微服务中如何保证接口的安全性？[基于DDD和微服务的开发实战]

大家好，我是飘渺。如果你的微服务需要向第三方开放接口，如何确保你提供的接口是安全的呢？

1. 什么是安全接口

通常来说，要将暴露在外网的 API 接口视为安全接口，需要实现防篡改和防重放的功能。

1.1 什么是篡改问题？

由于 HTTP 是一种无状态协议，服务端无法确定客户端发送的请求是否合法，也不了解请求中的参数是否正确。以一个充值接口为例：

http://localhost/api/user/recharge?user_id=1001&amount=10

如果非法用户通过抓包获取接口参数并修改 user_id 或 amount 的值，就能为任意账户添加余额。

1.1.1 如何解决篡改问题？

虽然使用 HTTPS 协议能对传输的明文进行加密，但黑客仍可截获数据包进行重放攻击。两种通用解决方案是：

使用 HTTPS 加密接口数据传输，即使被黑客破解，也需要耗费大量时间和精力。
在接口后台对请求参数进行签名验证，以防止黑客篡改。

签名的实现过程如下图所示：

步骤1：客户端使用约定好的规则对传输的参数进行加密，得到签名值sign1，并且将签名值也放入请求的参数中，随请求发送至服务端。
步骤2：服务端接收到请求后，使用约定好的规则对请求的参数再次进行签名，得到签名值 sign2。
步骤3：服务端比对 sign1 和 sign2 的值，若不一致，则认定为被篡改，判定为非法请求。

1.2. 什么是重放问题？

防重放也叫防复用。简单来说就是我获取到这个请求的信息之后什么也不改,，直接拿着接口的参数去 重复请求这个充值的接口。此时我的请求是合法的, 因为所有参数都是跟合法请求一模一样的。重放攻击会造成两种后果：

针对插入数据库接口：重放攻击，会出现大量重复数据，甚至垃圾数据会把数据库撑爆。
针对查询的接口：黑客一般是重点攻击慢查询接口，例如一个慢查询接口1s，只要黑客发起重放攻击，就必然造成系统被拖垮，数据库查询被阻塞死。

1.2.1 如何解决重放问题？

防重放，业界通常基于 nonce + timestamp 方案实现。每次请求接口时生成 timestamp 和 nonce 两个额外参数，其中 timestamp 代表当前请求时间，nonce 代表仅一次有效的随机字符串。生成这两个字段后，与其他参数一起进行签名，并发送至服务端。服务端接收请求后，先比较 timestamp 是否超过规定时间（如60秒），再查看 Redis 中是否存在 nonce，最后校验签名是否一致，是否有篡改。

如果看过我DDD&微服务系列中幂等方案的文章，对于nonce方案肯定比较熟悉，这就是幂等方案中的token机制，只不过此时幂等key是由客户端生成的。

2. 身份认证方案

我们已经了解了如何解决对外接口可能遇到的篡改和重放问题，但还遗漏了最关键的身份认证环节。一般而言，对互联网开放的接口不是任何人都能调用的，只有经过认证的用户或机构才有权限访问。解决身份认证问题通常通过 AppId 和 AppSecret 实现。

2.1 AppId + AppSecret

AppId作为一种全局唯一的标识符，主要用于用户身份识别。为防止其他用户恶意使用别人的 AppId 发起请求，通常采用配对 AppSecret 的方式，类似一种密码。在请求方发起请求时，需将 AppID 和 AppSecret 搭配上前文提到的安全方案，一并签名提交给提供方验证。

现在，让我们再来梳理一下完整的签名方案。

1、服务方提供一组 AppId 和 AppSecret，并由客户端保存。

2、将timestamp、nonce、AppId 与请求参数一起并按照字典排序，使用URL键值对(key1=value1&key2=value2…)的格式拼接形成字符串StringA。

3、在StringA的最后拼接上AppSecret，得到字符串StringB。

4、使用摘要算法对 StringB 进行加密，并将得到的字符串转为大写，得到签名值 sign，将其与参数一起发送给服务端。

5、服务端接收请求后，对接口进行校验（时间、随机字符串、身份验证、签名）。

在这个流程中，**AppID 参与本地加密和网络传输，而 AppSecret 仅作本地加密使用，不参与网络传输。**服务端拿到 AppID 后，从存储介质中获取对应的 AppSecret，然后采用与客户端相同的签名规则生成服务端签名，最后比较客户端签名和服务端签名是否一致。

3. 代码实现

“Talk is cheap. Show me the code.” 说了这么久，现在让我们从代码的角度来看看如何在 DailyMart 中将上面的理论知识串联起来，安全地对外提供接口。

本文涉及到的所有代码都已上传至github，如果需要请参考文末方式进行获取。

3.1 AppId 和 AppSecret的生成

在生成 AppId 和 AppSecret 时，只需确保 AppId 的全局唯一性，然后将生成的 AppId 和 AppSecret 进行绑定。在 DailyMart 中，我们使用短链的生成算法来生成 AppId，再对 AppId 进行 SHA 加密后得到对应的 AppSecret。

 private static String getAppKey() {
	long num = IdUtils.nextId();
	StringBuilder sb = new StringBuilder();
	do {
		int remainder = (int) (num % 62);
		sb.insert(0, BASE62_CHARACTERS.charAt(remainder));
		num /= 62;
	} while (num != 0);
	return sb.toString();
}

通过这个算法生成的 AppId 和 AppSecret 形如：

appKey=6iYWoL2hBk9, appSecret=5de8bc4d8278ed4f14a3490c0bdd5cbe369e8ec9

3.2 API校验器

在一个系统中可能存在多种认证逻辑，比如既要支持今天所讲的开放接口校验逻辑，还需要支持内部服务的 JWT 认证逻辑。为了方便处理，我们抽象一个 API 认证接口，各种认证逻辑独立到自己的实现中，对于今天所讲的开放接口认证，主要关注 ProtectedApiAuthenticator。

//认证接口
public interface ApiAuthenticator {
  AuthenticatorResult auth(ServerWebExchange request); 
}

//具体实现
@Slf4j
public class ProtectedApiAuthenticator implements ApiAuthenticator {
  ...
}

3.2 网关过滤器

接口的安全校验很适合放在网关层实现，因此我们需要在网关服务中创建一个过滤器 ApiAuthenticatorFilter。

@Component
@Slf4j
public class ApiAuthenticatorFilter implements GlobalFilter, Ordered {
    ...
    @Override
    public Mono<Void> filter(ServerWebExchange exchange, GatewayFilterChain chain) {
       
        // 获取认证逻辑
        ApiAuthenticator apiAuthenticator = getApiAuthenticator(rawPath);
        AuthenticatorResult authenticatorResult = apiAuthenticator.auth(exchange);
      
        if (!authenticatorResult.isResult()) {
            return Mono.error(new HttpServerErrorException(
                    HttpStatus.METHOD_NOT_ALLOWED, authenticatorResult.getMessage()));
        }
        
        return chain.filter(exchange);
        
    }
    
   
 		/**
     * 确定认证策略
     * @param rawPath 请求路径
     */
    private ApiAuthenticator getApiAuthenticator(String rawPath) {
        String[] parts = rawPath.split("/");
        if (parts.length >= 4) {
            String parameter = parts[3];
              return switch (parameter) {
                case PROTECT_PATH ->   new ProtectedApiAuthenticator();
                case PRIVATE_PATH ->   new PrivateApiAuthenticator();
                case PUBLIC_PATH ->    new PublicApiAuthenticator();
                case DEFAULT_PATH ->   new DefaultApiAuthenticator();
                default -> throw new IllegalStateException("Unexpected value: " + parameter);
              };
        }
        return new DefaultApiAuthenticator();
    }
    
}

上面提到过，不同类型的服务其接口认证不一样，为了便于区分，可以规定对于外部请求都增加一个特定的请求前缀 /pt/，如 apigw.xxx.com/order-service/api/pt/creadeOrder。这样在过滤器内部就需要通过 getApiAuthenticator() 方法确定认证逻辑。

3.3 接口安全认证

正如上文所说，服务端获取到请求参数以后需要检查请求时间是否过期，nonce是否已经被使用，签名是否正确。

按照这个逻辑我们很容易在ProtectedApiAuthenticator认证器中写出这样的代码。

@Slf4j
public class ProtectedApiAuthenticator implements ApiAuthenticator {

    @Override
    public AuthenticatorResult auth(ServerWebExchange exchange)  {
        
        // 1. 校验参数
        boolean checked = preAuthenticationCheck(requestHeader);
        if (!checked) {
            return new AuthenticatorResult(false, "请携带正确参数访问");
        }

        // 2 . 重放校验
        // 判断timestamp时间戳与当前时间是否操过60s（过期时间根据业务情况设置）,如果超过了就提示签名过期。
        long now = System.currentTimeMillis() ;      
         if (now - Long.parseLong(requestHeader.getTimestamp()) > 60000) {
            return new AuthenticatorResult(false, "请求超时，请重新访问");
         }

        // 3. 判断nonce
        boolean nonceExists = distributedCache.hasKey(NONCE_KEY + requestHeader.getNonce());
        if (nonceExists) {
            return new AuthenticatorResult(false, "请勿重复提交请求");
        } else {
            distributedCache.put(NONCE_KEY + requestHeader.getNonce(), requestHeader.getNonce(), 60000);
        }
      
        // 4. 签名校验
       SortedMap<String, Object> requestBody = CachedRequestUtil.resolveFromBody(exchange);
       String sign = buildSign(requestHeader,requestBody);
      if(!sign.equals(requestHeader.getSign())){
        return new AuthenticatorResult(false, "签名错误");
      }
      
      return new AuthenticatorResult(true, "");
}

这样的写法虽然能够完成校验逻辑，但稍显不够优雅。在这种场景中，使用设计模式中的责任链模式是非常合适的选择。通过责任链模式，将校验逻辑分解为多个责任链节点，每个节点专注于一个方面的校验，使得代码更加清晰和易于维护。

责任链模式已经在我星球设计模式专栏中有详细介绍与说明，感兴趣的可以翻翻~

@Slf4j
public class ProtectedApiAuthenticator implements ApiAuthenticator {

    @Override
    public AuthenticatorResult auth(ServerWebExchange exchange)  {
        ...
        //构建校验对象
        ProtectedRequest protectedRequest = ProtectedRequest.builder()
                .requestHeader(requestHeader)
                .requestBody(requestBody)
                .build();

				//责任链上下文
        SecurityVerificationChain securityVerificationChain = SpringBeanUtils.getInstance().getBean(SecurityVerificationChain.class);

        return securityVerificationChain.handler(protectedRequest);

    }

}

3.4 基于责任链的认证实现

3.4.1 创建责任链的认证接口

public interface SecurityVerificationHandler extends Ordered {
    /**
     * 请求校验
     */
    AuthenticatorResult handler(ProtectedRequest protectedRequest);
}

3.4.2 实现参数校验逻辑

@Component
public class RequestParamVerificationHandler implements SecurityVerificationHandler {

    @Override
    public AuthenticatorResult handler(ProtectedRequest protectedRequest) {

        boolean checked = checkedHeader(protectedRequest.getRequestHeader());

        if(!checked){
            return new AuthenticatorResult(false,"请携带正确的请求参数");
        }
        return new AuthenticatorResult(true,"");
    }

    private boolean checkedHeader(RequestHeader requestHeader) {
        return Objects.nonNull(requestHeader.getAppId()) &&
                Objects.nonNull(requestHeader.getSign()) &&
                Objects.nonNull(requestHeader.getNonce()) &&
                Objects.nonNull(requestHeader.getTimestamp());
    }

    @Override
    public int getOrder() {
        return 1;
    }
}

3.4.3 实现nonce的校验

@Component
public class NonceVerificationHandler implements SecurityVerificationHandler {
    private static final String NONCE_KEY = "x-nonce-";

    @Value("${dailymart.sign.timeout:60000}")
    private long expireTime ;
  
    @Resource
    private DistributedCache distributedCache;

    @Override
    public AuthenticatorResult handler(ProtectedRequest protectedRequest) {
        String nonce = protectedRequest.getRequestHeader().getNonce();
        boolean nonceExists = distributedCache.hasKey(NONCE_KEY + nonce);

        if (nonceExists) {
            return new AuthenticatorResult(false, "请勿重复提交请求");
        } else {
            distributedCache.put(NONCE_KEY + nonce, nonce, expireTime);
            return new AuthenticatorResult(true, "");
        }
    }

    @Override
    public int getOrder() {
        return 3;
    }
}

3.4.4 实现签名认证

@Component
@Slf4j
public class SignatureVerificationHandler implements SecurityVerificationHandler {
    @Override
    public AuthenticatorResult handler(ProtectedRequest protectedRequest) {

        //1. 服务端按照规则重新签名
        String serverSign = sign(protectedRequest);
        log.info("服务端签名结果: {}", serverSign);

        String clientSign = protectedRequest.getRequestHeader().getSign();
        // 2、获取客户端传递的签名
        log.info("客户端签名: {}", clientSign);

        if (!Objects.equals(serverSign,clientSign)) {
            return new AuthenticatorResult(false, "请求签名无效");
        }
        return new AuthenticatorResult(true, "");
    }

    /**
     * 服务端重建签名
     * @param protectedRequest 请求体
     * @return 签名结果
     */
    private String sign(ProtectedRequest protectedRequest) {
        RequestHeader requestHeader = protectedRequest.getRequestHeader();
        String appId = requestHeader.getAppId();

        String appSecret = getAppSecret(appId);
        // 1、 按照规则对数据进行签名
        SortedMap<String, Object> requestBody = protectedRequest.getRequestBody();
        requestBody.put("app_id",appId);
        requestBody.put("nonce_number",requestHeader.getNonce());
        requestBody.put("request_time",requestHeader.getTimestamp());

        StringBuilder signBuilder = new StringBuilder();
        for (Map.Entry<String, Object> entry : requestBody.entrySet()) {
            signBuilder.append(entry.getKey()).append("=").append(entry.getValue()).append("&");
        }
        signBuilder.append("appSecret=").append(appSecret);

        return DigestUtils.md5DigestAsHex(signBuilder.toString().getBytes()).toUpperCase();
    }


    @Override
    public int getOrder() {
        return 4;
    }

}

3.4.5 责任链上下文

@Component
@Slf4j
public class SecurityVerificationChain {
    @Resource
    private List<SecurityVerificationHandler> securityVerificationHandlers;

    public AuthenticatorResult handler(ProtectedRequest protectedRequest){
        AuthenticatorResult authenticatorResult = new AuthenticatorResult(true,"");
        for (SecurityVerificationHandler securityVerificationHandler : securityVerificationHandlers) {
            AuthenticatorResult result = securityVerificationHandler.handler(protectedRequest);
            // 有一个校验不通过理解返回
            if(!result.isResult()){
                return result;
            }
        }
        return authenticatorResult;

    }

}

组合所有的校验逻辑，任意一个校验逻辑不通过则直接返回。

小结

在本文中，我们深入研究了微服务架构中对外开放接口的安全性保障机制。我们着重关注了那些暴露在外网的API接口面临的两个关键安全问题：篡改和重放。为了应对篡改问题，我们引入了双重手段：采用HTTPS进行加密传输，并结合接口参数签名验证，以确保数据传输的完整性和安全性。对于重放问题，我们采纳了基于nonce和timestamp的方案，以保证请求的唯一性和有效性。

在具体的代码实现中，我们不仅考虑了文章中提到的安全认证逻辑，还充分考虑了其他可能的校验规则。为了更好地组织和管理这些校验规则，我们将它们拆分成独立的模块，根据请求路径动态选择相应的接口校验器。在第三方接口校验逻辑中，我们通过责任链的设计模式实现了具体的校验规则，使得代码逻辑更为模块化和可扩展。这样的结构不仅使得每个校验步骤聚焦于特定的安全性验证，而且提供了良好的可维护性和可扩展性。

最后给大家一个小建议：对外提供的接口协议尽量简单，不要使用Restful接口风格，全部使用post+json或post+form风格的接口协议即可，这样对客户端和服务端都方便。

DailyMart是一个基于 DDD 和Spring Cloud Alibaba的微服务商城系统，同时还会在该系统中整合其他专栏的精华内容，譬如分库分表、设计模式、老鸟系列，开发实践等…希望能通过此专栏为开发者提供一个集成式的学习体验，并将其无缝地运用于实际项目中。如果你对这个系列感兴趣可以在本公众号回复关键词 DDD 以获取完整文档以及相关源码。