手把手教大家在 gRPC 中使用 JWT 完成身份校验

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上篇文章松哥和小伙伴们聊了在 gRPC 中如何使用拦截器,这些拦截器有服务端拦截器也有客户端拦截器,这些拦截器的一个重要使用场景,就是可以进行身份的校验。当客户端发起请求的时候,服务端通过拦截器进行身份校验,就知道这个请求是谁发起的了。今天松哥就来通过一个具体的案例,来和小伙伴们演示一下 gRPC 如何结合 JWT 进行身份校验。

1. JWT 介绍

1.1 无状态登录

1.1.1 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

1.1.2 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

1.2 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

1.3 JWT

1.3.1 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

1.3.2 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。

1.3.3 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。

1.3.4 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。

当然,为了解决 JWT 存在的问题,也可以将 JWT 结合 Redis 来用,服务端生成的 JWT 字符串存入到 Redis 中并设置过期时间,每次校验的时候,先看 Redis 中是否存在该 JWT 字符串,如果存在就进行后续的校验。但是这种方式有点不伦不类(又成了有状态了)。

2. 实践

我们来看下 gRPC 如何结合 JWT。

2.1 项目创建

首先我先给大家看下我的项目结构:

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├── grpc_api
│   ├── pom.xml
│   └── src
├── grpc_client
│   ├── pom.xml
│   └── src
├── grpc_server
│   ├── pom.xml
│   └── src
└── pom.xml

还是跟之前文章中的一样,三个模块,grpc_api 用来存放一些公共的代码。

grpc_server 用来放服务端的代码,我这里服务端主要提供了两个接口:

  1. 登录接口,登录成功之后返回 JWT 字符串。
  2. hello 接口,客户端拿着 JWT 字符串来访问 hello 接口。

grpc_client 则是我的客户端代码。

2.2 grpc_api

我将 protocol buffers 和一些依赖都放在 grpc_api 模块中,因为将来我的 grpc_server 和 grpc_client 都将依赖 grpc_api。

我们来看下这里需要的依赖和插件:

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<dependencies>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-api</artifactId>
<version>0.11.5</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-impl</artifactId>
<version>0.11.5</version>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.jsonwebtoken</groupId>
<artifactId>jjwt-jackson</artifactId>
<version>0.11.5</version>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.grpc</groupId>
<artifactId>grpc-netty-shaded</artifactId>
<version>1.52.1</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.grpc</groupId>
<artifactId>grpc-protobuf</artifactId>
<version>1.52.1</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>io.grpc</groupId>
<artifactId>grpc-stub</artifactId>
<version>1.52.1</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.apache.tomcat</groupId>
<artifactId>annotations-api</artifactId>
<version>6.0.53</version>
<scope>provided</scope>
</dependency>
</dependencies>
<build>
<extensions>
<extension>
<groupId>kr.motd.maven</groupId>
<artifactId>os-maven-plugin</artifactId>
<version>1.6.2</version>
</extension>
</extensions>
<plugins>
<plugin>
<groupId>org.xolstice.maven.plugins</groupId>
<artifactId>protobuf-maven-plugin</artifactId>
<version>0.6.1</version>
<configuration>
<protocArtifact>com.google.protobuf:protoc:3.21.7:exe:${os.detected.classifier}</protocArtifact>
<pluginId>grpc-java</pluginId>
<pluginArtifact>io.grpc:protoc-gen-grpc-java:1.51.0:exe:${os.detected.classifier}</pluginArtifact>
</configuration>
<executions>
<execution>
<goals>
<goal>compile</goal>
<goal>compile-custom</goal>
</goals>
</execution>
</executions>
</plugin>
</plugins>
</build>

这里的依赖和插件松哥在本系列的第一篇文章中都已经介绍过了,唯一不同的是,这里引入了 JWT 插件,JWT 我使用了比较流行的 JJWT 这个工具。JJWT 松哥在之前的文章和视频中也都有介绍过,这里就不再啰嗦了。

先来看看我的 Protocol Buffers 文件:

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syntax = "proto3";

option java_multiple_files = true;
option java_package = "org.javaboy.grpc.api";
option java_outer_classname = "LoginProto";
import "google/protobuf/wrappers.proto";

package login;

service LoginService {
rpc login (LoginBody) returns (LoginResponse);
}

service HelloService{
rpc sayHello(google.protobuf.StringValue) returns (google.protobuf.StringValue);
}

message LoginBody {
string username = 1;
string password = 2;
}

message LoginResponse {
string token = 1;
}

经过前面几篇文章的介绍,这里我就不多说啦,就是定义了两个服务:

  • LoginService:这个登录服务,传入用户名密码,返回登录成功之后的令牌。
  • HelloService:这个就是一个打招呼的服务,传入字符串,返回也是字符串。

定义完成之后,生成对应的代码即可。

接下来再定义一个常量类供 grpc_server 和 grcp_client 使用,如下:

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public interface AuthConstant {
SecretKey JWT_KEY = Keys.hmacShaKeyFor("hello_javaboy_hello_javaboy_hello_javaboy_hello_javaboy_".getBytes());
Context.Key<String> AUTH_CLIENT_ID = Context.key("clientId");
String AUTH_HEADER = "Authorization";
String AUTH_TOKEN_TYPE = "Bearer";
}

这里的每个常量我都给大家解释下:

  1. JWT_KEY:这个是生成 JWT 字符串以及进行 JWT 字符串校验的密钥。
  2. AUTH_CLIENT_ID:这个是客户端的 ID,即客户端发送来的请求携带了 JWT 字符串,通过 JWT 字符串确认了用户身份,就存在这个变量中。
  3. AUTH_HEADER:这个是携带 JWT 字符串的请求头的 KEY。
  4. AUTH_TOKEN_TYPE:这个是携带 JWT 字符串的请求头的参数前缀,通过这个可以确认参数的类型,常见取值有 Bearer 和 Basic。

如此,我们的 gRPC_api 就定义好了。

2.3 grpc_server

接下来我们来定义 gRPC_server。

首先来定义登录服务:

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public class LoginServiceImpl extends LoginServiceGrpc.LoginServiceImplBase {
@Override
public void login(LoginBody request, StreamObserver<LoginResponse> responseObserver) {
String username = request.getUsername();
String password = request.getPassword();
if ("javaboy".equals(username) && "123".equals(password)) {
System.out.println("login success");
//登录成功
String jwtToken = Jwts.builder().setSubject(username).signWith(AuthConstant.JWT_KEY).compact();
responseObserver.onNext(LoginResponse.newBuilder().setToken(jwtToken).build());
responseObserver.onCompleted();
}else{
System.out.println("login error");
//登录失败
responseObserver.onNext(LoginResponse.newBuilder().setToken("login error").build());
responseObserver.onCompleted();
}
}
}

省事起见,我这里没有连接数据库,用户名和密码固定为 javaboy 和 123。

登录成功之后,就生成一个 JWT 字符串返回。

登录失败,就返回一个 login error 字符串。

再来看我们的 HelloService 服务,如下:

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public class HelloServiceImpl extends HelloServiceGrpc.HelloServiceImplBase {
@Override
public void sayHello(StringValue request, StreamObserver<StringValue> responseObserver) {
String clientId = AuthConstant.AUTH_CLIENT_ID.get();
responseObserver.onNext(StringValue.newBuilder().setValue(clientId + " say hello:" + request.getValue()).build());
responseObserver.onCompleted();
}
}

这个服务就更简单了,不啰嗦。唯一值得说的是 AuthConstant.AUTH_CLIENT_ID.get(); 表示获取当前访问用户的 ID,这个用户 ID 是在拦截器中存入进来的。

最后,我们来看服务端比较重要的拦截器,我们要在拦截器中从请求头中获取到 JWT 令牌并解析,如下:

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public class AuthInterceptor implements ServerInterceptor {
private JwtParser parser = Jwts.parser().setSigningKey(AuthConstant.JWT_KEY);

@Override
public <ReqT, RespT> ServerCall.Listener<ReqT> interceptCall(ServerCall<ReqT, RespT> serverCall, Metadata metadata, ServerCallHandler<ReqT, RespT> serverCallHandler) {
String authorization = metadata.get(Metadata.Key.of(AuthConstant.AUTH_HEADER, Metadata.ASCII_STRING_MARSHALLER));
Status status = Status.OK;
if (authorization == null) {
status = Status.UNAUTHENTICATED.withDescription("miss authentication token");
} else if (!authorization.startsWith(AuthConstant.AUTH_TOKEN_TYPE)) {
status = Status.UNAUTHENTICATED.withDescription("unknown token type");
} else {
Jws<Claims> claims = null;
String token = authorization.substring(AuthConstant.AUTH_TOKEN_TYPE.length()).trim();
try {
claims = parser.parseClaimsJws(token);
} catch (JwtException e) {
status = Status.UNAUTHENTICATED.withDescription(e.getMessage()).withCause(e);
}
if (claims != null) {
Context ctx = Context.current()
.withValue(AuthConstant.AUTH_CLIENT_ID, claims.getBody().getSubject());
return Contexts.interceptCall(ctx, serverCall, metadata, serverCallHandler);
}
}
serverCall.close(status, new Metadata());
return new ServerCall.Listener<ReqT>() {
};
}
}

这段代码逻辑应该好理解:

  1. 首先从 Metadata 中提取出当前请求所携带的 JWT 字符串(相当于从请求头中提取出来)。
  2. 如果第一步提取到的值为 null 或者这个值不是以指定字符 Bearer 开始的,说明这个令牌是一个非法令牌,设置对应的响应 status 即可。
  3. 如果令牌都没有问题的话,接下来就进行令牌的校验,校验失败,则设置相应的 status 即可。
  4. 校验成功的话,我们就会获取到一个 Jws 对象,从这个对象中我们可以提取出来用户名,并存入到 Context 中,将来我们在 HelloServiceImpl 中就可以获取到这里的用户名了。
  5. 最后,登录成功的话,Contexts.interceptCall 方法构建监听器并返回;登录失败,则构建一个空的监听器返回。

最后,我们再来看看启动服务端:

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public class LoginServer {
Server server;

public static void main(String[] args) throws IOException, InterruptedException {
LoginServer server = new LoginServer();
server.start();
server.blockUntilShutdown();
}

public void start() throws IOException {
int port = 50051;
server = ServerBuilder.forPort(port)
.addService(new LoginServiceImpl())
.addService(ServerInterceptors.intercept(new HelloServiceImpl(), new AuthInterceptor()))
.build()
.start();
Runtime.getRuntime().addShutdownHook(new Thread(() -> {
LoginServer.this.stop();
}));
}

private void stop() {
if (server != null) {
server.shutdown();
}
}

private void blockUntilShutdown() throws InterruptedException {
if (server != null) {
server.awaitTermination();
}
}
}

这个跟之前的相比就多加了一个 Service,添加 HelloServiceImpl 服务的时候,多加了一个拦截器,换言之,登录的时候,请求是不会被这个认证拦截器拦截的。

好啦,这样我们的 grpc_server 就开发完成了。

2.4 grpc_client

接下来我们来看 grpc_client。

先来看登录:

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public class LoginClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ManagedChannel channel = ManagedChannelBuilder.forAddress("localhost", 50051)
.usePlaintext()
.build();
LoginServiceGrpc.LoginServiceStub stub = LoginServiceGrpc.newStub(channel);
login(stub);
}

private static void login(LoginServiceGrpc.LoginServiceStub stub) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
stub.login(LoginBody.newBuilder().setUsername("javaboy").setPassword("123").build(), new StreamObserver<LoginResponse>() {
@Override
public void onNext(LoginResponse loginResponse) {
System.out.println("loginResponse.getToken() = " + loginResponse.getToken());
}

@Override
public void onError(Throwable throwable) {

}

@Override
public void onCompleted() {
countDownLatch.countDown();
}
});
countDownLatch.await();
}
}

这个方法直接调用就行了,看过前面几篇 gRPC 文章的话,这里都很好理解。

再来看 hello 接口的调用,这个接口调用需要携带 JWT 字符串,而携带 JWT 字符串,则需要我们构建一个 CallCredentials 对象,如下:

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public class JwtCredential extends CallCredentials {
private String subject;

public JwtCredential(String subject) {
this.subject = subject;
}

@Override
public void applyRequestMetadata(RequestInfo requestInfo, Executor executor, MetadataApplier metadataApplier) {
executor.execute(() -> {
try {
Metadata headers = new Metadata();
headers.put(Metadata.Key.of(AuthConstant.AUTH_HEADER, Metadata.ASCII_STRING_MARSHALLER),
String.format("%s %s", AuthConstant.AUTH_TOKEN_TYPE, subject));
metadataApplier.apply(headers);
} catch (Throwable e) {
metadataApplier.fail(Status.UNAUTHENTICATED.withCause(e));
}
});
}

@Override
public void thisUsesUnstableApi() {

}
}

这里就是将请求的 JWT 令牌放入到请求头中即可。

最后来看看调用:

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public class LoginClient {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ManagedChannel channel = ManagedChannelBuilder.forAddress("localhost", 50051)
.usePlaintext()
.build();
LoginServiceGrpc.LoginServiceStub stub = LoginServiceGrpc.newStub(channel);
sayHello(channel);
}

private static void sayHello(ManagedChannel channel) throws InterruptedException {
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(1);
HelloServiceGrpc.HelloServiceStub helloServiceStub = HelloServiceGrpc.newStub(channel);
helloServiceStub
.withCallCredentials(new JwtCredential("eyJhbGciOiJIUzM4NCJ9.eyJzdWIiOiJqYXZhYm95In0.IMMp7oh1dl_trUn7sn8qiv9GtO-COQyCGDz_Yy8VI4fIqUcRfwQddP45IoxNovxL"))
.sayHello(StringValue.newBuilder().setValue("wangwu").build(), new StreamObserver<StringValue>() {
@Override
public void onNext(StringValue stringValue) {
System.out.println("stringValue.getValue() = " + stringValue.getValue());
}

@Override
public void onError(Throwable throwable) {
System.out.println("throwable.getMessage() = " + throwable.getMessage());
}

@Override
public void onCompleted() {
countDownLatch.countDown();
}
});
countDownLatch.await();
}
}

这里的登录令牌就是前面调用 login 方法时获取到的令牌。

好啦,大功告成。

3. 小结

上面的登录与校验只是松哥给小伙伴们展示的一个具体案例而已,在此案例基础之上,我们还可以扩展出来更多写法,但是万变不离其宗,其他玩法就需要小伙伴们自行探索啦~

# TLS, gRPC

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