張 振，朱志祥，梁小江

(1.西安郵電大學通信技術研究所，陜西西安 710061;2.西安未來國際信息股份有限公司研發(fā)中心，陜西西安 710065)

傳統(tǒng)業(yè)務系統(tǒng)中用戶信息與業(yè)務數(shù)據(jù)存儲在同一數(shù)據(jù)源，若一個用戶同時需要訪問多個業(yè)務系統(tǒng)，就需要多次進行登錄認證，而多個業(yè)務系統(tǒng)的登錄認證信息可能會有差異，對于用戶來說，多次登錄認證和多套用戶名密碼是很不不方便而且繁瑣的，同時，對于管理人員來說多個業(yè)務系統(tǒng)之間使用不同的用戶數(shù)據(jù)源，易造成用戶數(shù)據(jù)不同步。

一種經(jīng)過優(yōu)化的用戶管理和認證系統(tǒng)，通過將用戶信息從業(yè)務系統(tǒng)分離并整合成統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)，做到單一的用戶數(shù)據(jù)源，解決了用戶信息同步的問題［1］;通過實現(xiàn)單點認證，用戶只需登錄一次，在同一瀏覽器環(huán)境下，進入其他業(yè)務系統(tǒng)均無需登錄，使得用戶訪問多個系統(tǒng)更加簡單快捷［2］。這種設計提高了管理效率，優(yōu)化了用戶體驗，但是當用戶訪問量很大時，單點認證系統(tǒng)的壓力就會很大。用戶數(shù)據(jù)屬于結構化的數(shù)據(jù)，一般都是持久化到關系型數(shù)據(jù)庫中，進行多表關聯(lián)，在大量用戶并發(fā)認證并授權時將會出現(xiàn)大量關聯(lián)查詢，數(shù)據(jù)庫承受的讀寫壓力過大［3］，這會嚴重影響整個系統(tǒng)的性能。

針對這些問題提出了一套解決方案，該方案使用單一數(shù)據(jù)源保證了用戶數(shù)據(jù)一致性，所有應用服務實現(xiàn)單點認證，并通過應用服務自身對用戶操作進行權限控制，通過分離業(yè)務數(shù)據(jù)與用戶數(shù)據(jù)，并對用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，在用戶管理和認證授權部分結合數(shù)據(jù)庫與內存數(shù)據(jù)庫各自的優(yōu)點實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)讀寫分離，提升系統(tǒng)的管理和訪問應答性能。

1 系統(tǒng)架構設計

為保證數(shù)據(jù)的一致性，系統(tǒng)采用單一數(shù)據(jù)源整合維護用戶數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)讀寫分離，應用服務只維護業(yè)務數(shù)據(jù)，多個應用服務之間實現(xiàn)單點認證，即一次登錄便可在任何應用間無登錄跳轉。該系統(tǒng)主要包括統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)、用戶數(shù)據(jù)信息、單點認證系統(tǒng)和應用服務4大部分，如圖1所示。其中，用戶數(shù)據(jù)信息部分是本方案的設計重點，將結構化用戶數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，由統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)進行維護數(shù)據(jù)關系，同時將用戶數(shù)據(jù)重組成JSON格式的數(shù)據(jù)，存入內存數(shù)據(jù)庫中，利用內存數(shù)據(jù)庫讀取快速的特點提高單點認證的負載能力和響應速度［4］。

圖1 系統(tǒng)整體架構

1.1 統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)

統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)，包括系統(tǒng)管理和應用服務管理兩部分。系統(tǒng)管理集中維護所有用戶的基本信息，并對系統(tǒng)本身的用戶角色和權限進行控制管理;應用服務管理并對所有應用服務進行注冊管理，并對各應用的用戶進行角色劃分實現(xiàn)應用的權限管理。角色是應用服務不同模塊權限的集合，決定了用戶對應用服務不同模塊的訪問控制權限［5］。系統(tǒng)設計如圖2所示。

圖2 統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)

1.2 用戶數(shù)據(jù)信息

用戶數(shù)據(jù)信息主要包括數(shù)據(jù)庫中用戶信息的持久化以及適配用戶信息到內存數(shù)據(jù)庫。由于用戶數(shù)據(jù)初始化后改動較少，數(shù)據(jù)寫的壓力并不大，所以統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)直接對數(shù)據(jù)庫進行操作。系統(tǒng)運行過程中伴隨著大量的用戶數(shù)據(jù)讀取，用戶認證需要獲取用戶的驗證信息，認證通過后還需將用戶的基本信息和用戶的權限通過認證系統(tǒng)下發(fā)給業(yè)務系統(tǒng)，整個過程中需要對數(shù)據(jù)庫進行多次關聯(lián)查詢，并發(fā)量大時給數(shù)據(jù)庫造成較大壓力，系統(tǒng)整體性能將會降低。認證授權過程中數(shù)據(jù)只有讀取，這樣就可將數(shù)據(jù)結構重組成業(yè)務系統(tǒng)容易獲取，且足夠輕量以便在網(wǎng)絡中傳輸，選擇內存數(shù)據(jù)庫來存儲重組后的用戶數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)開始時將所有用戶信息重組同步到內存數(shù)據(jù)中，之后針對個別用戶的修改可進行單個數(shù)據(jù)的同步，這樣在系統(tǒng)運行過程中，利用內存數(shù)據(jù)庫讀寫速度快的特點來提高認證授權速度。充分利用數(shù)據(jù)庫和內存數(shù)據(jù)庫的特點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀寫分離，并提高數(shù)據(jù)使用的靈活性。

數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)表中，主要數(shù)據(jù)的表為用戶、角色、權限，用戶與角色多對多關聯(lián)，角色與權限多對多關聯(lián)，這樣通過角色將用戶與權限信息綁定［6］，在內存數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)保存為鍵值對形式，將用戶名作為鍵值代表一個用戶，將用戶基本信息，角色信息包括權限信息進行數(shù)據(jù)重組，封裝成輕量級的JSON數(shù)據(jù)作為值保存在內存數(shù)據(jù)庫中，這樣只通過用戶名就可直接查詢到用戶的所有信息［7］，有效減少了數(shù)據(jù)查詢的壓力。由于內存數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存儲在內存中，數(shù)據(jù)讀取速度很快，系統(tǒng)在用戶認證時能夠快速讀取到數(shù)據(jù)進行響應，如圖3所示。

圖3 用戶數(shù)據(jù)信息適配過程

將用戶數(shù)據(jù)重組并存入內存數(shù)據(jù)庫，通過降低數(shù)據(jù)查詢次數(shù)來提高數(shù)據(jù)查詢速度，同時利用內存讀取快的特點提高數(shù)據(jù)讀取速度，又因為用戶數(shù)據(jù)重組后更加輕量靈活，也給系統(tǒng)的網(wǎng)絡傳輸和數(shù)據(jù)處理提供了便利。

1.3 單點認證系統(tǒng)

所有應用服務的認證過程統(tǒng)一由單點認證系統(tǒng)承擔，用戶只需認證一次，就可實現(xiàn)所有應用服務之間無登錄自由跳轉［8］。單點認證系統(tǒng)從內存數(shù)據(jù)庫中讀取用戶信息并分發(fā)給用戶正在訪問的應用服務，應用服務獲取到單點認證系統(tǒng)反饋的用戶信息，就可通過用戶權限實現(xiàn)對用戶的訪問控制，因網(wǎng)絡傳輸過程中涉及關鍵信息，故采用Https方式進行數(shù)據(jù)傳輸［9］。單點認證授權過程如圖4所示。

圖4 單點認證授權過程

1.4 應用服務

應用服務是本系統(tǒng)的最終業(yè)務實體，它只維護自身系統(tǒng)的業(yè)務數(shù)據(jù)，并不持有或維護用戶數(shù)據(jù)，用戶只有在單點認證通過后，用戶當前訪問的應用服務才會獲得用戶數(shù)據(jù)，并通過獲取到的用戶數(shù)據(jù)對用戶進行權限控制，不同角色的用戶因為獲得的權限不同，所以在同一個應用服務上可進行的操作是不同的［10］。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試結果

2.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

(1)統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)?；赟SH(Struts2，Spring，Hibernate)組合框架編程實現(xiàn)。

(2)用戶數(shù)據(jù)信息。采用MySQL+REDIS實現(xiàn)，數(shù)據(jù)修改只操作MySQL數(shù)據(jù)庫，REDIS只作為單點認證系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，只進行從MySQL數(shù)據(jù)庫的同步工作。

(3)單點認證系統(tǒng)。采用開源中央認證服務(Central Authentication Service，CAS)實現(xiàn)，修改源碼用戶數(shù)據(jù)認證以及屬性返回模塊，使支持讀取內存數(shù)據(jù)庫并返回信息。

(4)應用服務權限控制。采用開源Apache shiro集成CAS實現(xiàn)，應用服務認證成功后解析CAS分發(fā)的用戶角色和權限信息，實現(xiàn)對用戶的權限控制。

2.2 測試過程

本方案測試重點為用戶數(shù)據(jù)信息部分，同時測試單點認證系統(tǒng)和應用服務信息的權限控制功能能否正常工作。數(shù)據(jù)讀取測試步驟如下:

步驟1 使用MySQL數(shù)據(jù)庫作為統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，同時作為單點認證系統(tǒng)的認證數(shù)據(jù)源，從數(shù)據(jù)庫讀取100 000條用戶數(shù)據(jù)用時357 s。

步驟2 使用MySQL數(shù)據(jù)庫作為統(tǒng)一用戶管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，使用REDIS內存數(shù)據(jù)庫作為單點認證系統(tǒng)的認證數(shù)據(jù)源，從數(shù)據(jù)庫讀取100 000條用戶數(shù)據(jù)用時123 s。

單點認證和授權測試使用了兩套不同的內容管理系統(tǒng)，均需登錄認證后才能進行操作。認證和授權測試步驟如下:

步驟1 使用管理員用戶登錄內容管理系統(tǒng)1，登錄后再頁面顯示用戶角色信息。登錄頁面如圖5，登錄成功頁面如圖6所示。

圖5 單點認證系統(tǒng)界面

圖6 內容管理系統(tǒng)管理員頁面

步驟2 通過內容管理系統(tǒng)1上的鏈接進入內容管理系統(tǒng)2，進入頁面如圖7所示。

圖7 內容管理系統(tǒng)2管理員頁面

步驟3 退出登錄，使用普通用戶登錄任意一個內容管理系統(tǒng)，登錄成功頁面如圖8所示。

圖8 內容管理系統(tǒng)1普通用戶界面

2.3 測試結論

(1)使用內存數(shù)據(jù)庫進行優(yōu)化后，查詢數(shù)據(jù)速度提升了約3倍。

(2)多個應用之間可實現(xiàn)單點認證，能通過返回的JSON數(shù)據(jù)解析到權限信息，并在系統(tǒng)中正確體現(xiàn)。

3 結束語

用戶數(shù)據(jù)實現(xiàn)了統(tǒng)一管理，利用數(shù)據(jù)庫和內存數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點將數(shù)據(jù)適配存儲，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)的讀寫分離，既能保證用戶數(shù)據(jù)的關系映射，又能快速響應各應用服務對用戶數(shù)據(jù)的請求。由于應用服務本身不持有和維護用戶信息，實現(xiàn)單點認證同時獲取到授權信息，提高了整個系統(tǒng)的易用性和安全性，使得整個系統(tǒng)性能得到大幅提升。

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