ASP.NET Core 运行原理解剖[5]:Authentication

在现代应用程序中，认证已不再是简单的将用户凭证保存在浏览器中，而要适应多种场景，如App，WebAPI，第三方登录等等。在 ASP.NET 4.x 时代的Windows认证和Forms认证已无法满足现代化的需求，因此在ASP.NET Core 中对认证及授权进行了全新设计，使其更加灵活，可以应付各种场景。在上一章中，我们提到HttpContext中认证相关的功能放在了独立的模块中，以扩展的方式来展现，以保证HttpContext的简洁性，本章就来介绍一下 ASP.NET Core 认证系统的整个轮廓，以及它的切入点。

目录

本系列文章从源码分析的角度来探索 ASP.NET Core 的运行原理，分为以下几个章节：

ASP.NET Core 运行原理解剖[1]:Hosting

ASP.NET Core 运行原理解剖[2]:Hosting补充之配置介绍

ASP.NET Core 运行原理解剖[3]:Middleware-请求管道的构成

ASP.NET Core 运行原理解剖[4]:进入HttpContext的世界

ASP.NET Core 运行原理解剖[5]:Authentication(Current)

1. AuthenticationHttpContextExtensions
2. IAuthenticationSchemeProvider
3. IAuthenticationHandlerProvider
4. IAuthenticationService
   • AuthenticateResult
   • IClaimsTransformation
5. Usage

AuthenticationHttpContextExtensions

AuthenticationHttpContextExtensions 类是对 HttpContext 认证相关的扩展，它提供了如下扩展方法：

public static class AuthenticationHttpContextExtensions
{
    public static Task<AuthenticateResult> AuthenticateAsync(this HttpContext context, string scheme) =>
        context.RequestServices.GetRequiredService<IAuthenticationService>().AuthenticateAsync(context, scheme);

    public static Task ChallengeAsync(this HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties) { }
    public static Task ForbidAsync(this HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties) { }
    public static Task SignInAsync(this HttpContext context, string scheme, ClaimsPrincipal principal, AuthenticationProperties properties) {}
    public static Task SignOutAsync(this HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties) { }
    public static Task<string> GetTokenAsync(this HttpContext context, string scheme, string tokenName) { }
}

主要包括如上6个扩展方法，其它的只是一些参数重载：

• SignInAsync 用户登录成功后颁发一个证书（加密的用户凭证），用来标识用户的身份。

• SignOutAsync 退出登录，如清除Coookie等。

• AuthenticateAsync 验证在 SignInAsync 中颁发的证书，并返回一个 AuthenticateResult 对象，表示用户的身份。

• ChallengeAsync 返回一个需要认证的标识来提示用户登录，通常会返回一个 401 状态码。

• ForbidAsync 禁上访问，表示用户权限不足，通常会返回一个 403 状态码。

• GetTokenAsync 用来获取 AuthenticationProperties 中保存的额外信息。

它们的实现都非常简单，与展示的第一个方法类似，从DI系统中获取到 IAuthenticationService 接口实例，然后调用其同名方法。

因此，如果我们希望使用认证服务，那么首先要注册 IAuthenticationService 的实例，ASP.NET Core 中也提供了对应注册扩展方法：

public static class AuthenticationCoreServiceCollectionExtensions
{
    public static IServiceCollection AddAuthenticationCore(this IServiceCollection services)
    {
        services.TryAddScoped<IAuthenticationService, AuthenticationService>();
        services.TryAddSingleton<IClaimsTransformation, NoopClaimsTransformation>(); // Can be replaced with scoped ones that use DbContext
        services.TryAddScoped<IAuthenticationHandlerProvider, AuthenticationHandlerProvider>();
        services.TryAddSingleton<IAuthenticationSchemeProvider, AuthenticationSchemeProvider>();
        return services;
    }

    public static IServiceCollection AddAuthenticationCore(this IServiceCollection services, Action<AuthenticationOptions> configureOptions)
    {
        services.AddAuthenticationCore();
        services.Configure(configureOptions);
        return services;
    }
}

如上，AddAuthenticationCore 中注册了认证系统的三大核心对象：IAuthenticationSchemeProvider，IAuthenticationHandlerProvider 和 IAuthenticationService，以及一个对Claim进行转换的 IClaimsTransformation(不常用)，下面就来介绍一下这三大对象。

IAuthenticationSchemeProvider

首先来解释一下 Scheme 是用来做什么的。因为在 ASP.NET Core 中可以支持各种各样的认证方式（如，cookie, bearer, oauth, openid 等等），而 Scheme 用来标识使用的是哪种认证方式，不同的认证方式其处理方式是完全不一样的，所以Scheme是非常重要的。

IAuthenticationSchemeProvider 用来提供对Scheme的注册和查询，定义如下：

public interface IAuthenticationSchemeProvider
{
    void AddScheme(AuthenticationScheme scheme);
    Task<IEnumerable<AuthenticationScheme>> GetAllSchemesAsync();
    Task<AuthenticationScheme> GetSchemeAsync(string name);
    Task<IEnumerable<AuthenticationScheme>> GetRequestHandlerSchemesAsync();

    Task<AuthenticationScheme> GetDefaultAuthenticateSchemeAsync();
    Task<AuthenticationScheme> GetDefaultChallengeSchemeAsync();
    Task<AuthenticationScheme> GetDefaultForbidSchemeAsync();
    Task<AuthenticationScheme> GetDefaultSignInSchemeAsync();
    Task<AuthenticationScheme> GetDefaultSignOutSchemeAsync();
}

其 AddScheme 方法，用来注册Scheme，而每一种Scheme最终体现为一个 AuthenticationScheme 类型的对象：

public class AuthenticationScheme
{
    public AuthenticationScheme(string name, string displayName, Type handlerType)
    {
        if (!typeof(IAuthenticationHandler).IsAssignableFrom(handlerType))
        {
            throw new ArgumentException("handlerType must implement IAuthenticationSchemeHandler.");
        }
        ...
    }

    public string Name { get; }

    public string DisplayName { get; }

    public Type HandlerType { get; }
}

每一个Scheme中还包含一个对应的IAuthenticationHandler类型的Handler，由它来完成具体的处理逻辑，看一下它的默认实现：

public class AuthenticationSchemeProvider : IAuthenticationSchemeProvider
{
    private IDictionary<string, AuthenticationScheme> _map = new Dictionary<string, AuthenticationScheme>(StringComparer.Ordinal);

    public AuthenticationSchemeProvider(IOptions<AuthenticationOptions> options)
    {
        _options = options.Value;

        foreach (var builder in _options.Schemes)
        {
            var scheme = builder.Build();
            AddScheme(scheme);
        }
    }

    private Task<AuthenticationScheme> GetDefaultSchemeAsync()
        => _options.DefaultScheme != null
        ? GetSchemeAsync(_options.DefaultScheme)
        : Task.FromResult<AuthenticationScheme>(null);
    ....
}

如上，通过一个内部的字典来保存我们所注册的Scheme，key为Scheme名称，然后提供一系列对该字典的查询。它还提供了一系列的GetDefaultXXXSchemeAsync方法，所使用的Key是通过构造函数中接收的AuthenticationOptions对象来获取的，如果未配置，则返回为null。

对于 AuthenticationOptions 对象，大家可能会比较熟悉，在上面介绍的 AddAuthenticationCore 扩展方法中，也是使用该对象来配置认证系统：

public class AuthenticationOptions
{
    private readonly IList<AuthenticationSchemeBuilder> _schemes = new List<AuthenticationSchemeBuilder>();
    public IEnumerable<AuthenticationSchemeBuilder> Schemes => _schemes;
    public IDictionary<string, AuthenticationSchemeBuilder> SchemeMap { get; } = new Dictionary<string, AuthenticationSchemeBuilder>(StringComparer.Ordinal);

    public void AddScheme(string name, Action<AuthenticationSchemeBuilder> configureBuilder)
    {
        if (SchemeMap.ContainsKey(name))
        {
            throw new InvalidOperationException("Scheme already exists: " + name);
        }
        var builder = new AuthenticationSchemeBuilder(name);
        configureBuilder(builder);
        _schemes.Add(builder);
        SchemeMap[name] = builder;
    }

    public void AddScheme<THandler>(string name, string displayName) where THandler : IAuthenticationHandler
        => AddScheme(name, b =>
        {
            b.DisplayName = displayName;
            b.HandlerType = typeof(THandler);
        });

    public string DefaultScheme { get; set; }
    public string DefaultAuthenticateScheme { get; set; }
    public string DefaultSignInScheme { get; set; }
    public string DefaultSignOutScheme { get; set; }
    public string DefaultChallengeScheme { get; set; }
    public string DefaultForbidScheme { get; set; }
}

该对象可以帮助我们更加方便的注册Scheme，提供泛型和 AuthenticationSchemeBuilder 两种方式配置方式。

到此，我们了解到，要想使用认证系统，必要先注册Scheme，而每一个Scheme必须指定一个Handler，否则会抛出异常，下面我们就来了解一下Handler。

IAuthenticationHandlerProvider

在 ASP.NET Core 的认证系统中，AuthenticationHandler 负责对用户凭证的验证，它定义了如下接口：

public interface IAuthenticationHandler
{
    Task InitializeAsync(AuthenticationScheme scheme, HttpContext context);
    Task<AuthenticateResult> AuthenticateAsync();
    Task ChallengeAsync(AuthenticationProperties properties);
    Task ForbidAsync(AuthenticationProperties properties);
}

AuthenticationHandler的创建是通过 IAuthenticationHandlerProvider 来完成的：

public interface IAuthenticationHandlerProvider
{
    Task<IAuthenticationHandler> GetHandlerAsync(HttpContext context, string authenticationScheme);
}

Provider 只定义了一个 GetHandlerAsync 方法，来获取指定的Scheme的Hander，在 ASP.NET Core 中，很多地方都使用了类似的 Provider 模式。

而HandlerProvider的实现，我们通过对上面SchemeProvider的了解，应该可以猜到一二，因为在 AuthenticationScheme 中已经包含了Hander：

public class AuthenticationHandlerProvider : IAuthenticationHandlerProvider
{
    public AuthenticationHandlerProvider(IAuthenticationSchemeProvider schemes)
    {
        Schemes = schemes;
    }

    public IAuthenticationSchemeProvider Schemes { get; }

    private Dictionary<string, IAuthenticationHandler> _handlerMap = new Dictionary<string, IAuthenticationHandler>(StringComparer.Ordinal);

    public async Task<IAuthenticationHandler> GetHandlerAsync(HttpContext context, string authenticationScheme)
    {
        if (_handlerMap.ContainsKey(authenticationScheme))
        {
            return _handlerMap[authenticationScheme];
        }

        var scheme = await Schemes.GetSchemeAsync(authenticationScheme);
        if (scheme == null)
        {
            return null;
        }
        var handler = (context.RequestServices.GetService(scheme.HandlerType) ??
            ActivatorUtilities.CreateInstance(context.RequestServices, scheme.HandlerType))
            as IAuthenticationHandler;
        if (handler != null)
        {
            await handler.InitializeAsync(scheme, context);
            _handlerMap[authenticationScheme] = handler;
        }
        return handler;
    }
}

可以看到，AuthenticationHandlerProvider 首先使用 IAuthenticationSchemeProvider 获取到当前Scheme，然后先从DI中查找是否有此Scheme中的Handler，如果未注册到DI系统中，则使用 ActivatorUtilities 来创建其实例，并缓存到内部的 _handlerMap 字典中。

IAuthenticationService

IAuthenticationService 本质上是对 IAuthenticationSchemeProvider 和 IAuthenticationHandlerProvider 封装，用来对外提供一个统一的认证服务接口：

public interface IAuthenticationService
{
    Task<AuthenticateResult> AuthenticateAsync(HttpContext context, string scheme);
    Task ChallengeAsync(HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties);
    Task ForbidAsync(HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties);
    Task SignInAsync(HttpContext context, string scheme, ClaimsPrincipal principal, AuthenticationProperties properties);
    Task SignOutAsync(HttpContext context, string scheme, AuthenticationProperties properties);
}

这5个方法中，都需要接收一个 scheme 参数，因为只有先指定你要使用的认证方式，才能知道该如何进行认证。

对于上面的前三个方法，我们知道在IAuthenticationHandler中都有对应的实现，而SignInAsync和SignOutAsync则使用了独立的定义接口：

public interface IAuthenticationSignInHandler : IAuthenticationSignOutHandler
{
    Task SignInAsync(ClaimsPrincipal user, AuthenticationProperties properties);
}

public interface IAuthenticationSignOutHandler : IAuthenticationHandler
{
    Task SignOutAsync(AuthenticationProperties properties);
}

SignInAsync 和 SignOutAsync 之所以使用独立的接口，是因为在现代架构中，通常会提供一个统一的认证中心，负责证书的颁发及销毁（登入和登出），而其它服务只用来验证证书，并用不到SingIn/SingOut。

而 IAuthenticationService 的默认实现 AuthenticationService 中的逻辑就非常简单了，只是调用Handler中的同名方法：

public class AuthenticationService : IAuthenticationService
{
    public IAuthenticationSchemeProvider Schemes { get; }
    public IAuthenticationHandlerProvider Handlers { get; }
    public IClaimsTransformation Transform { get; }

    public virtual async Task<AuthenticateResult> AuthenticateAsync(HttpContext context, string scheme)
    {
        if (scheme == null)
        {
            var defaultScheme = await Schemes.GetDefaultAuthenticateSchemeAsync();
            scheme = defaultScheme?.Name;
            if (scheme == null)
            {
                throw new InvalidOperationException($"No authenticationScheme was specified, and there was no DefaultAuthenticateScheme found.");
            }
        }

        var handler = await Handlers.GetHandlerAsync(context, scheme);
        var result = await handler.AuthenticateAsync();
        if (result != null && result.Succeeded)
        {
            var transformed = await Transform.TransformAsync(result.Principal);
            return AuthenticateResult.Success(new AuthenticationTicket(transformed, result.Properties, result.Ticket.AuthenticationScheme));
        }
        return result;
    }
}

AuthenticationService中对这5个方法的实现大致相同，首先会在我们传入的scheme为null时，来获取我们所注册的默认scheme，然后获取调用相应Handler的即可。针对 SignInAsync 和 SignOutAsync 的实现则会判断Handler是否实现了对应的接口，若未实现则抛出异常。

不过在这里还涉及到如下两个对象：

AuthenticateResult

AuthenticateResult 用来表示认证的结果：

public class AuthenticateResult
{
    public AuthenticationTicket Ticket { get; protected set; }

    public bool Succeeded => Ticket != null;
    public ClaimsPrincipal Principal => Ticket?.Principal;
    public AuthenticationProperties Properties => Ticket?.Properties;
    public Exception Failure { get; protected set; }
    public bool None { get; protected set; }
    public static AuthenticateResult Success(AuthenticationTicket ticket) => new AuthenticateResult() { Ticket = ticket };
    public static AuthenticateResult NoResult() => new AuthenticateResult() { None = true };
    public static AuthenticateResult Fail(Exception failure) => new AuthenticateResult() { Failure = failure };
    public static AuthenticateResult Fail(string failureMessage) => new AuthenticateResult() { Failure = new Exception(failureMessage) };
}

它主要包含一个核心属性 AuthenticationTicket：

public class AuthenticationTicket
{
    public string AuthenticationScheme { get; private set; }
    public ClaimsPrincipal Principal { get; private set; }
    public AuthenticationProperties Properties { get; private set; }
}

我们可以把AuthenticationTicket看成是一个经过认证后颁发的证书，

其 ClaimsPrincipal 属性我们较为熟悉，表示证书的主体，在基于声明的认证中，用来标识一个人的身份（如：姓名，邮箱等等），后续会详细介绍一下基于声明的认证。

而 AuthenticationProperties 属性用来表示证书颁发的相关信息，如颁发时间，过期时间，重定向地址等等：

public class AuthenticationProperties
{
    public IDictionary<string, string> Items { get; }

    public string RedirectUri
    {
        get
        {
            string value;
            return Items.TryGetValue(RedirectUriKey, out value) ? value : null;
        }
        set
        {
            if (value != null) Items[RedirectUriKey] = value;
            else
            {
                if (Items.ContainsKey(RedirectUriKey)) Items.Remove(RedirectUriKey);
            }
        }
    }

    ...
}

在上面最开始介绍的HttpContext中的 GetTokenAsync 扩展方法便是对AuthenticationProperties的扩展：

public static class AuthenticationTokenExtensions
{
    private static string TokenNamesKey = ".TokenNames";
    private static string TokenKeyPrefix = ".Token.";

    public static void StoreTokens(this AuthenticationProperties properties, IEnumerable<AuthenticationToken> tokens) {}
    public static bool UpdateTokenValue(this AuthenticationProperties properties, string tokenName, string tokenValue) {}
    public static IEnumerable<AuthenticationToken> GetTokens(this AuthenticationProperties properties) { }

    public static string GetTokenValue(this AuthenticationProperties properties, string tokenName)
    {
        var tokenKey = TokenKeyPrefix + tokenName;
        return properties.Items.ContainsKey(tokenKey) ? properties.Items[tokenKey] : null;
    }

    public static Task<string> GetTokenAsync(this IAuthenticationService auth, HttpContext context, string tokenName)
        => auth.GetTokenAsync(context, scheme: null, tokenName: tokenName);

    public static async Task<string> GetTokenAsync(this IAuthenticationService auth, HttpContext context, string scheme, string tokenName)
    {
        var result = await auth.AuthenticateAsync(context, scheme);
        return result?.Properties?.GetTokenValue(tokenName);
    }
}

如上，Token扩展只是对AuthenticationProperties中的 Items 属性进行添加和读取。

IClaimsTransformation

IClaimsTransformation 用来对由我们的应用程序传入的 ClaimsPrincipal 进行转换，它只定义了一个 Transform 方法：

public interface IClaimsTransformation
{
    Task<ClaimsPrincipal> TransformAsync(ClaimsPrincipal principal);
}

其默认实现，不做任何处理，直接返回。它适合于全局的为 ClaimsPrincipal 添加一些预定义的声明，如添加当前时间等，然后在DI中把我们的实现注册进去即可。

Usage

下面我们演示一下 ASP.NET Core 认证系统的实际用法：

首先，我们要定义一个Handler:

public class MyHandler : IAuthenticationHandler, IAuthenticationSignInHandler, IAuthenticationSignOutHandler
{
    public AuthenticationScheme Scheme { get; private set; }
    protected HttpContext Context { get; private set; }

    public Task InitializeAsync(AuthenticationScheme scheme, HttpContext context)
    {
        Scheme = scheme;
        Context = context;
        return Task.CompletedTask;
    }

    public async Task<AuthenticateResult> AuthenticateAsync()
    {
        var cookie = Context.Request.Cookies["mycookie"];
        if (string.IsNullOrEmpty(cookie))
        {
            return AuthenticateResult.NoResult();
        }
        return AuthenticateResult.Success(Deserialize(cookie));
    }

    public Task ChallengeAsync(AuthenticationProperties properties)
    {
        Context.Response.Redirect("/login");
        return Task.CompletedTask;
    }

    public Task ForbidAsync(AuthenticationProperties properties)
    {
        Context.Response.StatusCode = 403;
        return Task.CompletedTask;
    }

    public Task SignInAsync(ClaimsPrincipal user, AuthenticationProperties properties)
    {
        var ticket = new AuthenticationTicket(user, properties, Scheme.Name);
        Context.Response.Cookies.Append("myCookie", Serialize(ticket));
        return Task.CompletedTask;
    }

    public Task SignOutAsync(AuthenticationProperties properties)
    {
        Context.Response.Cookies.Delete("myCookie");
        return Task.CompletedTask;
    }
}

如上，在 SignInAsync 中将用户的Claim序列化后保存到Cookie中，在 AuthenticateAsync 中从Cookie中读取并反序列化成用户Claim。

然后在DI系统中注册我们的Handler和Scheme：

public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
    services.AddAuthenticationCore(options => options.AddScheme<MyHandler>("myScheme", "demo scheme"));
}

最后，便可以通过HttpContext来调用认证系统了：

public void Configure(IApplicationBuilder app)
{
    // 登录
    app.Map("/login", builder => builder.Use(next =>
    {
        return async (context) =>
        {
            var claimIdentity = new ClaimsIdentity();
            claimIdentity.AddClaim(new Claim(ClaimTypes.Name, "jim"));
            await context.SignInAsync("myScheme", new ClaimsPrincipal(claimIdentity));
        };
    }));

    // 退出
    app.Map("/logout", builder => builder.Use(next =>
    {
        return async (context) =>
        {
            await context.SignOutAsync("myScheme");
        };
    }));

    // 认证
    app.Use(next =>
    {
        return async (context) =>
        {
            var result = await context.AuthenticateAsync("myScheme");
            if (result?.Principal != null) context.User = result.Principal;
            await next(context);
        };
    });

    // 授权
    app.Use(async (context, next) =>
    {
        var user = context.User;
        if (user?.Identity?.IsAuthenticated ?? false)
        {
            if (user.Identity.Name != "jim") await context.ForbidAsync("myScheme");
            else await next();
        }
        else
        {
            await context.ChallengeAsync("myScheme");
        }
    });

    // 访问受保护资源
    app.Map("/resource", builder => builder.Run(async (context) => await context.Response.WriteAsync("Hello, ASP.NET Core!")));
}

在这里完整演示了 ASP.NET Core 认证系统的基本用法，当然，在实际使用中要比这更加复杂，如安全性，易用性等方面的完善，但本质上也就这么多东西。

总结

本章基于 HttpAbstractions 对 ASP.NET Core 认证系统做了一个简单的介绍，但大多是一些抽象层次的定义，并未涉及到具体的实现。因为现实中有各种各样的场景无法预测，HttpAbstractions 提供了统一的认证规范，在我们的应用程序中，可以根据具体需求来灵活的扩展适合的认证方式。不过在 Security 提供了更加具体的实现方式，也包含了 Cookie, JwtBearer, OAuth, OpenIdConnect 等较为常用的认证实现。在下个系列会来详细介绍一下 ASP.NET Core 的认证与授权，更加偏向于实战，敬请期待！

ASP.NET Core 在GitHub上的开源地址为：https://github.com/aspnet，包含了100多个项目，ASP.NET Core 的核心是 HttpAbstractions ，其它的都是围绕着 HttpAbstractions 进行的扩展。本系列文章所涉及到的源码只包含 Hosting 和 HttpAbstractions ，它们两个已经构成了一个完整的 ASP.NET Core 运行时，不需要其它模块，就可以轻松应对一些简单的场景。当然，更多的时候我们还会使用比较熟悉的 Mvc 来大大提高开发速度和体验，后续再来介绍一下MVC的运行方式。