26、微服务架构：API、事件、流与安全基础解析-优快云博客

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微服务架构：API、事件、流与安全基础解析

1. CQRS 架构

CQRS（Command Query Responsibility Segregation）即命令查询职责分离，它将数据模型拆分为两个部分，并在专用数据库上进行操作，通过事件最终实现数据的一致性。在微服务环境中，查询模型和命令模型可分别作为不同的微服务。由于它们拥有专用数据库和明确的功能，因此符合大多数微服务数据管理技术。

优点	缺点
允许为命令和查询服务使用不同的持久层（数据库），例如查询模型使用读优化数据库，命令模型使用写优化数据库；可独立扩展和管理应用的读写组件	引入了跨多个数据存储/缓存同步相同数据的复杂性

对于大多数常见用例，CRUD（Create, Read, Update, Delete）模型更为适用。

2. 流与流处理

流：流是随时间提供的一系列事件或数据元素。在现代企业应用中，连续的流在许多用例中很常见，如金融交易系统、天气数据、交通信息等。
流处理 ：接收和发送数据流并执行业务逻辑的软件组件称为流处理器。与传统的事件驱动架构不同，流处理逻辑是针对多个事件编写的。在微服务中，部分输入可能来自流或需要发布到给定流的微服务，因此将流处理与服务集成是常见需求。

流处理有两种常见方式：
- 编程式流处理 ：通过编写代码按顺序处理源事件流中的事件。例如，一个参与者或代理接收事件、处理事件并生成新事件。一些流处理器解决方案，如 Apache Storm、Apache Flink 和 Kafka Streams，基于编程方式进行流处理。

graph LR
    A[事件源] --> B[流处理器]
    B --> C[参与者/代理]
    C --> D[新事件]

流式 SQL ：使用类似 SQL 的语法处理流，无需编写代码构建流处理用例。大多数基本功能可抽象到流式 SQL 引擎中，实现对流数据的声明式操作。像 Apache Flink、Kafka（KSQL）等流处理解决方案都提供了流式 SQL 支持。

3. 基于 API、事件和流的微服务架构

实用的微服务架构通常基于 API、事件和流构建。API 服务用于向消费者暴露业务功能，并由 API 管理组件进行集中管理。API 服务部署在微网关节点上，每个服务有独立的运行时，但受中央 API 管理层控制。

微服务通过主动/编排和被动（编排）模式进行集成，事件总线作为消息传递的骨干。微服务可从外部事件源接收事件，每个消费服务都有处理这些事件的业务逻辑。流处理逻辑也是消费源流的服务的一部分，可以使用流式 SQL 运行时或编程方式处理事件流。

graph LR
    A[外部系统] --> B[API 服务]
    B --> C[微服务]
    D[事件源] --> E[事件总线]
    E --> C
    F[流源] --> G[流处理服务]
    G --> C

4. 微服务安全基础

微服务架构增加了攻击面，因为多个微服务远程通信，有数百个入口点需要关注。保障微服务安全有多个方面：
- 安全开发生命周期和测试自动化 ：确保在代码层面不引入安全漏洞，需要进行静态代码分析和动态测试，并将这些测试纳入持续交付（CD）过程，尽早发现漏洞并缩短反馈周期。
- DevOps 安全 ：常用的服务部署模式是每个主机一个服务，通常使用容器（如 Docker）。需要关注容器级别的安全，包括容器之间的隔离以及容器与主机操作系统之间的隔离。Kubernetes 作为容器编排平台，通过 Pod 引入了另一级别的隔离，需要确保容器和 Pod 之间的通信安全。在典型的 Kubernetes 容器化部署中，Pod 之间的通信通过服务网格代理进行，服务网格代理负责应用和执行微服务之间的安全策略。
- 应用级安全 ：包括如何对微服务的用户进行身份验证和访问控制，以及如何保障微服务之间的通信通道安全。

5. 单体应用与微服务的安全差异

对比项	单体应用	微服务
会话管理	应用服务器提供会话管理功能，服务间通过本地调用交互，可共享用户登录状态，由拦截器集中进行身份验证	服务部署在分布式环境的多个容器中，服务间通过远程调用（通常是 HTTP）交互，需要解决用户身份验证、登录上下文传递以及微服务之间的身份验证和授权问题

在 Java EE 环境中，单体应用可使用 servlet 过滤器拦截请求并进行身份验证，将登录上下文传递给下游组件进行授权。

6. 服务间通信安全

服务间通信可以是同步的（通过 HTTP）或异步的（通过事件驱动消息传递）。常见的安全通信方法有两种：
- JSON Web Token（JWT） ：JWT 是一种用于在相关方之间传输数据的容器，于 2015 年 5 月成为 IETF 标准（RFC 7519）。它可用于传播身份信息、权限信息，安全传输数据以及声明身份。
- JWT 组成 ：一个 JWT 由三部分组成，通过点（.）分隔。例如：

eyJhbGciOiJSUzI1NiIsImtpZCI6Ijc4YjRjZjIzNjU2ZGMzOTUzNjRmMWI2YzAyOTA3NjkxZj 
JjZGZmZTEifQ.eyJpc3MiOiJhY2NvdW50cy5nb29nbGUuY29tIiwic3ViIjoiMTEwNTAyMjUxMT 
U4OTIwMTQ3NzMyIiwiYXpwIjoiODI1MjQ5ODM1NjU5LXRlOHFnbDcwMWtnb25ub21ucDRzcXY3 
ZXJodTEyMTFzLmFwcHMuZ29vZ2xldXNlcmNvbnRlbnQuY29tIiwiZW1haWwiOiJwcmFiYXRoQH 
dzbzIuY29tIiwiYXRfaGFzaCI6InpmODZ2TnVsc0xCOGdGYXFSd2R6WWciLCJlbWFpbF92ZXJp 
ZmllZCI6dHJ1ZSwiYXVkIjoiODI1MjQ5ODM1NjU5LXRlOHFnbDcwMWtnb25ub21ucDRzcXY3ZX 
JodTEyMTFzLmFwcHMuZ29vZ2xldXNlcmNvbnRlbnQuY29tIiwiaGQiOiJ3c28yLmNvbSIsImlhd 
CI6MTQwMTkwODI3MSwiZXhwIjoxNDAxOTEyMTcxfQ.TVKv-pdyvk2gW8sGsCbsnkqsrS0T-H00xn 
Y6ETkIfgIxfotvFn5IwKm3xyBMpy0FFe0Rb5Ht8AEJV6PdWyxz8rMgX2HROWqSo_RfEfUpBb4iO 
sq4W28KftW5H0IA44VmNZ6zU4YTqPSt4TPhyFC9fP2D_Hg7JQozpQRUfbWTJI

将其按点分割并对每部分进行 base64url 解码后，第一部分是 JOSE 头，包含签名算法等信息；第二部分是 JWT 声明集，包含用户身份等数据；第三部分是签名。
- JWT 类型 ：JWT 可以是签名的（JWS，JSON Web Signature）或加密的（JWE，JSON Web Encryption），或者两者兼具。只有遵循紧凑序列化的 JWS 或 JWE 才能称为 JWT。
- TLS 相互认证 ：基于传输层安全（TLS）的相互认证方式，确保通信双方的身份真实性和通信数据的安全性。

综上所述，微服务架构在带来灵活性和可扩展性的同时，也带来了安全和管理上的挑战。通过合理运用 CQRS、流处理、API 管理以及安全策略，可以构建出高效、安全的微服务系统。

微服务架构：API、事件、流与安全基础解析（续）

7. JWT 详细解析

JWT 作为一种在微服务架构中广泛使用的身份验证和数据传输机制，其结构和原理值得深入探讨。

JOSE 头解析 ：JOSE 头通常包含两个重要字段 alg 和 kid 。 alg 表示签名算法，例如 RS256 代表使用 RSA 算法进行签名。 kid 则是密钥 ID，用于标识签名所使用的密钥。以下是一个 JOSE 头的示例：

{"alg":"RS256","kid":"78b4cf23656dc395364f1b6c02907691f2cdffe1"}

JWT 声明集解析 ：JWT 声明集包含了关于用户或实体的各种信息，常见的声明包括：
- iss ：发行人，即签发 JWT 的实体。
- sub ：主题，通常是用户的唯一标识符。
- aud ：受众，即 JWT 的预期接收者。
- exp ：过期时间，指定 JWT 的有效截止时间。

以下是一个 JWT 声明集的示例：

{
    "iss": "accounts.google.com",
    "sub": "110502251158920147732",
    "azp": "825249835659-te8qgl701kgonnomnp4sqv7erhu1211s.apps.googleusercontent.com",
    "email": "prabath@wso2.com",
    "at_hash": "zf86vNulsLB8gFarRwdzYg",
    "email_verified": true,
    "aud": "825249835659-te8qgl701kgonnomnp4sqv7erhu1211s.apps.googleusercontent.com",
    "hd": "wso2.com",
    "iat": 1401908271,
    "exp": 1401912171
}

签名解析 ：签名部分用于验证 JWT 的完整性和真实性。签名是通过对 JOSE 头和 JWT 声明集进行哈希运算，并使用私钥进行签名生成的。接收方可以使用相应的公钥对签名进行验证，确保 JWT 在传输过程中没有被篡改。

8. 微服务安全策略实施步骤

为了确保微服务架构的安全性，需要实施一系列的安全策略。以下是一个详细的实施步骤列表：

安全开发生命周期规划
- 制定静态代码分析和动态测试计划，确保代码层面的安全性。
- 将安全测试纳入持续交付（CD）流程，实现自动化测试。
- 建立漏洞反馈机制，及时修复发现的安全漏洞。
DevOps 安全配置
- 配置容器级别的安全策略，确保容器之间的隔离。
- 优化 Kubernetes 集群的安全设置，包括 Pod 之间的通信安全。
- 启用服务网格代理，对微服务之间的通信进行安全控制。
应用级安全策略
- 选择合适的身份验证和授权机制，如 JWT 或 TLS 相互认证。
- 对用户和服务进行身份验证，确保只有授权的用户和服务可以访问资源。
- 加密微服务之间的通信通道，防止数据泄露。

9. 微服务安全案例分析

以下是一个微服务安全案例，展示了如何应用上述安全策略来保护微服务系统。

某电商平台采用微服务架构，包括用户服务、商品服务、订单服务等多个微服务。为了确保系统的安全性，平台采取了以下措施：

安全措施	实施细节
JWT 身份验证	用户登录时，用户服务生成 JWT 并返回给客户端。客户端在后续请求中携带 JWT，其他微服务通过验证 JWT 来确认用户身份。
TLS 相互认证	微服务之间的通信使用 TLS 相互认证，确保通信双方的身份真实性和数据安全性。
安全开发生命周期	开发团队使用静态代码分析工具对代码进行检查，及时发现并修复安全漏洞。同时，将安全测试纳入 CI/CD 流程，确保每次代码变更都经过安全验证。
DevOps 安全	使用 Docker 容器化部署微服务，并通过 Kubernetes 进行容器编排。配置容器之间的网络隔离和访问控制，确保容器级别的安全。

通过以上安全措施的实施，该电商平台有效地保护了用户数据和业务系统的安全，避免了潜在的安全风险。

10. 未来趋势展望

随着微服务架构的不断发展，未来可能会出现以下趋势：

零信任架构的广泛应用 ：零信任架构基于“默认不信任，始终验证”的原则，对任何试图访问资源的用户或服务都进行严格的身份验证和授权。在微服务环境中，零信任架构可以进一步增强系统的安全性。
人工智能和机器学习在安全领域的应用 ：利用人工智能和机器学习技术，可以对微服务系统的安全日志和行为数据进行分析，及时发现潜在的安全威胁，并采取相应的措施进行防范。
区块链技术在微服务安全中的应用 ：区块链技术的去中心化和不可篡改特性可以为微服务的身份验证和数据共享提供更加安全可靠的解决方案。

总之，微服务架构的发展为企业带来了更多的机遇和挑战。通过深入理解和应用 CQRS、流处理、API 管理以及安全策略，企业可以构建出更加高效、安全的微服务系统，适应不断变化的市场需求。

graph LR
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