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本文译自：https://www.solo.io/blog/jwts-authenticate-services-api-gateways/

摘要：这篇博客探讨了在云原生架构中使用 JSON Web Tokens（JWTs）进行服务间通信的复杂性。它详细讨论了通过 API 网关和服务网格实现安全认证的两种方法，强调了使用 JWTs 的挑战，包括安全性、密钥管理和性能问题。

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云原生架构中的 API 网关组件至关重要，因为它将关键的 API 安全性和策略功能卸载到一个公共位置，使后端 API 和服务能够专注于业务逻辑。API 身份验证、授权、审计、限流等任务可能会非常复杂且难以正确实现，因此许多组织选择使用 API 网关来处理它们。

那么对于服务与服务（S2S）或内部东/西流量呢？强制 S2S 流量“回头”通过 API 网关会引入额外的跳跃、更多的延迟、增加的流量以及效率降低。

通过 API 网关的 S2S 流量“回头”示意图

但是，如果您跳过 API 网关直接调用服务，如何确保流量的安全性？接收服务如何进行身份验证并知道是谁在调用它？

显示 Service B 需要对 Service A 进行身份验证的示意图

保障 S2S 通信的两种常见方式是：

1. 使用传输层安全性（TLS）和客户端证书（双向 TLS 或 mTLS）。
2. 使用签名的 JSON Web Tokens（JWT）。

服务网格通过使用第一种方法自动化了许多最佳实践并减轻了与之相关的问题。

开发人员可以选择使用 JWT 进行 S2S 身份验证，但这会“削弱”API 网关的预期功能。也就是说，您曾期望 API 网关处理的所有安全性复杂性和脆弱性必须在每个 S2S 通信的微服务中重新创建和复制。这是一个重大问题，因为使用 JWT 进行 S2S 身份验证会引入复杂性和对细节的严格要求。（有关此主题和下面的场景的更多信息，请观看 Hoot 第 59 集：“JWT 与 Service-to-Service 身份验证的比较”。所有演示都可以在我们的GitHub 仓库中找到。）

虽然有一些出色的处理 JWT 的框架和库，而 JWT 确实有其用武之地，但将 JWT 用于 S2S 流量的身份验证是复杂且繁重的，并且需要开发人员非常准确地完成工作。这种复杂性（或缺乏意识）可能会降低总体安全性，如果开发人员采取捷径或忽视关键属性，可能会降低总体安全性。开发人员还需要以特定于语言和框架的方式执行此操作（例如，使用 Java 解决此问题与使用 Go 或 Node.js 不同）。在所有代码库中维护、打补丁和审核每个实现都需要付出成本。

如何使用 JWT 进行 S2S 通信身份验证

有两种方法可以创建 JWT 以进行 S2S 通信身份验证：使用身份提供者（IdP）（也称为安全令牌服务或 STS）或允许各个服务自行签署 JWT。（如果您对 JWT 概念不熟悉或需要复习，请查看 Auth0 提供的JWT 概述。）

选项 1：使用 STS 发放令牌

第一种方法涉及使用安全令牌服务（STS），这是一个可信任的身份或令牌提供者，例如Keycloak、Okta或Auth0，用于发放代表特定服务的令牌。

在此方法中，服务使用长期凭据（例如用户名和密码或 OAuth2.0 客户端凭据）与 STS 交换 JWT，表明“我是 Service A”。

注意：长期凭据应安全存储并有限使用。例如，您可以在启动时使用它一次来引导身份，并且以后不再使用。此外，这些凭据应仅存储在内存中。

STS 使用其私钥签署 JWT，可以使用其公钥验证 JWT。然后，Service A 将 JWT 附加到发送给 Service B 的请求中。从这里，Service B 可以通过使用 STS 的公钥验证 JWT 的签名来验证 JWT 是由 STS 签发的。

显示服务如何相互验证的示意图

为了使此工作正常运行：

1. 流量必须加密。
2. 服务 B 必须检查 JWT 的aud声明、过期时间、颁发时间以及不早于时间。
3. 当 STS 签发的 JWT 签名密钥轮换时，服务 B 必须准备好更新 STS 的公钥。

加密流量至关重要，因为在这种情况下使用 JWT 时，它们代表了一个“承载令牌”，因此拥有令牌的任何人都可以冒充 Service A。在 Service A 和 Service B 之间加密流量（例如使用单向服务器 TLS）有助于减轻这个问题。

Service B 还必须检查 JWT 的过期时间（exp）、颁发时间（iat）、不早于时间（nbf）以及特别是aud声明，以验证令牌是否有效（未过期，位于其时间窗口内并用于 Service B 的使用）。JWT 使用这个约定来防范重放攻击，其中攻击者冒充 Service B，从 Service A 获取令牌，然后冒充 Service A 来调用 Service C。有效的 Service C 会检查aud声明，看到代表 Service A 的 JWT 是为 Service B 而设计的，然后拒绝它。

每次调用服务 A 都必须使用不同的 JWT，因为aud声明会不同。尝试使用没有aud声明的 JWT 或使用通配符aud声明会增加 JWT 被破坏的风险。避免这样做。

最后，常常被忽略的是轮换 STS 的公钥。在计划的密钥轮换或计划的撤销 STS 用于签署 JWT 的密钥时，Service B（或任何依赖 STS 进行验证的服务）必须能够处理更新的签名公钥。

选项 2：让服务自行签署其令牌

第二种方法使用服务特定的密钥来签署 JWT。可以使用对称密钥或非对称密钥。

使用特定于服务的密钥进行 S2S 身份验证的示意图

在这种情况下，Service A 使用自己的密钥来签署发送给 Service B（或任何其他服务）的 JWT。Service B 将需要 Service A 的公钥（或对称密钥，由于密钥交换和冒充问题更加危险）来验证 Service A 发送的 JWT。实际上，Service B 将需要每个调用它的服务的公钥，这些服务使用 JWT 作为身份验证主体。

与 STS 签发的 JWT 示例一样，服务之间的流量必须加密，Service B 还必须检查aud声明，并且您需要一种签署公钥轮换的方法。您还必须为每个调用的服务使用不同的 JWT。

服务 B 检查 aud 声明

开发人员必须采取措施并跟踪许多内容，以确保一切正确。证书还必须至少分发给一半的服务（接收端的服务）以提供至少单向 TLS。此外，整个过程的关键是密钥管理、轮换和安全保管密钥。

JWT 可能出现问题的地方

我们已经介绍了 JWT 可用于表示服务身份的一些方式，并提出了关注的领域。在服务架构中，有几个需要密切关注的领域，以避免安全漏洞。如果这些不是牢不可破的，您将为攻击者提供机会来破坏您的系统。

在使用客户端证书/mTLS（例如服务网格）和JWT进行身份验证之间最重要的区别之一是：JWT通过网络发送敏感的承载令牌材料，而mTLS不会。使用mTLS时，只会发送公钥，而不会发送私钥，会协商会话密钥。如果JWT泄露，JWT是私密材料，可以被重放。对于证书，只有公共证书被共享。

为防止重播承载令牌，您必须通过设置短暂的到期时间，理想情况下只有几分钟，来限制其暴露。这会增加服务刷新其 JWT 以进行请求的责任。设置数小时、数天或数月的到期时间发生得太频繁。这是一个严重的安全隐患。

另一个重大的安全漏洞是，在使用 STS 获取 JWT 材料时，您会多次通过网络发送长期凭据（例如客户端凭证流程）。这些长期凭据非常敏感，应谨慎使用（例如，在启动时使用），而不应连续使用。

此外，使用通配符aud声明或完全省略aud声明也是一个重大问题。未能在服务之间一致使用这些约定以进行身份验证会导致严重问题。确保为每个调用的服务创建具有正确aud声明的 JWT。

最后，密钥轮换与短暂到期时间和 aud 声明检查同样重要。在发生违规事件时，使密钥无效是最后的努力，应尽快且高效地处理。

JWT 的复杂性是服务网格简化事物的地方

服务网格简化了服务之间的身份验证，并允许开发人员专注于业务逻辑，而不是正确地处理 JWT 和秘密材料（希望如此）。就像 API 网关应用于处理北/南和入口流量的安全性一样，服务网格应用于处理东/西和 S2S 流量的安全性。保持服务和 API 专注于它们可以提供的不同 iating 业务价值，而不是模板（但极其重要的）的安全性代码。