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<ActionResult> Login(LoginViewModel model, string returnUrl)
{
if (!ModelState.IsValid)
{
return View(model);
}
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<SignInStatus> 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：https://github.com/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<SignInStatus> 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), priorGrant.Properties);
}
}
AuthenticationManager的 Github链接如下：https://github.com/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, value.Properties.Dictionary);
}
}
}
发现它其实是设置了 SignInEntry，继续追踪：
public Tuple<IPrincipal, IDictionary<string, string>> SignInEntry
{
get { return _context.Get<Tuple<IPrincipal, IDictionary<string, string>>>(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,
signin.Properties,
cookieOptions);
// ... 省略部分代码
model = new AuthenticationTicket(signInContext.Identity, signInContext.Properties);
// ... 省略部分代码
string cookieValue = Options.TicketDataFormat.Protect(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：https://github.com/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, grant.Properties ?? 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.TicketDataFormat.Protect(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：https://github.com/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 TicketDataFormat.Protect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 = _protector.Protect(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 (app.Properties.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：
builder.Properties[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 MachineKey.Protect(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<T>）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）：
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！