Go web中cookie值安全securecookie库使用原理

2022-11-13 19:36

短信预约 -IT技能 免费直播动态提醒

引言

今天给大家推荐的是web应用安全防护方面的另一个包：securecookie。该包给cookie中存储的敏感信息进行编、解码及解密、解密功能，以保证数据的安全。

securecookie小档案

securecookie小档案
star	595	used by	-
contributors	19	作者	Gorilla
功能简介	对cookie中存储的敏感信息进行编码、解码以及加密、解密功能，以保证数据不能被伪造。
项目地址	github.com/gorilla/sec…
相关知识	web安全、加密解密、HMAC编码解码、base64编码

一、安装

 go get github.com/gorilla/securecookie

二、使用示例

明文的cookie值输出

我们先来看下未进行编码或未加密的cookie输出是什么样的。本文以beego框架为例，当然在beego中已经实现了安全的cookie输出，稍后再看其具体的实现。这里主要是来说明cookie中未编码的输出和使用securecookie包后cookie的值输出。

package main
import (
	"github.com/beego/beego"
)
func main() {
	beego.Router("/", &MainController{})
	beego.RunWithMiddleWares(":8080")
}
type MainController struct {
	beego.Controller
}
func (this *MainController) Get() {
	this.Ctx.Output.Cookie("userid", "1234567")
	this.Ctx.Output.Body([]byte("Hello World"))
}

执行go run main.go，然后在浏览器中输入http://localhost:8080/，查看cookie的输出是明文的。如下：

使用securecookie包对cookie值进行编码

securecookie包的使用也很简单。首先使用securecookie.New函数实例化一个securecookie实例，在实例化的时候需要传入一个32位或64位的hashkey值。然后调用securecookie实例的Encode对明文值进行编码即可。如下示例：

package main
import (
	"github.com/beego/beego"
	"github.com/gorilla/securecookie"
)
func main() {
	beego.Router("/", &MainController{})
	beego.RunWithMiddleWares(":8080")
}
type MainController struct {
	beego.Controller
}
func (this *MainController) Get() {
	// Hash keys should be at least 32 bytes long
	var hashKey = []byte("keep-it-secret-keep-it-safe-----")
	// 实例化securecookie
	var s = securecookie.New(hashKey, nil)
	name := "userid"
	value := "1234567"
    // 对value进行编码
	encodeValue, _ := s.Encode(name, value)
    // 输出编码后的cookie值
	this.Ctx.Output.Cookie(name, encodeValue)
	this.Ctx.Output.Body([]byte("Hello World"))
}

以下是经过securecookie编码后的cookie值输出结果：

在调用securecookie.New时，第一个参数hashKey是必须的，推荐使用32字节或64字节长度的key。因为securecookie底层编码时是使用HMAC算法实现的，hmac算法在对数据进行散列操作时会进行加密。

securecookie包不仅支持对字符串的编码和加密。还支持对结构体及自定义类型进行编码和加密。下面示例是对一个map[string]string类型进行编/解码的实例。

package main
import (
	"fmt"
	"github.com/beego/beego"
	"github.com/gorilla/securecookie"
)
func main() {
	beego.Router("/", &MainController{})
	beego.RunWithMiddleWares(":8080")
}
type MainController struct {
	beego.Controller
}
func (this *MainController) Get() {
	// Hash keys should be at least 32 bytes long
	var hashKey = []byte("keep-it-secret-keep-it-safe-----")
	// Block keys should be 16 bytes (AES-128) or 32 bytes (AES-256) long.
	// Shorter keys may weaken the encryption used.
	var blockKey = []byte("1234567890123456")
	// 实例化securecookie
	var s = securecookie.New(hashKey, blockKey)
	value := map[string]string{
		"id": "1234567",
	}
	name := "userid"
	//value := "1234567"
	//
	encodeValue, err := s.Encode(name, value)
	fmt.Println("encodeValue:", encodeValue, err)
    // 解析到decodeValue中
	decodeValue := make(map[string]string)
	s.Decode(name, encodeValue, &decodeValue)
	fmt.Println("decodeValue:", decodeValue)
	this.Ctx.Output.Cookie(name, encodeValue)
	this.Ctx.Output.Body([]byte("Hello World"))
}

当然，其他类型也是支持的。大家有兴趣的可以自行看下源码。

使用securecookie对value加密

securecookie不止可以对明文值进行编码，而且还可以对编码后的值进一步加密，使value值更安全。加密也很简单，就是在调用securecookie.New的时候传入第二个参数：加密秘钥即可。如下：


	// Hash keys should be at least 32 bytes long
	var hashKey = []byte("keep-it-secret-keep-it-safe-----")
	// Block keys should be 16 bytes (AES-128) or 32 bytes (AES-256) long.
	// Shorter keys may weaken the encryption used.
	var blockKey = []byte("1234567890123456")
	// 实例化securecookie
	var s = securecookie.New(hashKey, blockKey)
	name := "userid"
	value := "1234567"
	encodeValue, err := s.Encode(name, value)

以下是经过securecookie加密后的cookie值输出结果：

在securecookie包中，是否对cookie值进行加密是可选的。在调用New时，如果第二个参数传nil，则cookie值只进行hash，而不加密。如果给第二个参数传了一个值，即秘钥，则该包还会对hash后的值再进行加密处理。这里需要注意，加密秘钥的长度必须是16字节或32字节，否则会加密失败。

对cookie值进行解码

有编码就有解码。在收到请求中的cookie值后，就可以使用相同的securecookie实例对cookie值进行解码了。如下：

package main
import (
	"fmt"
	"github.com/beego/beego"
	"github.com/gorilla/securecookie"
)
func main() {
	beego.Router("/", &MainController{})
	beego.RunWithMiddleWares(":8080")
}
type MainController struct {
	beego.Controller
}
func (this *MainController) Get() {
	// Hash keys should be at least 32 bytes long
	var hashKey = []byte("keep-it-secret-keep-it-safe-----")
	// Block keys should be 16 bytes (AES-128) or 32 bytes (AES-256) long.
	// Shorter keys may weaken the encryption used.
	var blockKey = []byte("1234567890123456")
	// 实例化securecookie
	var s = securecookie.New(hashKey, blockKey)
	encodeValue := this.Ctx.GetCookie("userid")
	value := ""
	s.Decode("userid", encodeValue, &value)
	fmt.Println("decode value is :", value, encodeValue)
	this.Ctx.Output.Cookie("userid", value)
	this.Ctx.Output.Body([]byte("Hello World"))
}

该示例是我们把上次加密的cookie值发送给本次请求，服务端进行解码后写入到cookie中。本次输出正好是明文“1234567”。

这里需要注意的是，解码的时候Decode的第一个参数是cookie的name值。第二个参数才是cookie的value值。这是成对出现的。后面在讲编码的实现原理时会详细讲解。

三、实现原理

securecookie包Encode函数的实现主要有两点：加密和hash转换。同样Decode的过程与Encode是相反的。

Encode函数的实现流程如下：

序列化

第一步为什么要把value值进行序列化呢？我们看securecookie.Encode接口，如下：

func (s *SecureCookie) Encode(name string, value interface{}) (string, error)

我们知道cookie中的值是key-value形式的。这里name就是cookie中的key，value是cookie中的值。我们注意到value的类型是interface{}接口，也就是说value可以是任意数据类型（结构体，map，slice等）。但cookie中的value只能是字符串。所以，Encode的第一步就是把value值进行序列化。

序列化有两种方式，分别是内建的包encoding/json和encoding/gob。securecookie包默认使用gob包进行序列化：

func (e GobEncoder) Serialize(class="lazy" data-src interface{}) ([]byte, error) {
	buf := new(bytes.Buffer)
	enc := gob.NewEncoder(buf)
	if err := enc.Encode(class="lazy" data-src); err != nil {
		return nil, cookieError{cause: err, typ: usageError}
	}
	return buf.Bytes(), nil
}

知识点：encoding/json和encoding/gob的区别：gob包比json包生成的序列化数据体积更小、性能更高。但gob序列化的数据只适用于go语言编写的程序之间传递（编码/解码）。而json包适用于任何语言程序之间的通信。

如果在编码过程中想使用json对value值进行序列化，那么可以通过SetSerialize方法进行设置，如下：

cookie := securecookie.New([]byte("keep-it-secret-keep-it-safe-----")
cookie.SetSerializer(securecookie.JSONEncoder{})

加密

加密是可选的。如果在调用secrecookie.New的时候指定了第2个参数，那么就会对序列化后的数据加密操作。如下：

	// 2. Encrypt (optional).
	if s.block != nil {
		if b, err = encrypt(s.block, b); err != nil {
			return "", cookieError{cause: err, typ: usageError}
		}
	}

加密使用的AES对称加密。在Go的内建包crypto/aes中。该包有5种加密模式，5种模式之间采用的分块算法不同。有兴趣的同学可以自行深入研究。而securecookie包采用的是CTR模式。如下是加密相关代码：

func encrypt(block cipher.Block, value []byte) ([]byte, error) {
	iv := GenerateRandomKey(block.BlockSize())
	if iv == nil {
		return nil, errGeneratingIV
	}
	// Encrypt it.
	stream := cipher.NewCTR(block, iv)
	stream.XORKeyStream(value, value)
	// Return iv + ciphertext.
	return append(iv, value...), nil
}

该对称加密算法其实还可以应用其他具有敏感信息的传输中，比如价格信息、密码等。

base64编码

经过上述编码（或加密）后的数据实际上是一串字节序列。如果转换成字符串大家可以看到会有乱码的出现。这里的乱码实际上是不可见字符。如果想让不可见字符变成可见字符，最常用的就是使用base64编码。 base64编码是将二进制字节转换成文本的一种编码方式。该编码方式是将二进制字节转换成可打印的asc码。就是先预定义一个可见字符的编码表，参考RFC4648文档。然后将原字符串的二进制字节序列以每6位为一组进行分组，然后再将每组转换成十进制对应的数字，在根据该数字从预定义的编码表中找到对应的字符，最终组成的字符串就是经过base64编码的字符串。在base64编码中有4种模式：

base64.StdEncoding：标准模式是依据RFC 4648文档实现的，最终转换成的字符由A到Z、a-z、0-9以及+和 / 符号组成的。
base64.URLEncoding: URLEncoding模式最终转成的字符是由A到Z、a-z、0-9以及 - 和 _ 组成的。就是把标准模式中的+和/字符替换成了-和/。因为该模式主要应用于URL地址传输中，而在URL中+和/是保留字符，不能出现，所以讲其做了替换。
base64.RawEncoding: 该模式使用的字符集和StdEncoding一样。但该模式是按照位数来的，每6bits换为一个base64字符，就没有在尾部补齐到4的倍数字节了。
base64.RawURLEncoding: 该模式使用的字符集和URLEncoding模式一样。同样该模式也是按照位数来的，每6bits换为一个base64字符，就没有在尾部补齐到4的倍数字节了。

base64编码的具体应用和实现原理大家可参考我的另外一篇文章：

使用hmac做hash

简单来讲就是对字符串做了加密的hash转换。在上文中我们提到，加密是可选的，hmac才是必需的。如果没有使用加密，那么经过上述序列化、base64编码后的字符串依然是明文的。所以无论有没有加密，都要做一次hash。这里使用的是内建包crypto/hmac。

做hmac操作时，不是只对value值进行hash，而是经过了字符串的拼接。实际上是对cookie名、日期、value值三部分进行拼接，并用 "|"隔开进行的：

代码如下：

	// 3. Create MAC for "name|date|value". Extra pipe to be used later.
	b = []byte(fmt.Sprintf("%s|%d|%s|", name, s.timestamp(), b))
	mac := createMac(hmac.New(s.hashFunc, s.hashKey), b[:len(b)-1])
	// Append mac, remove name.
	b = append(b, mac...)[len(name)+1:]
	// 4. Encode to base64.
	b = encode(b)

这里将name值拼接进字符串是因为在加码验证的时候可以对key-value对进行验证，说明该value是属于该name值的。将时间戳拼接进去，主要是为了对cookie的有效期做验证。在解密后，用当前时间和字符串中的时间做比较，就能知道该cookie值是否已经过期了。

最后，将经过hmac的hash值除去name值后再和b进行拼接。拼接完，为了在url中传输，所以再做一次base64的编码。

相关知识：HMAC是密钥相关的哈希运算消息认证码（Hash-based Message Authentication Code）的缩写，由H.Krawezyk，M.Bellare，R.Canetti于1996年提出的一种基于Hash函数和密钥进行消息认证的方法。其能提供两方面的内容： ① 消息完整性认证：能够证明消息内容在传送过程没有被修改。 ② 信源身份认证：因为通信双方共享了认证的密钥，接收方能够认证发送该数据的信源与所宣称的一致，即能够可靠地确认接收的消息与发送的一致。

四、beego框架中的cookie安全

笔者查看了常用的web框架echo、gin、beego，发现只有在beego框架中集成了安全的cookie设置。但也只实现了用hmac算法对value值和时间戳做加密hash。该实现在Controller的SetSecureCookie函数中，如下：

// SetSecureCookie puts value into cookie after encoded the value.
func (c *Controller) SetSecureCookie(Secret, name, value string, others ...interface{}) {
	c.Ctx.SetSecureCookie(Secret, name, value, others...)
}
// SetSecureCookie Set Secure cookie for response.
func (ctx *Context) SetSecureCookie(Secret, name, value string, others ...interface{}) {
	vs := base64.URLEncoding.EncodeToString([]byte(value))
	timestamp := strconv.FormatInt(time.Now().UnixNano(), 10)
	h := hmac.New(sha256.New, []byte(Secret))
	fmt.Fprintf(h, "%s%s", vs, timestamp)
	sig := fmt.Sprintf("%02x", h.Sum(nil))
	cookie := strings.Join([]string{vs, timestamp, sig}, "|")
	ctx.Output.Cookie(name, cookie, others...)
}