手把手教大家在 gRPC 中使用 JWT 完成身份校验

时间：2023-02-22 19:11:16

@[toc] 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：

手把手教大家在 gRPC 中使用 JWT 完成身份校验

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：

手把手教大家在 gRPC 中使用 JWT 完成身份校验

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：

手把手教大家在 gRPC 中使用 JWT 完成身份校验

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：

├── 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：

<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：

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：

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：

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) &amp;&amp; "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：

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：

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<claims> 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：

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(() -&gt; {
            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：

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：

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(() -&gt; {
            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：

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～</stringvalue></loginresponse></claims></reqt></claims></reqt,></reqt,></reqt></reqt,></stringvalue></loginresponse></string>

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