ASP.NET Cookie是怎麼生成的

可能有人知道Cookie的生成由machineKey有關，machineKey用于決定Cookie生成的算法和密鑰，并如果使用多台伺服器做負載均衡時，必須指定一緻的machineKey用于解密，那麼這個過程到底是怎樣的呢？

如果需要在.NET Core中使用ASP.NET Cookie，本文将提到的内容也将是一些必經之路。

抽絲剝繭，一步一步分析

首先使用者通過AccountController->Login進行登入：

// POST: /Account/Login

public async Task Login(LoginViewModel model, string returnUrl)

{

if (!ModelState.IsValid)
{
    return View(model);
}

var result = await SignInManager.PasswordSignInAsync(model.Email, model.Password, model.RememberMe, shouldLockout: false);
switch (result)
{
    case SignInStatus.Success:
        return RedirectToLocal(returnUrl);
    // ......省略其它代碼
}

}

它調用了SignInManager的PasswordSignInAsync方法，該方法代碼如下（有删減）：

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;

想浏覽原始代碼，可參見官方的Github連結：

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

可見它先需要驗證密碼，密碼驗證正确後，它調用了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;

該代碼隻是判斷了是否需要做雙重驗證，在需要雙重驗證的情況下，它調用了AuthenticationManager的SignIn方法；否則調用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用了AuthenticationManager.SignIn方法，是以該方法是建立Cookie的關鍵。

AuthenticationManager的實作定義在Microsoft.Owin中，是以無法在ASP.NET Identity中找到其源代碼，是以我們打開Microsoft.Owin的源代碼繼續跟蹤（有删減）：

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

AuthenticationResponseRevoke priorRevoke = AuthenticationResponseRevoke;
if (priorRevoke != null)
{
    // ...省略不相關代碼
    AuthenticationResponseRevoke = new AuthenticationResponseRevoke(filteredSignOuts);
}

AuthenticationResponseGrant priorGrant = AuthenticationResponseGrant;
if (priorGrant == null)
{
    AuthenticationResponseGrant = new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(identities), properties);
}
else
{
    // ...省略不相關代碼

    AuthenticationResponseGrant = new AuthenticationResponseGrant(new ClaimsPrincipal(mergedIdentities), priorGrant.Properties);
}

AuthenticationManager的Github連結如下：

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

可見它用到了AuthenticationResponseGrant，繼續跟蹤可以看到它實際是一個屬性：

public AuthenticationResponseGrant AuthenticationResponseGrant

// 省略get
set
{
    if (value == null)
    {
        SignInEntry = null;
    }
    else
    {
        SignInEntry = Tuple.Create((IPrincipal)value.Principal, value.Properties.Dictionary);
    }
}

發現它其實是設定了SignInEntry，繼續追蹤：

public Tuple> SignInEntry

get { return _context.Get<Tuple<IPrincipal, IDictionary<string, string>>>(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？跟蹤這麼久，居然跟丢啦！？

當然沒有！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，在這個例子中，它會先處理MVC中間件，該中間件處理流程到設定AuthenticationResponseGrant/SignInEntry為止。但接下來會繼續執行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,
        signin.Properties,
        cookieOptions);

    // ... 省略部分代碼

    model = new AuthenticationTicket(signInContext.Identity, signInContext.Properties);
    // ... 省略部分代碼

    string cookieValue = Options.TicketDataFormat.Protect(model);

    Options.CookieManager.AppendResponseCookie(
        Context,
        Options.CookieName,
        cookieValue,
        signInContext.CookieOptions);
}
// ... 又省略部分代碼

這個原始函數有超過200行代碼，這裡我省略了較多，但保留了關鍵、核心部分，想查閱原始代碼可以移步Github連結：

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

這裡挑幾點最重要的講。

與MVC建立關系

建立關系的核心代碼就是第一行，它從上文中提到的位置取回了AuthenticationResponseGrant，該Grant儲存了Claims、AuthenticationTicket等Cookie重要組成部分：

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

繼續查閱LookupSignIn源代碼，可看到，它就是從上文中的AuthenticationManager中取回了AuthenticationResponseGrant（有删減）：

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, grant.Properties ?? 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位元組串，最關鍵的一步在這裡：

string cookieValue = Options.TicketDataFormat.Protect(model);

在接下來的代碼中，隻提到使用CookieManager将該Cookie位元組串添加到Http響應中，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”行計算chunk和處理細節的流程
responseHeaders.AppendValues(Constants.Headers.SetCookie, chunks);

有興趣的朋友可以通路Github看原始版本的代碼：

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

可見這個實作比較……簡單，就是往Response.Headers中加了個頭，重點隻要看TicketDataFormat.Protect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 = _protector.Protect(userData);
string protectedText = _encoder.Encode(protectedData);
return protectedText;

可見它依賴于_serializer、_protector、_encoder三個類，其中，_serializer的關鍵代碼如下：

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();
}

其本質是進行了一次二進制序列化，并緊接着進行了gzip壓縮，確定Cookie大小不要失去控制（因為.NET的二進制序列化結果較大，并且微軟喜歡搞xml，更大😂）。

然後來看一下_encoder源代碼：

public string Encode(byte[] data)

if (data == null)
{
    throw new ArgumentNullException("data");
}

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

可見就是進行了一次簡單的base64-url編碼，注意該編碼把=号删掉了，是以在base64-url解碼時，需要補=号。

這兩個都比較簡單，稍複雜的是_protector，它的類型是IDataProtector。

IDataProtector

它在CookieAuthenticationMiddleware中進行了初始化，建立代碼和參數如下：

IDataProtector dataProtector = app.CreateDataProtector(

typeof(CookieAuthenticationMiddleware).FullName,
Options.AuthenticationType, "v1");

注意它傳了三個參數，第一個參數是CookieAuthenticationMiddleware的FullName，也就是"Microsoft.Owin.Security.Cookies.CookieAuthenticationMiddleware"，第二個參數如果沒定義，預設值是CookieAuthenticationDefaults.AuthenticationType，該值為定義為"Cookies"。

但是，在預設建立的ASP.NET MVC模闆項目中，該值被重新定義為ASP.NET Identity的預設值，即"ApplicationCookie"，需要注意。

然後來看看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 (app.Properties.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：

builder.Properties[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 MachineKey.Protect(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

首先總結一下這個過程，對一個請求在Mvc中的流程來說，這些代碼集中在ASP.NET Identity中，它會經過：

AccountController

SignInManager

AuthenticationManager

設定AuthenticationResponseGrant

然後進入CookieAuthentication的流程，這些代碼集中在Owin中，它會經過：

CookieAuthenticationMiddleware（讀取AuthenticationResponseGrant）

ISecureDataFormat（實作類：SecureDataFormat）

IDataSerializer（實作類：TicketSerializer）

IDataProtector（實作類：MachineKeyDataProtector）

ITextEncoder（實作類：Base64UrlTextEncoder）

這些過程，結果上文中找到的所有參數的值，我總結出的“祖傳破解代碼”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，用于友善調試顯示，此處可以用循環輸出代替

運作前請設定好app.config/web.config中的machineKey節點，并安裝NuGet包：Microsoft.Owin.Security，運作結果如下（完美破解）：

總結

學習方式有很多種，其中看代碼是我個人非常喜歡的一種方式，并非所有代碼都會一馬平川。像這個例子可能還需要有一定ASP.NET知識背景。

注意這個“祖傳代碼”是基于.NET Framework，由于其用到了MachineKey，是以無法在.NET Core中運作。我稍後将繼續深入聊聊MachineKey這個類，看它底層代碼是如何工作的，然後最終得以在.NET Core中直接破解ASP.NET Identity中的Cookie，敬請期待！

原文位址

https://www.cnblogs.com/sdflysha/p/20200123-how-does-aspnet-identity-cookie-generated.html

ASP.NET Cookie是怎麼生成的

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