ASP.NET Core 数据保护（Data Protection 集群场景）【下】
前言
接【中篇】，在有一些场景下，我们需要对 ASP.NET Core 的加密方法进行扩展，来适应我们的需求，这个时候就需要使用到了一些 Core 提供的高级的功能。
本文还列举了在集群场景下，有时候我们需要实现自己的一些方法来对Data Protection进行分布式配置。
加密扩展
IAuthenticatedEncryptor 和 IAuthenticatedEncryptorDescriptor
IAuthenticatedEncryptor是 Data Protection 在构建其密码加密系统中的一个基础的接口。
一般情况下一个key 对应一个IAuthenticatedEncryptor，IAuthenticatedEncryptor封装了加密操作中需要使用到的秘钥材料和必要的加密算法信息等。
下面是IAuthenticatedEncryptor接口提供的两个 api方法：
Decrypt(ArraySegment<byte> ciphertext, ArraySegment<byte> additionalAuthenticatedData) : byte[]
Encrypt(ArraySegment<byte> plaintext, ArraySegment<byte> additionalAuthenticatedData) : byte[]
其中接口中的参数additionalAuthenticatedData表示在构建加密的时候提供的一些附属信息。
IAuthenticatedEncryptorDescriptor接口提供了一个创建包含类型信息IAuthenticatedEncryptor实例方法。
CreateEncryptorInstance() : IAuthenticatedEncryptor
ExportToXml() : XmlSerializedDescriptorInfo
密钥管理扩展
在密钥系统管理中，提供了一个基础的接口IKey，它包含以下属性：
Activation
creation
expiration dates
Revocation status
Key identifier (a GUID)
IKey还提供了一个创建IAuthenticatedEncryptor实例的方法CreateEncryptorInstance。
IKeyManager接口提供了一系列用来操作Key的方法，包括存储，检索操作等。他提供的高级操作有：
创建一个Key 并且持久存储
从存储库中获取所有的 Key
撤销保存到存储中的一个或多个键
XmlKeyManager
通常情况下，开发人员不需要去实现IKeyManager来自定义一个 KeyManager。我们可以使用系统默认提供的XmlKeyManager类。
XMLKeyManager是一个具体实现IKeyManager的类，它提供了一些非常有用的方法。
public sealed class XmlKeyManager : IKeyManager, IInternalXmlKeyManager
{
public XmlKeyManager(IXmlRepository repository, IAuthenticatedEncryptorConfiguration configuration, IServiceProvider services);
public IKey CreateNewKey(DateTimeOffset activationDate, DateTimeOffset expirationDate);
public IReadOnlyCollection<IKey> GetAllKeys();
public CancellationToken GetCacheExpirationToken();
public void RevokeAllKeys(DateTimeOffset revocationDate, string reason = null);
public void RevokeKey(Guid keyId, string reason = null);
}
IAuthenticatedEncryptorConfiguration 主要是规定新 Key 使用的算法。
IXmlRepository 主要控制 Key 在哪里持久化存储。
IXmlRepository
IXmlRepository接口主要提供了持久化以及检索XML的方法，它只要提供了两个API:
GetAllElements() : IReadOnlyCollection
StoreElement(XElement element, string friendlyName)
我们可以通过实现IXmlRepository接口的StoreElement方法来定义data protection xml的存储位置。
GetAllElements来检索所有存在的加密的xml文件。
接口部分写到这里吧，因为这一篇我想把重点放到下面，更多接口的介绍大家还是去官方文档看吧～
集群场景
上面的API估计看着有点枯燥，那我们就来看看我们需要在集群场景下借助于Data Protection来做点什么吧。
就像我在【上篇】总结中末尾提到的，在做分布式集群的时候，Data Protection的一些机制我们需要知道，因为如果不了解这些可能会给你的部署带来一些麻烦，下面我们就来看看吧。
在做集群的时，我们必须知道并且明白关于 ASP.NET Core Data Protection 的三个东西：
1、程序识别者
“Application discriminator”，它是用来标识应用程序的唯一性。
为什么需要这个东西呢？因为在集群环境中，如果不被具体的硬件机器环境所限制，就要排除运行机器的一些差异，就需要抽象出来一些特定的标识，来标识应用程序本身并且使用该标识来区分不同的应用程序。这个时候，我们可以指定ApplicationDiscriminator。
在services.AddDataProtection(DataProtectionOptions option)的时候，ApplicationDiscriminator可以作为参数传递，来看一下代码：
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.AddDataProtection();
services.AddDataProtection(DataProtectionOptions option);
}
//===========扩展方法如下：
public static class DataProtectionServiceCollectionExtensions
{
public static IDataProtectionBuilder AddDataProtection(this IServiceCollection services);
//具有可传递参数的重载，在集群环境中需要使用此项配置
public static IDataProtectionBuilder AddDataProtection(this IServiceCollection services, Action<DataProtectionOptions> setupAction);
}
// DataProtectionOptions 属性：
public class DataProtectionOptions
{
public string ApplicationDiscriminator { get; set; }
}
可以看到这个扩展返回的是一个IDataProtectionBuilder，在IDataProtectionBuilder还有一个扩展方法叫 SetApplicationName ,这个扩展方法在内部还是修改的ApplicationDiscriminator的值。也就说以下写法是等价的：
services.AddDataProtection(x => x.ApplicationDiscriminator = "my_app_sample_identity");
services.AddDataProtection().SetApplicationName("my_app_sample_identity");
也就是说集群环境下同一应用程序他们需要设定为相同的值（ApplicationName or ApplicationDiscriminator）。
2、主加密键
“Master encryption key”，主要是用来加密解密的，包括一客户端服务器在请求的过程中的一些会话数据，状态等。有几个可选项可以配置，比如使用证书或者是windows DPAPI或者注册表等。如果是非windows平台，注册表和Windows DPAPI就不能用了。
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.AddDataProtection()
//windows dpaip 作为主加密键
.ProtectKeysWithDpapi()
//如果是 windows 8+ 或者windows server2012+ 可以使用此选项（基于Windows DPAPI-NG）
.ProtectKeysWithDpapiNG("SID={current account SID}", DpapiNGProtectionDescriptorFlags.None)
//如果是 windows 8+ 或者windows server2012+ 可以使用此选项（基于证书）
.ProtectKeysWithDpapiNG("CERTIFICATE=HashId:3BCE558E2AD3E0E34A7743EAB5AEA2A9BD2575A0", DpapiNGProtectionDescriptorFlags.None)
//使用证书作为主加密键，目前只有widnows支持，linux还不支持。
.ProtectKeysWithCertificate();
}
如果在集群环境中，他们需要具有配置相同的主加密键。
3、加密后存储位置
在【上篇】的时候说过，默认情况下Data Protection会生成 xml 文件用来存储session或者是状态的密钥文件。这些文件用来加密或者解密session等状态数据。
就是上篇中说的那个私钥存储位置：
1、如果程序寄宿在 Microsoft Azure下，存储在“%HOME%\ASP.NET\DataProtection-Keys” 文件夹。
2、如果程序寄宿在IIS下，它被保存在HKLM注册表的ACLed特殊注册表键，并且只有工作进程可以访问，它使用windows的DPAPI加密。
3、如果当前用户可用，即win10或者win7中，它存储在“%LOCALAPPDATA%\ASP.NET\DataProtection-Keys”文件夹，同样使用的windows的DPAPI加密。
4、如果这些都不符合，那么也就是私钥是没有被持久化的，也就是说当进程关闭的时候，生成的私钥就丢失了。
集群环境下：
最简单的方式是通过文件共享、DPAPI或者注册表，也就是说把加密过后的xml文件都存储在相同的地方。为什么说最简单，因为系统已经给封装好了，不需要写多余的代码了，但是要保证文件共享相关的端口是开放的。如下：
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.AddDataProtection()
//windows、Linux、macOS 下可以使用此种方式 保存到文件系统
.PersistKeysToFileSystem(new System.IO.DirectoryInfo("C:\\share_keys\\"))
//windows 下可以使用此种方式 保存到注册表
.PersistKeysToRegistry(Microsoft.Win32.RegistryKey.FromHandle(null))
}
你也可以自己扩展方法来自己定义一些存储，比如使用数据库或者Redis等。
不过通常情况下，如果在linux上部署的话，都是需要扩展的。下面来看一下我们想要用redis存储，该怎么做呢？
如何扩展加密键集合的存储位置？
首先，定义个针对IXmlRepository接口的 redis 实现类RedisXmlRepository.cs：
public class RedisXmlRepository : IXmlRepository, IDisposable
{
public static readonly string RedisHashKey = "DataProtectionXmlRepository";
private IConnectionMultiplexer _connection;
private bool _disposed = false;
public RedisXmlRepository(string connectionString, ILogger<RedisXmlRepository> logger)
: this(ConnectionMultiplexer.Connect(connectionString), logger)
{
}
public RedisXmlRepository(IConnectionMultiplexer connection, ILogger<RedisXmlRepository> logger)
{
if (connection == null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(connection));
}
if (logger == null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(logger));
}
this._connection = connection;
this.Logger = logger;
var configuration = Regex.Replace(this._connection.Configuration, @"password\s*=\s*[^,]*", "password=****", RegexOptions.IgnoreCase);
this.Logger.LogDebug("Storing data protection keys in Redis: {RedisConfiguration}", configuration);
}
public ILogger<RedisXmlRepository> Logger { get; private set; }
public void Dispose()
{
this.Dispose(true);
}
public IReadOnlyCollection<XElement> GetAllElements()
{
var database = this._connection.GetDatabase();
var hash = database.HashGetAll(RedisHashKey);
var elements = new List<XElement>();
if (hash == null || hash.Length == 0)
{
return elements.AsReadOnly();
}
foreach (var item in hash.ToStringDictionary())
{
elements.Add(XElement.Parse(item.Value));
}
this.Logger.LogDebug("Read {XmlElementCount} XML elements from Redis.", elements.Count);
return elements.AsReadOnly();
}
public void StoreElement(XElement element, string friendlyName)
{
if (element == null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(element));
}
if (string.IsNullOrEmpty(friendlyName))
{
friendlyName = Guid.NewGuid().ToString();
}
this.Logger.LogDebug("Storing XML element with friendly name {XmlElementFriendlyName}.", friendlyName);
this._connection.GetDatabase().HashSet(RedisHashKey, friendlyName, element.ToString());
}
protected virtual void Dispose(bool disposing)
{
if (!this._disposed)
{
if (disposing)
{
if (this._connection != null)
{
this._connection.Close();
this._connection.Dispose();
}
}
this._connection = null;
this._disposed = true;
}
}
}
然后任意一个扩展类中先定义一个扩展方法：
public static IDataProtectionBuilder PersistKeysToRedis(this IDataProtectionBuilder builder, string redisConnectionString)
{
if (builder == null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(builder));
}
if (redisConnectionString == null)
{
throw new ArgumentNullException(nameof(redisConnectionString));
}
if (redisConnectionString.Length == 0)
{
throw new ArgumentException("Redis connection string may not be empty.", nameof(redisConnectionString));
}
//因为在services.AddDataProtection()的时候，已经注入了IXmlRepository，所以应该先移除掉
//此处应该封装成为一个方法来调用，为了读者好理解，我就直接写了
for (int i = builder.Services.Count - 1; i >= 0; i--)
{
if (builder.Services[i]?.ServiceType == descriptor.ServiceType)
{
builder.Services.RemoveAt(i);
}
}
var descriptor = ServiceDescriptor.Singleton<IXmlRepository>(services => new RedisXmlRepository(redisConnectionString, services.GetRequiredService<ILogger<RedisXmlRepository>>()))
builder.Services.Add(descriptor);
return builder.Use();
}
最终Services中关于DataProtection是这样的：
public void ConfigureServices(IServiceCollection services)
{
services.AddDataProtection()
// ================以下是唯一标识==============
//设置应用程序唯一标识
.SetApplicationName("my_app_sample_identity");
// =============以下是主加密键===============
//windows dpaip 作为主加密键
.ProtectKeysWithDpapi()
//如果是 windows 8+ 或者windows server2012+ 可以使用此选项（基于Windows DPAPI-NG）
.ProtectKeysWithDpapiNG("SID={current account SID}", DpapiNGProtectionDescriptorFlags.None)
//如果是 windows 8+ 或者windows server2012+ 可以使用此选项（基于证书）
.ProtectKeysWithDpapiNG("CERTIFICATE=HashId:3BCE558E2AD3E0E34A7743EAB5AEA2A9BD2575A0", DpapiNGProtectionDescriptorFlags.None)
//使用证书作为主加密键，目前只有widnows支持，linux还不支持。
.ProtectKeysWithCertificate();
// ==============以下是存储位置=================
//windows、Linux、macOS 下可以使用此种方式 保存到文件系统
.PersistKeysToFileSystem(new System.IO.DirectoryInfo("C:\\share_keys\\"))
//windows 下可以使用此种方式 保存到注册表
.PersistKeysToRegistry(Microsoft.Win32.RegistryKey.FromHandle(null))
// 存储到redis
.PersistKeysToRedis(Configuration.Section["RedisConnection"])
}
在上面的配置中，我把所有可以使用的配置都列出来了哦，实际项目中应该视实际情况选择。
总结
关于ASP.NET Core Data Protection 系列终于写完了，其实这这部分花了蛮多时间的，对于Data Protection来说我也是一个循循渐进的学习过程，希望能帮助到一些人。