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用户passport 服务Token：如何降低用户身份鉴权的流量压力？

Author: goat · 分类： 领域架构 ·    2024年11月 · tags:

许多网站在初期阶段通常使用 Session 方式来实现用户登录鉴权。具体而言，当用户成功登录后，服务端会将用户的相关信息存储在 Session 缓存 中，并生成一个唯一的 session_id，这个 ID 被存储在用户的 Cookie 中。之后，用户每次发送请求时，都会携带该 session_id，服务端则通过该 ID 查找到 Session 缓存中的用户记录，从而进行身份验证和用户信息的管理。

这种用户鉴权方式的优势在于，所有用户信息都存储在服务端，不会暴露任何敏感数据给客户端，同时每个登录用户都有共享的 Session 缓存空间。但是，随着网站流量的增长，这种设计也会暴露出明显的缺点——用户中心的身份鉴权在高并发下表现不稳定。

具体而言，用户中心需要维护大量的 Session 缓存，并且频繁被各个业务系统访问。如果缓存出现故障，所有依赖它的子系统将无法进行用户身份确认，导致服务中断。这主要是由于 Session 缓存与各子系统的高耦合。每次请求都至少需要访问一次缓存，因此缓存的容量和响应速度直接影响了全站的 QPS 上限，降低了系统的隔离性，使各子系统之间互相影响。

那么，如何降低用户中心与各子系统之间的耦合度，从而提高系统性能呢？接下来我们一起来探讨。

JWT 登陆和 token 校验

常见方式是采用签名加密的 token，这是登录的一个行业标准，即 JWT（JSON Web Token）：

上图就是 JWT 的登陆流程，用户登录后会将用户信息放到一个加密签名的 token 中，每次请求都把这个串放到 header 或 cookie 内带到服务端，服务端直接将这个 token 解开即可直接获取到用户的信息，无需和用户中心做任何交互请求。

token 生成代码如下：

import "github.com/dgrijalva/jwt-go" 
//签名所需混淆密钥 不要太简单 容易被破解 
//也可以使用非对称加密，这样可以在客户端用公钥验签 
var secretString = []byte("jwt secret string 137 rick")  
type TokenPayLoad struct { 
    UserId   uint64 `json:"userId"` //用户id 
    NickName string `json:"nickname"` //昵称 
    jwt.StandardClaims //私有部分 
} 
// 生成JWT token 
func GenToken(userId uint64, nickname string) (string, error) { 
    c := TokenPayLoad{ 
        UserId: userId, //uid 
        NickName: nickname, //昵称 
//这里可以追加一些其他加密的数据进来 
//不要明文放敏感信息，如果需要放，必须再加密 
//私有部分 
        StandardClaims: jwt.StandardClaims{ 
//两小时后失效 
            ExpiresAt: time.Now().Add(2 * time.Hour).Unix(), 
//颁发者 
            Issuer:    "geekbang", 
        }, 
    } 
//创建签名 使用hs256 
    token := jwt.NewWithClaims(jwt.SigningMethodHS256, c) 
// 签名，获取token结果 
return token.SignedString(secretString) 
}

可以看出，这种 Token 内部包含了过期时间，接近过期的 Token 会在客户端自动与服务端通信进行更新。这样设计可以大大增加恶意截取客户端 Token 并伪造用户身份的难度。同时，服务端还可以实现与用户中心的解耦，业务服务端只需解析请求中的 Token 就能获取用户信息，而不必每次请求都去访问用户中心。Token 的刷新完全可以由客户端主动向用户中心发起，而无需业务服务端频繁请求用户中心来更换 Token。

那么，JWT（JSON Web Token）是如何保证数据不会被篡改并确保数据完整性的呢？接下来我们来看看它的组成。

JWT token 解密后的数据结构如下图所示：

//header 
//加密头 
{ 
"alg": "HS256", // 加密算法，注意检测个别攻击会在这里设置为none绕过签名 
"typ": "JWT" //协议类型 
} 
//PAYLOAD 
//负载部分，存在JWT标准字段及我们自定义的数据字段 
{ 
"userid": "9527", //我们放的一些明文信息，如果涉及敏感信息，建议再次加密 
"nickname": "Rick.Xu", // 我们放的一些明文信息，如果涉及隐私，建议再次加密 
"iss": "geekbang", 
"iat": 1516239022, //token发放时间 
"exp": 1516246222, //token过期时间 
} 
//签名 
//签名用于鉴定上两段内容是否被篡改，如果篡改那么签名会发生变化 
//校验时会对不上

JWT 如何验证 token 是否有效，还有 token 是否过期、是否合法，具体方法如下：

func DecodeToken(token string) (*TokenPayLoad, error) { 
    token, err := jwt.ParseWithClaims(token, &TokenPayLoad{}, func(tk *jwt.Token) (interface{}, error) { 
return secret, nil 
    }) 
if err != nil { 
return nil, err 
    } 
if decodeToken, ok := token.Claims.(*TokenPayLoad); ok && token.Valid { 
return decodeToken, nil 
    } 
return nil, errors.New("token wrong") 
}

JWT

（JSON Web Token）的解码相对简单，第一部分和第二部分都是通过 Base64 编码的。解码这两部分即可获取到 payload 中的所有数据，其中包括用户昵称、UID、用户权限和 Token 的过期时间。要验证 Token 是否过期，只需将其中的过期时间与当前时间进行对比，即可确认 Token 是否有效。而验证 Token 的合法性则通过 签名验证来完成。任何对信息的修改都无法通过签名验证。如果 Token 通过了签名验证，就表明它没有被篡改过，是一个合法的 Token，可以直接使用。

这个过程如下图所示：

通过 Token 方式，可以显著减轻用户中心的压力，不再需要频繁访问用户信息接口。各业务服务端只需解码并验证 Token 的合法性，即可直接获取用户信息。然而，这种方式也存在一些缺点。比如，当用户被拉黑后，客户端通常要等到 Token 过期才会自动登出，这会导致管理上的一定延迟。

如果希望实现实时管理，可以在服务端暂存新生成的 Token，并在每次用户请求时与缓存中的 Token 进行对比。不过，这样的操作会影响系统性能，因此少数公司会采用这种方式。为了提高 JWT 系统的安全性，Token 通常设置较短的过期时间，通常为十五分钟左右。Token 过期后，客户端会自动向服务端请求更新。

token 的更换和离线

那么如何对 JWT 的 token 进行更换和离线验签呢？具体的服务端换签很简单，只要客户端检测到当前的 token 快过期了，就主动请求用户中心更换 token 接口，重新生成一个离当前还有十五分钟超时的 token。但是期间如果超过十五分钟还没换到，就会导致客户端登录失败。为了减少这类问题，同时保证客户端长时间离线仍能正常工作，行业内普遍使用双 token 方式，具体你可以看看后面的流程图：

在这个方案中，使用了两种 Token：

  1. Refresh Token：用于更换 Access Token，有效期为 30 天。
  2. Access Token：用于存储当前用户信息和权限信息，每隔 15 分钟进行一次更换。

当客户端尝试请求用户中心进行 Token 更换但失败，且客户端处于离线状态时，只要本地的 Refresh Token 未过期，系统仍然能够正常运作。客户端可以持续使用 Access Token，直到 Refresh Token 到期，此时系统会提示用户重新登录。通过这种方式，即便用户中心出现故障，业务系统也可以正常运转一段时间，提升了系统的健壮性和用户体验。

用户中心检测更换 token 的实现如下：

//如果还有五分钟token要过期，那么换token 
if decodeToken.StandardClaims.ExpiresAt < TimestampNow() - 300 { 
//请求下用户中心，问问这个人禁登陆没 
//....略具体 
//重新发放token 
  token, err := GenToken(.....) 
if err != nil { 
return nil, err 
  } 
//更新返回cookie中token 
  resp.setCookie("xxxx", token) 
}

安全建议

在使用 JWT 方案时，除了代码注释中提到的内容外，还有一些关键注意事项值得留意：

  1. 确保通讯安全：使用 HTTPS 协议传输数据，以降低 Token 被拦截的风险。
  2. 限制 Token 的更换频率：要控制 Token 的更换次数，并定期刷新 Token。例如，限制用户的 Access Token 每天只能更换 50 次，如果超出次数则要求用户重新登录，同时每 15 分钟更换一次 Token。这样可以减少 Token 被盗后的潜在影响。
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