淺議ASP.NET Cookie的生成原理
前言
可能有人知道 Cookie的生成由 machineKey有關(guān)， machineKey用于決定 Cookie生成的算法和密鑰，并如果使用多臺服務(wù)器做負(fù)載均衡時(shí)，必須指定一致的 machineKey用于解密，那么這個(gè)過程到底是怎樣的呢？
如果需要在 .NETCore中使用 ASP.NETCookie，本文將提到的內(nèi)容也將是一些必經(jīng)之路。
抽絲剝繭，一步一步分析
首先用戶通過 AccountController->Login進(jìn)行登錄：
//
// POST: /Account/Login
public async Task Login(LoginViewModel model, string returnUrl)
{
if (!ModelState.IsValid)
{
return View(model);
}
var result=await SignInManager.PasswordSignInAsync(model, model.Password, model.RememberMe, shouldLockout: false);
switch (result)
{
case SignInStatus.Success:
return RedirectToLocal(returnUrl);
// ......省略其它代碼
}
}
它調(diào)用了 SignInManager的 PasswordSignInAsync方法，該方法代碼如下（有刪減）：
public virtual async Task PasswordSignInAsync(string userName, string password, bool isPersistent, bool shouldLockout)
{
// ...省略其它代碼
if (await UserManager.CheckPasswordAsync(user, password).WithCurrentCulture())
{
if (!await IsTwoFactorEnabled(user))
{
await UserManager.ResetAccessFailedCountAsync(user.Id).WithCurrentCulture();
}
return await SignInOrTwoFactor(user, isPersistent).WithCurrentCulture();
}
// ...省略其它代碼
return SignInStatus.Failure;
}
想瀏覽原始代碼，可參見官方的 Github鏈接：
github/aspnet/AspNetIdentity/blob/master/src/Microsoft.AspNet.Identity.Owin/SignInManager.cs#L235-L276
可見它先需要驗(yàn)證密碼，密碼驗(yàn)證正確后，它調(diào)用了 SignInOrTwoFactor方法，該方法代碼如下：
private async Task SignInOrTwoFactor(TUser user, bool isPersistent)
{
var id=Convert.ToString(user.Id);
if (await IsTwoFactorEnabled(user) && !await AuthenticationManager.TwoFactorBrowserRememberedAsync(id).WithCurrentCulture())
{
var identity=new ClaimsIdentity(DefaultAuthenticationTypes.TwoFactorCookie);
identity.AddClaim(new Claim(ClaimTypes.NameIdentifier, id));
AuthenticationManager.SignIn(identity);
return SignInStatus.RequiresVerification;
}
await SignInAsync(user, isPersistent, false).WithCurrentCulture();
return SignInStatus.Success;
}
該代碼只是判斷了是否需要做雙重驗(yàn)證，在需要雙重驗(yàn)證的情況下，它調(diào)用了 AuthenticationManager的 SignIn方法；否則調(diào)用 SignInAsync方法。 SignInAsync的源代碼如下：
public virtual async Task SignInAsync(TUser user, bool isPersistent, bool rememberBrowser)
{
var userIdentity=await CreateUserIdentityAsync(user).WithCurrentCulture();
// Clear any partial cookies from external or two factor partial sign ins
AuthenticationManager.SignOut(DefaultAuthenticationTypes.ExternalCookie, DefaultAuthenticationTypes.TwoFactorCookie);
if (rememberBrowser)
{
var rememberBrowserIdentity=AuthenticationManager.CreateTwoFactorRememberBrowserIdentity(ConvertIdToString(user.Id));
AuthenticationManager.SignIn(new AuthenticationProperties { IsPersistent=isPersistent }, userIdentity, rememberBrowserIdentity);
}
else
{
AuthenticationManager.SignIn(new AuthenticationProperties { IsPersistent=isPersistent }, userIdentity);
}
}
可見，最終所有的代碼都是調(diào)用了
AuthenticationManager.SignIn方法，所以該方法是創(chuàng)建 Cookie的關(guān)鍵。
AuthenticationManager的實(shí)現(xiàn)定義在 Microsoft.Owin中，因此無法在 ASP.NETIdentity中找到其源代碼，因此我們打開 Microsoft.Owin的源代碼繼續(xù)跟蹤（有刪減）：
public void SignIn(AuthenticationProperties properties, params ClaimsIdentity[] identities)
{
AuthenticationResponseRevoke priorRevoke=AuthenticationResponseRevoke;
if (priorRevoke !=null)
{
// ...省略不相關(guān)代碼
AuthenticationResponseRevoke=new AuthenticationResponseRevoke(filteredSignOuts);
}
AuthenticationResponseGrant priorGrant=AuthenticationResponseGrant;
if (priorGrant==null)
{
AuthenticationResponseGrant=new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(identities), properties);
}
else
{
// ...省略不相關(guān)代碼
AuthenticationResponseGrant=new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(mergedIdentities), priorGrantperties);
}
}
AuthenticationManager的 Github鏈接如下：
github/aspnet/AspNetKatana/blob/c33569969e79afd9fb4ec2d6bdff877e376821b2/src/Microsoft.Owin/Security/AuthenticationManager.cs
可見它用到了
AuthenticationResponseGrant，繼續(xù)跟蹤可以看到它實(shí)際是一個(gè)屬性：
public AuthenticationResponseGrant AuthenticationResponseGrant
{
// 省略get
set
{
if (value==null)
{
SignInEntry=null;
}
else
{
SignInEntry=Tuple.Create((IPrincipal)value.Principal, valueperties.Dictionary);
}
}
}
發(fā)現(xiàn)它其實(shí)是設(shè)置了 SignInEntry，繼續(xù)追蹤：
public Tuple> SignInEntry
{
get { return _context.Get>>(OwinConstants.Security.SignIn); }
set { _context.Set(OwinConstants.Security.SignIn, value); }
}
其中， _context的類型為 IOwinContext，
OwinConstants.Security.SignIn的常量值為 "security.SignIn"。
跟蹤完畢……
啥？跟蹤這么久，居然跟丟啦??？
當(dāng)然沒有！但接下來就需要一定的技巧了。
原來， ASP.NET是一種中間件（ Middleware）模型，在這個(gè)例子中，它會先處理 MVC中間件，該中間件處理流程到設(shè)置
AuthenticationResponseGrant/ SignInEntry為止。但接下來會繼續(xù)執(zhí)行 CookieAuthentication中間件，該中間件的核心代碼在 aspnet/AspNetKatana倉庫中可以看到，關(guān)鍵類是
CookieAuthenticationHandler，核心代碼如下：
protected override async Task ApplyResponseGrantAsync()
{
AuthenticationResponseGrant signin=Helper.LookupSignIn(Options.AuthenticationType);
// ... 省略部分代碼
if (shouldSignin)
{
var signInContext=new CookieResponseSignInContext(
Context,
Options,
Options.AuthenticationType,
signin.Identity,
signinperties,
cookieOptions);
// ... 省略部分代碼
model=new AuthenticationTicket(signInContext.Identity, signInContextperties);
// ... 省略部分代碼
string cookieValue=Options.TicketDataFormattect(model);
Options.CookieManager.AppendResponseCookie(
Context,
Options.CookieName,
cookieValue,
signInContext.CookieOptions);
}
// ... 又省略部分代碼
}
這個(gè)原始函數(shù)有超過 200行代碼，這里我省略了較多，但保留了關(guān)鍵、核心部分，想查閱原始代碼可以移步 Github鏈接：
github/aspnet/AspNetKatana/blob/0fc4611e8b04b73f4e6bd68263e3f90e1adfa447/src/Microsoft.Owin.Security.Cookies/CookieAuthenticationHandler.cs#L130-L313
這里挑幾點(diǎn)最重要的講。
與 MVC建立關(guān)系
建立關(guān)系的核心代碼就是第一行，它從上文中提到的統(tǒng)招證書位置取回了
AuthenticationResponseGrant，該 Grant保存了 Claims、 AuthenticationTicket等 Cookie重要組成部分：
AuthenticationResponseGrant signin=Helper.LookupSignIn(Options.AuthenticationType);
繼續(xù)查閱 LookupSignIn源代碼，可看到，它就是從上文中的 AuthenticationManager中取回了
AuthenticationResponseGrant（有刪減）：
public AuthenticationResponseGrant LookupSignIn(string authenticationType)
{
// ...
AuthenticationResponseGrant grant=_context.Authentication.AuthenticationResponseGrant;
// ...
foreach (var claimsIdentity in grant.Principal.Identities)
{
if (string.Equals(authenticationType, claimsIdentity.AuthenticationType, StringComparison.Ordinal))
{
return new AuthenticationResponseGrant(claimsIdentity, grantperties new AuthenticationProperties());
}
}
return null;
}
如此一來，柳暗花明又一村，所有的線索就立即又明朗了。
Cookie的生成
從 AuthenticationTicket變成 Cookie字節(jié)串，最關(guān)鍵的一步在這里：
string cookieValue=Options.TicketDataFormattect(model);
在接下來的代碼中，只提到使用 CookieManager將該 Cookie字節(jié)串添加到 Http響應(yīng)中，翻閱 CookieManager可以看到如下代碼：
public void AppendResponseCookie(IOwinContext context, string key, string value, CookieOptions options)
{
if (context==null)
{
throw new ArgumentNullException("context");
}
if (options==null)
{
throw new ArgumentNullException("options");
}
IHeaderDictionary responseHeaders=context.Response.Headers;
// 省去“1萬”行計(jì)算chunk和處理細(xì)節(jié)的流程
responseHeaders.AppendValues(Constants.Headers.SetCookie, chunks);
}
有興趣的朋友可以訪問 Github看原始版本的代碼：
github/aspnet/AspNetKatana/blob/0fc4611e8b04b73f4e6bd68263e3f90e1adfa447/src/Microsoft.Owin/Infrastructure/ChunkingCookieManager.cs#L125-L215
可見這個(gè)實(shí)現(xiàn)比較……簡單，就是往 Response.Headers中加了個(gè)頭，重點(diǎn)只要看 TicketDataFormattect方法即可。
逐漸明朗
該方法源代碼如下：
public string Protect(TData data)
{
byte[] userData=_serializer.Serialize(data);
byte[] protectedData=_protectortect(userData);
string protectedText=_encoder.Encode(protectedData);
return protectedText;
}
可見它依賴于 _serializer、 _protector、 _encoder三個(gè)類，其中， _serializer的關(guān)鍵代碼如下：
public virtual byte[] Serialize(AuthenticationTicket model)
{
using (var memory=new MemoryStream())
{
using (var compression=new GZipStream(memory, CompressionLevel.Optimal))
{
using (var writer=new BinaryWriter(compression))
{
Write(writer, model);
}
}
return memory.ToArray();
}
}
其本質(zhì)是進(jìn)行了一次二進(jìn)制序列化，并緊接著進(jìn)行了 gzip壓縮，確保 Cookie大小不要失去控制（因?yàn)?.NET的二進(jìn)制序列化結(jié)果較大，并且微軟喜歡搞 xml，更大）。
然后來看一下 _encoder源代碼：
public string Encode(byte[] data)
{
if (data==null)
{
throw new ArgumentNullException("data");
}
return Convert.ToBase64String(data).TrimEnd('=').Replace('+', '-').Replace('/', '_');
}
可見就是進(jìn)行了一次簡單的 base64-url編碼，注意該編碼把 =號刪掉了，所以在 base64-url解碼時(shí)，需要補(bǔ) =號。
這兩個(gè)都比較簡單，稍復(fù)雜的是 _protector，它的類型是 IDataProtector。
IDataProtector
它在
CookieAuthenticationMiddleware中進(jìn)行了初始化，創(chuàng)建代碼和參數(shù)如下：
IDataProtector dataProtector=app.CreateDataProtector(
typeof(CookieAuthenticationMiddleware).FullName,
Options.AuthenticationType, "v1");
注意它傳了三個(gè)參數(shù)，第一個(gè)參數(shù)是
CookieAuthenticationMiddleware的 FullName，也就是 "
Microsoft.Owin.Security.Cookies.CookieAuthenticationMiddleware"，第二個(gè)參數(shù)如果沒定義，默認(rèn)值是
CookieAuthenticationDefaults.AuthenticationType，該值為定義為 "Cookies"。
但是，在默認(rèn)創(chuàng)建的 ASP.NET MVC模板項(xiàng)目中，該值被重新定義為 ASP.NETIdentity的默認(rèn)值，即 "ApplicationCookie"，需要注意。
然后來看看 CreateDataProtector的源碼：
public static IDataProtector CreateDataProtector(this IAppBuilder app, params string[] purposes)
{
if (app==null)
{
throw new ArgumentNullException("app");
}
IDataProtectionProvider dataProtectionProvider=GetDataProtectionProvider(app);
if (dataProtectionProvider==null)
{
dataProtectionProvider=FallbackDataProtectionProvider(app);
}
return dataProtectionProvider.Create(purposes);
}
public static IDataProtectionProvider GetDataProtectionProvider(this IAppBuilder app)
{
if (app==null)
{
throw new ArgumentNullException("app");
}
object value;
if (appperties.TryGetValue("security.DataProtectionProvider", out value))
{
var del=value as DataProtectionProviderDelegate;
if (del !=null)
{
return new CallDataProtectionProvider(del);
}
}
return null;
}
可見它先從 IAppBuilder的 "
security.DataProtectionProvider"屬性中取一個(gè) IDataProtectionProvider，否則使用
DpapiDataProtectionProvider。
我們翻閱代碼，在 OwinAppContext中可以看到，該值被指定為
MachineKeyDataProtectionProvider：
builderperties[Constants.SecurityDataProtectionProvider]=new MachineKeyDataProtectionProvider().ToOwinFunction();
文中的
Constants.SecurityDataProtectionProvider，剛好就被定義為 "
security.DataProtectionProvider"。
我們翻閱 MachineKeyDataProtector的源代碼，剛好看到它依賴于 MachineKey：
internal class MachineKeyDataProtector
{
private readonly string[] _purposes;
public MachineKeyDataProtector(params string[] purposes)
{
_purposes=purposes;
}
public virtual byte[] Protect(byte[] userData)
{
return MachineKeytect(userData, _purposes);
}
public virtual byte[] Unprotect(byte[] protectedData)
{
return MachineKey.Unprotect(protectedData, _purposes);
}
}
最終到了我們的老朋友 MachineKey。
逆推過程，破解Cookie
首先總結(jié)一下這個(gè)過程，對一個(gè)請求在 Mvc中的流程來說，這些代碼集中在 ASP.NETIdentity中，它會經(jīng)過：
AccountControllerSignInManagerAuthenticationManager設(shè)置 AuthenticationResponseGrant
然后進(jìn)入 CookieAuthentication的流程，這些代碼集中在 Owin中，它會經(jīng)過：
CookieAuthenticationMiddleware（讀取 AuthenticationResponseGrant）ISecureDataFormat（實(shí)現(xiàn)類： SecureDataFormat）IDataSerializer（實(shí)現(xiàn)類： TicketSerializer）IDataProtector（實(shí)現(xiàn)類： MachineKeyDataProtector）ITextEncoder（實(shí)現(xiàn)類： Base64UrlTextEncoder）
這些過程，結(jié)果上文中找到的所有參數(shù)的值，我總結(jié)出的“祖?zhèn)髌平獯a”如下：
string cookie="nZBqV1M-Az7yJezhb6dUzS_urj1urB0GDufSvDJSa0pv27CnDsLHRzMDdpU039j6ApL-VNfrJULfE85yU9RFzGV_aAGXHVkGckYqkCRJUKWV8SqPEjNJ5ciVzW--uxsCBNlG9jOhJI1FJIByRzYJvidjTYABWFQnSSd7XpQRjY4lb082nDZ5lwJVK3gaC_zt6H5Z1k0lUFZRb6afF52laMc___7BdZ0mZSA2kRxTk1QY8h2gQh07HqlR_p0uwTFNKi0vW9NxkplbB8zfKbfzDj7usep3zAeDEnwofyJERtboXgV9gIS21fLjc58O-4rR362IcCi2pYjaKHwZoO4LKWe1bS4r1tyzW0Ms-39Njtiyp7lRTN4HUHMUi9PxacRNgVzkfK3msTA6LkCJA3VwRm_UUeC448Lx5pkcCPCB3lGat_5ttGRjKD_lllI-YE4esXHB5eJilJDIZlEcHLv9jYhTl17H0Jl_H3FqXyPQJR-ylQfh";
var bytes=TextEncodings.Base64Url.Decode(cookie);
var decrypted=MachineKey.Unprotect(bytes,
"Microsoft.Owin.Security.Cookies.CookieAuthenticationMiddleware",
"ApplicationCookie",
"v1");
var serializer=new TicketSerializer();
var ticket=serializer.Deserialize(decrypted);
ticket.Dump(); // Dump為LINQPad專有函數(shù)，用于方便調(diào)試顯示，此處可以用循環(huán)輸出代替
運(yùn)行前請?jiān)O(shè)置好 app.config/ web.config中的 machineKey節(jié)點(diǎn)，并安裝 NuGet包： Microsoft.Owin.Security，運(yùn)行結(jié)果如下（完美破解）：
抽絲剝繭：淺議ASP.NET Cookie的生成原理
總結(jié)
學(xué)習(xí)方式有很多種，其中看代碼是我個(gè)人非常喜歡的一種方式，并非所有代碼都會一馬平川。像這個(gè)例子可能還需要有一定 ASP.NET知識背景。
注意這個(gè)“祖?zhèn)鞔a”是基于 .NETFramework，由于其用到了 MachineKey，因此無法在 .NETCore中運(yùn)行。我稍后將繼續(xù)深入聊聊 MachineKey這個(gè)類，看它底層代碼是如何工作的，然后最終得以在 .NETCore中直接破解 ASP.NETIdentity中的 Cookie，敬請期待！