiration time):表示token过期时间
    • sub (subject):主题
    • aud (audience):受众
    • nbf (Not Before):生效时间
    • iat (Issued At):签发时间
    • jti (JWT ID):编号

这部分也会采用 Base64Url 编码,得到第二部分数据。

  • Signature:签名,是整个数据的认证信息。一般根据前两步的数据,再加上服务的的密钥secret(密钥保存在服务端,不能泄露给客户端),通过 Header 中配置的加密算法生成。用于验证整个数据完整和可靠性。

生成的数据格式如下图:

注意,这里的数据通过 . 隔开成了三部分,分别对应前面提到的三部分,另外,这里数据是不换行的,图片换行只是为了展示方便而已。

1.4.3 JWT 交互流程

流程图:

步骤翻译:

  1. 应用程序或客户端向授权服务器请求授权
  2. 获取到授权后,授权服务器会向应用程序返回访问令牌
  3. 应用程序使用访问令牌来访问受保护资源(如 API)

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,这样就完全符合了 RESTful 的无状态规范。

1.5 JWT 存在的问题

说了这么多,JWT 也不是天衣无缝,由客户端维护登录状态带来的一些问题在这里依然存在,举例如下:

  1. 续签问题,这是被很多人诟病的问题之一,传统的 cookie+session 的方案天然的支持续签,但是 jwt 由于服务端不保存用户状态,因此很难完美解决续签问题,如果引入 redis,虽然可以解决问题,但是 jwt 也变得不伦不类了。
  2. 注销问题,由于服务端不再保存用户信息,所以一般可以通过修改 secret 来实现注销,服务端 secret 修改后,已经颁发的未过期的 token 就会认证失败,进而实现注销,不过毕竟没有传统的注销方便。
  3. 密码重置,密码重置后,原本的 token 依然可以访问系统,这时候也需要强制修改 secret。
  4. 基于第 2 点和第 3 点,一般建议不同用户取不同 secret。

2 实战

说了这么久,接下来我们就来看看这个东西到底要怎么用?

2.1 环境搭建

首先我们来创建一个 Spring Boot 项目,创建时需要添加 Spring Security 依赖,创建完成后,添加 jjwt 依赖,完整的 pom.xml 文件如下:

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-security</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
    <artifactId>jjwt</artifactId>
    <version>0.9.1</version>
</dependency>

然后在项目中创建一个简单的 User 对象实现 UserDetails 接口,如下:

public class User implements UserDetails {
    private String username;
    private String password;
    private List<GrantedAuthority> authorities;
    public String getUsername() {
        return username;
    }
    @Override
    public boolean isAccountNonExpired() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isAccountNonLocked() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isCredentialsNonExpired() {
        return true;
    }
    @Override
    public boolean isEnabled() {
        return true;
    }
    //省略getter/setter
}

这个就是我们的用户对象,先放着备用,再创建一个 HelloController,内容如下:

@RestController
public class HelloController {
    @GetMapping("/hello")
    public String hello() {
        return "hello jwt !";
    }
    @GetMapping("/admin")
    public String admin() {
        return "hello admin !";
    }
}

HelloController 很简单,这里有两个接口,设计是 /hello 接口可以被具有 user 角色的用户访问,而 /admin 接口则可以被具有 admin 角色的用户访问。

2.2 JWT 过滤器配置

接下来提供两个和 JWT 相关的过滤器配置:

  1. 一个是用户登录的过滤器,在用户的登录的过滤器中校验用户是否登录成功,如果登录成功,则生成一个token返回给客户端,登录失败则给前端一个登录失败的提示。
  2. 第二个过滤器则是当其他请求发送来,校验token的过滤器,如果校验成功,就让请求继续执行。

这两个过滤器,我们分别来看,先看第一个:

public class JwtLoginFilter extends AbstractAuthenticationProcessingFilter {
    protected JwtLoginFilter(String defaultFilterProcessesUrl, AuthenticationManager authenticationManager) {
        super(new AntPathRequestMatcher(defaultFilterProcessesUrl));
        setAuthenticationManager(authenticationManager);
    }
    @Override
    public Authentication attemptAuthentication(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp) throws AuthenticationException, IOException, ServletException {
        User user = new ObjectMapper().readValue(req.getInputStream(), User.class);
        return getAuthenticationManager().authenticate(new UsernamePasswordAuthenticationToken(user.getUsername(), user.getPassword()));
    }
    @Override
    protected void successfulAuthentication(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp, FilterChain chain, Authentication authResult) throws IOException, ServletException {
        Collection<? extends GrantedAuthority> authorities = authResult.getAuthorities();
        StringBuffer as = new StringBuffer();
        for (GrantedAuthority authority : authorities) {
            as.append(authority.getAuthority())
                    .append(",");
        }
        String jwt = Jwts.builder()
                .claim("authorities", as)//配置用户角色
                .setSubject(authResult.getName())
                .setExpiration(new Date(System.currentTimeMillis() + 10 * 60 * 1000))
                .signWith(SignatureAlgorithm.HS512,"sang@123")
                .compact();
        resp.setContentType("application/json;charset=utf-8");
        PrintWriter out = resp.getWriter();
        out.write(new ObjectMapper().writeValueAsString(jwt));
        out.flush();
        out.close();
    }
    protected void unsuccessfulAuthentication(HttpServletRequest req, HttpServletResponse resp, AuthenticationException failed) throws IOException, ServletException {
        resp.setContentType("application/json;charset=utf-8");
        PrintWriter out = resp.getWriter();
        out.write("登录失败!");
        out.flush();
        out.close();
    }
}

关于这个类,我说如下几点:

  1. 自定义 JwtLoginFilter 继承自 AbstractAuthenticationProcessingFilter,并实现其中的三个默认方法。
  2. attemptAuthentication 方法中,我们从登录参数中提取出用户名密码,然后调用 AuthenticationManager.authenticate() 方法去进行自动校验。
  3. 第二步如果校验成功,就会来到 successfulAuthentication 回调中,在 successfulAuthentication 方法中,将用户角色遍历然后用一个 , 连接起来,然后再利用 Jwts 去生成 token,按照代码的顺序,生成过程一共配置了四个参数,分别是用户角色、主题、过期时间以及加密算法和密钥,然后将生成的 token 写出到客户端。
  4. 第二步如果校验失败就会来到 unsuccessfulAuthentication 方法中,在这个方法中返回一个错误提示给客户端即可。

再来看第二个 token 校验的过滤器:

public class JwtFilter extends GenericFilterBean {
    @Override
    public void doFilter(ServletRequest servletRequest, ServletResponse servletResponse, FilterChain filterChain) throws IOException, ServletException {
        HttpServletRequest req = (HttpServletRequest) servletRequest;
        String jwtToken = req.getHeader("authorization");
        System.out.println(jwtToken);
        Claims claims = Jwts.parser().setSigningKey("sang@123").parseClaimsJws(jwtToken.replace("Bearer",""))
                .getBody();
        String username = claims.getSubject();//获取当前登录用户名
        List<GrantedAuthority> authorities = AuthorityUtils.commaSeparatedStringToAuthorityList((String) claims.get("authorities"));
        UsernamePasswordAuthenticationToken token = new UsernamePasswordAuthenticationToken(username, null, authorities);
        SecurityContextHolder.getContext().setAuthentication(token);
        filterChain.doFilter(req,servletResponse);
    }
}

关于这个过滤器,我说如下几点:

  1. 首先从请求头中提取出 authorization 字段,这个字段对应的 value 就是用户的 token。
  2. 将提取出来的 token 字符串转换为一个 Claims 对象,再从 Claims 对象中提取出当前用户名和用户角色,创建一个 UsernamePasswordAuthenticationToken 放到当前的 Context 中,然后执行过滤链使请求继续执行下去。

如此之后,两个和 JWT 相关的过滤器就算配置好了。

2.3 Spring Security 配置

接下来我们来配置 Spring Security,如下:

@Configuration
public class WebSecurityConfig extends WebSecurityConfigurerAdapter {
    @Bean
    PasswordEncoder passwordEncoder() {
        return NoOpPasswordEncoder.getInstance();
    }
    @Override
    protected void configure(AuthenticationManagerBuilder auth) throws Exception {
        auth.inMemoryAuthentication().withUser("admin")
                .password("123").roles("admin")
                .and()
                .withUser("sang")
                .password("456")
                .roles("user");
    }

    @Override
    protected void configure(HttpSecurity http) throws Exception {
        http.authorizeRequests()
                .antMatchers("/hello").hasRole("user")
                .antMatchers("/admin").hasRole("admin")
                .antMatchers(HttpMethod.POST, "/login").permitAll()
                .anyRequest().authenticated()
                .and()
                .addFilterBefore(new JwtLoginFilter("/login",authenticationManager()),UsernamePasswordAuthenticationFilter.class)
                .addFilterBefore(new JwtFilter(),UsernamePasswordAuthenticationFilter.class)
                .csrf().disable();
    }
}
  1. 简单起见,这里我并未对密码进行加密,因此配置了 NoOpPasswordEncoder 的实例。
  2. 简单起见,这里并未连接数据库,我直接在内存中配置了两个用户,两个用户具备不同的角色。
  3. 配置路径规则时, /hello 接口必须要具备 user 角色才能访问, /admin 接口必须要具备 admin 角色才能访问,POST 请求并且是 /login 接口则可以直接通过,其他接口必须认证后才能访问。
  4. 最后配置上两个自定义的过滤器并且关闭掉 csrf 保护。

2.4 测试

做完这些之后,我们的环境就算完全搭建起来了,接下来启动项目然后在 POSTMAN 中进行测试,如下:

登录成功后返回的字符串就是经过 base64url 转码的 token,一共有三部分,通过一个 . 隔开,我们可以对第一个 . 之前的字符串进行解码,即 Header,如下:

再对两个 . 之间的字符解码,即 payload:

可以看到,我们设置信息,由于 base64 并不是加密方案,只是一种编码方案,因此,不建议将敏感的用户信息放到 token 中。

接下来再去访问 /hello 接口,注意认证方式选择 Bearer Token,Token 值为刚刚获取到的值,如下:

可以看到,访问成功。

总结

这就是 JWT 结合 Spring Security 的一个简单用法,讲真,如果实例允许,类似的需求我还是推荐使用 OAuth2 中的 password 模式。

不知道大伙有没有看懂呢?如果没看懂,松哥还有一个关于这个知识点的视频教程,如下:

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