抽丝剥茧：浅议ASP.NET Cookie的生成原理

　　前言

　　可能有人知道 Cookie的生成由 machineKey有关， machineKey用于决定 Cookie生成的算法和密钥，并如果使用多台服务器做负载均衡时，必须指定一致的 machineKey用于解密，那么这个过程到底是怎样的呢？

　　如果需要在 .NETCore中使用 ASP.NETCookie，本文将提到的内容也将是一些必经之路。

　　抽丝剥茧，一步一步分析

　　首先用户通过 AccountController->Login进行登录：

　　//

　　// 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);

　　// ......省略其它代码

　　}

　　}

　　它调用了 SignInManager的 PasswordSignInAsync方法，该方法代码如下（有删减）：

　　public virtual async Task PasswordSignInAsync(string userName, string password, bool isPersistent, bool shouldLockout)

　　{

　　// ...省略其它代码

　　if (await UserManager.CheckPasswordAsync(user, password).WithCurrentCulture())

　　{

　　if (!await IsTwoFactorEnabled(user))

　　{

　　await UserManager.ResetAccessFailedCountAsync(user.Id).WithCurrentCulture();

　　}

　　return await SignInOrTwoFactor(user, isPersistent).WithCurrentCulture();

　　}

　　// ...省略其它代码

　　return SignInStatus.Failure;

　　}

　　想浏览原始代码，可参见官方的 Github链接：

　　github/aspnet/AspNetIdentity/blob/master/src/Microsoft.AspNet.Identity.Owin/SignInManager.cs#L235-L276

　　可见它先需要验证密码，密码验证正确后，它调用了 SignInOrTwoFactor方法，该方法代码如下：

　　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;

　　}

　　该代码只是判断了是否需要做双重验证，在需要双重验证的情况下，它调用了 AuthenticationManager的 SignIn方法；否则调用 SignInAsync方法。 SignInAsync的源代码如下：

　　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);

　　}

　　}

　　可见，最终所有的代码都是调用了

　　AuthenticationManager.SignIn方法，所以该方法是创建 Cookie的关键。

　　AuthenticationManager的实现定义在 Microsoft.Owin中，因此无法在 ASP.NETIdentity中找到其源代码，因此我们打开 Microsoft.Owin的源代码继续跟踪（有删减）：

　　public void SignIn(AuthenticationProperties properties, params ClaimsIdentity[] identities)

　　{

　　AuthenticationResponseRevoke priorRevoke=AuthenticationResponseRevoke;

　　if (priorRevoke !=null)

　　{

　　// ...省略不相关代码

　　AuthenticationResponseRevoke=new AuthenticationResponseRevoke(filteredSignOuts);

　　}

　　AuthenticationResponseGrant priorGrant=AuthenticationResponseGrant;

　　if (priorGrant==null)

　　{

　　AuthenticationResponseGrant=new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(identities), properties);

　　}

　　else

　　{

　　// ...省略不相关代码

　　AuthenticationResponseGrant=new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(mergedIdentities), priorGrantperties);

　　}

　　}

　　AuthenticationManager的 Github链接如下：

　　github/aspnet/AspNetKatana/blob/c33569969e79afd9fb4ec2d6bdff877e376821b2/src/Microsoft.Owin/Security/AuthenticationManager.cs

　　可见它用到了

　　AuthenticationResponseGrant，继续跟踪可以看到它实际是一个属性：

　　public AuthenticationResponseGrant AuthenticationResponseGrant

　　{

　　// 省略get

　　set

　　{

　　if (value==null)

　　{

　　SignInEntry=null;

　　}

　　else

　　{

　　SignInEntry=Tuple.Create((IPrincipal)value.Principal, valueperties.Dictionary);

　　}

　　}

　　}

　　发现它其实是设置了 SignInEntry，继续追踪：

　　public Tuple> SignInEntry

　　{

　　get { return _context.Get>>(OwinConstants.Security.SignIn); }

　　set { _context.Set(OwinConstants.Security.SignIn, value); }

　　}

　　其中， _context的类型为 IOwinContext，

　　OwinConstants.Security.SignIn的常量值为 "security.SignIn"。

　　跟踪完毕……

　　啥？跟踪这么久，居然跟丢啦！？

　　当然没有！但接下来就需要一定的技巧了。

　　原来， ASP.NET是一种中间件（ Middleware）模型，在这个例子中，它会先处理 MVC中间件，该中间件处理流程到设置

　　AuthenticationResponseGrant/ SignInEntry为止。但接下来会继续执行 CookieAuthentication中间件，该中间件的核心代码在 aspnet/AspNetKatana仓库中可以看到，关键类是

　　CookieAuthenticationHandler，核心代码如下：

　　protected override async Task ApplyResponseGrantAsync()

　　{

　　AuthenticationResponseGrant signin=Helper.LookupSignIn(Options.AuthenticationType);

　　// ... 省略部分代码

　　if (shouldSignin)

　　{

　　var signInContext=new CookieResponseSignInContext(

　　Context,

　　Options,

　　Options.AuthenticationType,

　　signin.Identity,

　　signinperties,

　　cookieOptions);

　　// ... 省略部分代码

　　model=new AuthenticationTicket(signInContext.Identity, signInContextperties);

　　// ... 省略部分代码

　　string cookieValue=Options.TicketDataFormattect(model);

　　Options.CookieManager.AppendResponseCookie(

　　Context,

　　Options.CookieName,

　　cookieValue,

　　signInContext.CookieOptions);

　　}

　　// ... 又省略部分代码

　　}

　　这个原始函数有超过 200行代码，这里我省略了较多，但保留了关键、核心部分，想查阅原始代码可以移步 Github链接：

　　github/aspnet/AspNetKatana/blob/0fc4611e8b04b73f4e6bd68263e3f90e1adfa447/src/Microsoft.Owin.Security.Cookies/CookieAuthenticationHandler.cs#L130-L313

　　这里挑几点最重要的讲。

　　与 MVC建立关系

　　建立关系的核心代码就是第一行，它从上文中提到的统招证书位置取回了

　　AuthenticationResponseGrant，该 Grant保存了 Claims、 AuthenticationTicket等 Cookie重要组成部分：

　　AuthenticationResponseGrant signin=Helper.LookupSignIn(Options.AuthenticationType);

　　继续查阅 LookupSignIn源代码，可看到，它就是从上文中的 AuthenticationManager中取回了

　　AuthenticationResponseGrant（有删减）：

　　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;

　　}

　　如此一来，柳暗花明又一村，所有的线索就立即又明朗了。

　　Cookie的生成

　　从 AuthenticationTicket变成 Cookie字节串，最关键的一步在这里：

　　string cookieValue=Options.TicketDataFormattect(model);

　　在接下来的代码中，只提到使用 CookieManager将该 Cookie字节串添加到 Http响应中，翻阅 CookieManager可以看到如下代码：

　　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“1万”行计算chunk和处理细节的流程

　　responseHeaders.AppendValues(Constants.Headers.SetCookie, chunks);

　　}

　　有兴趣的朋友可以访问 Github看原始版本的代码：

　　github/aspnet/AspNetKatana/blob/0fc4611e8b04b73f4e6bd68263e3f90e1adfa447/src/Microsoft.Owin/Infrastructure/ChunkingCookieManager.cs#L125-L215

　　可见这个实现比较……简单，就是往 Response.Headers中加了个头，重点只要看 TicketDataFormattect方法即可。

　　逐渐明朗

　　该方法源代码如下：

　　public string Protect(TData data)

　　{

　　byte[] userData=_serializer.Serialize(data);

　　byte[] protectedData=_protectortect(userData);

　　string protectedText=_encoder.Encode(protectedData);

　　return protectedText;

　　}

　　可见它依赖于 _serializer、 _protector、 _encoder三个类，其中， _serializer的关键代码如下：

　　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();

　　}

　　}

　　其本质是进行了一次二进制序列化，并紧接着进行了 gzip压缩，确保 Cookie大小不要失去控制（因为 .NET的二进制序列化结果较大，并且微软喜欢搞 xml，更大）。

　　然后来看一下 _encoder源代码：

　　public string Encode(byte[] data)

　　{

　　if (data==null)

　　{

　　throw new ArgumentNullException("data");

　　}

　　return Convert.ToBase64String(data).TrimEnd('=').Replace('+', '-').Replace('/', '_');

　　}

　　可见就是进行了一次简单的 base64-url编码，注意该编码把 =号删掉了，所以在 base64-url解码时，需要补 =号。

　　这两个都比较简单，稍复杂的是 _protector，它的类型是 IDataProtector。

　　IDataProtector

　　它在

　　CookieAuthenticationMiddleware中进行了初始化，创建代码和参数如下：

　　IDataProtector dataProtector=app.CreateDataProtector(

　　typeof(CookieAuthenticationMiddleware).FullName,

　　Options.AuthenticationType, "v1");

　　注意它传了三个参数，第一个参数是

　　CookieAuthenticationMiddleware的 FullName，也就是 "

　　Microsoft.Owin.Security.Cookies.CookieAuthenticationMiddleware"，第二个参数如果没定义，默认值是

　　CookieAuthenticationDefaults.AuthenticationType，该值为定义为 "Cookies"。

　　但是，在默认创建的 ASP.NET MVC模板项目中，该值被重新定义为 ASP.NETIdentity的默认值，即 "ApplicationCookie"，需要注意。

　　然后来看看 CreateDataProtector的源码：

　　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;

　　}

　　可见它先从 IAppBuilder的 "

　　security.DataProtectionProvider"属性中取一个 IDataProtectionProvider，否则使用

　　DpapiDataProtectionProvider。

　　我们翻阅代码，在 OwinAppContext中可以看到，该值被指定为

　　MachineKeyDataProtectionProvider：

　　builderperties[Constants.SecurityDataProtectionProvider]=new MachineKeyDataProtectionProvider().ToOwinFunction();

　　文中的

　　Constants.SecurityDataProtectionProvider，刚好就被定义为 "

　　security.DataProtectionProvider"。

　　我们翻阅 MachineKeyDataProtector的源代码，刚好看到它依赖于 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);

　　}

　　}

　　最终到了我们的老朋友 MachineKey。

　　逆推过程，破解Cookie

　　首先总结一下这个过程，对一个请求在 Mvc中的流程来说，这些代码集中在 ASP.NETIdentity中，它会经过：

　　AccountControllerSignInManagerAuthenticationManager设置 AuthenticationResponseGrant

　　然后进入 CookieAuthentication的流程，这些代码集中在 Owin中，它会经过：

　　CookieAuthenticationMiddleware（读取 AuthenticationResponseGrant）ISecureDataFormat（实现类： SecureDataFormat）IDataSerializer（实现类： TicketSerializer）IDataProtector（实现类： MachineKeyDataProtector）ITextEncoder（实现类： Base64UrlTextEncoder）

　　这些过程，结果上文中找到的所有参数的值，我总结出的“祖传破解代码”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为LINQPad专有函数，用于方便调试显示，此处可以用循环输出代替

　　运行前请设置好 app.config/ web.config中的 machineKey节点，并安装 NuGet包： Microsoft.Owin.Security，运行结果如下（完美破解）：

　　抽丝剥茧：浅议ASP.NET Cookie的生成原理

　　总结

　　学习方式有很多种，其中看代码是我个人非常喜欢的一种方式，并非所有代码都会一马平川。像这个例子可能还需要有一定 ASP.NET知识背景。

　　注意这个“祖传代码”是基于 .NETFramework，由于其用到了 MachineKey，因此无法在 .NETCore中运行。我稍后将继续深入聊聊 MachineKey这个类，看它底层代码是如何工作的，然后最终得以在 .NETCore中直接破解 ASP.NETIdentity中的 Cookie，敬请期待！