[信息安全] 4.一次性密碼 && 身份認證三要素

本文轉載自查看原文 2017-07-23 14:24 2993 TOTP/ [信息安全]/ HOTP/ 2SV/ MFA/ OTP/ 2FA

在信息安全領域，一般把Cryptography稱為密碼，而把Password稱為口令。日常用戶的認知中，以及我們開發人員溝通過程中，絕大多數被稱作密碼的東西其實都是Password（口令），而不是真正意義上的密碼。本文保持這種語義，采用密碼來代指Password，而當密碼和口令同時出現時，用英文表示以示區分。

0. OTP一次性密碼

OTP是One Time Password的簡寫，即一次性密碼。在平時生活中，我們接觸一次性密碼的場景非常多，比如在登錄賬號、找回密碼，更改密碼和轉賬操作等等這些場景，其中一些常用到的方式有：

手機短信+短信驗證碼；
郵件+郵件驗證碼；
認證器軟件+驗證碼，比如Microsoft Authenticator App，Google Authenticator App等等；
硬件+驗證碼：比如網銀的電子密碼器；

這些場景的流程一般都是在用戶提供了賬號+密碼的基礎上，讓用戶再提供一個一次性的驗證碼來提供一層額外的安全防護。通常情況下，這個驗證碼是一個6-8位的數字，只能使用一次或者僅在很短的時間內可用（比如5分鍾以內）。

1. HOTP基於消息認證碼的一次性密碼

HOTP是HMAC-Based One Time Password的縮寫，即是基於HMAC（基於Hash的消息認證碼）實現的一次性密碼。算法細節定義在RFC4226（https://tools.ietf.org/html/rfc4226），算法公式為： HOTP(Key,Counter) ，拆開是 Truncate(HMAC-SHA-1(Key,Counter)) 。

Key：密鑰；
Counter：一個計數器；
HMAC-SHA-1：基於SHA1的HMAC算法的一個函數，返回MAC的值，MAC是一個20bytes（160bits）的字節數組；
Truncate：一個截取數字的函數，以3中的MAC為參數，按照指定規則，得到一個6位或者8位數字（位數太多的話不方便用戶輸入，太少的話又容易被暴力猜測到）；

C#實現基於HMAC的OTP的代碼：

 1 public static string HOTP(byte[] key, byte[] counter, int length = 6)
 2 {
 3     var hmac = counter.ToHMACSHA1(key);
 4 
 5     var offset = hmac[hmac.Length - 1] & 0xF;
 6 
 7     var b1 = (hmac[offset] & 0x7F) << 24;
 8     var b2 = (hmac[offset + 1] & 0xFF) << 16;
 9     var b3 = (hmac[offset + 2] & 0xFF) << 8;
10     var b4 = (hmac[offset + 3] & 0xFF);
11 
12     var code = b1 | b2 | b3 | b4;
13 
14     var value = code % (int)Math.Pow(10, length);
15 
16     return value.ToString().PadLeft(length, '0');
17 }

調用一下試試看：

1 //密鑰key
2 var key = "lnh_key".ToBytes(Encoding.UTF8);
3 //計數器
4 var counter = "lnh_counter".ToBytes(Encoding.UTF8);
5 //otp6=752378
6 var otp6 = SecurityHelper.HOTP(key, counter,6);
7 //otp8=49752378
8 var otp8 = SecurityHelper.HOTP(key, counter, 8);

其中key是HOTP算法需要的一個密鑰（不可泄露）；counter是每次生成HOTP的時候使用的計數器，使用一次就更換一個。然后就可以用來生成OTP了，第一此截取了6位，第二此截取了8位。

2. TOTP基於時間的一次性密碼

TOTP是Time-Based One Time Password的縮寫。TOTP是在HOTP的基礎上擴展的一個算法，算法細節定義在RFC6238(https://tools.ietf.org/html/rfc6238)，其核心在於把HOTP中的counter換成了時間T，可以簡單的理解為一個當前時間的時間戳（unixtime）。一般實際應用中會固定一個時間的步長，比如30秒，60秒，120秒等等，也就是說再這個步長的時間內，基於TOTP算法算出的OTP值是一樣的。廢話不多說，看看TOTP算法的核心代碼：

1 public static string TOTP(byte[] key, int step = 60, int length = 6)
2 {
3     var unixTime = (DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1, 0, 0, 0, 0, DateTimeKind.Utc)).TotalSeconds;
4     var counter = ((int)unixTime) / step;
5     var counterBytes = BitConverter.GetBytes(counter);
6     return HOTP(key, counterBytes, length);
7 }

調用一下試試看：

//密鑰key
var key = "lnh_key".ToBytes(Encoding.UTF8);
//在10秒內生成，otp是一樣的
for (var i = 0; i < 100; i++)
{
    var otp = SecurityHelper.TOTP(key, 10, 6);
    Console.WriteLine(otp);
    Thread.Sleep(1000);
}

3. 身份認證三要素

首先解釋下什么是身份認證？其實很簡單，就是讓對方相信你就是你。那么如何讓對方相信你就是你呢？按照你能提供的信息的等級來划分，大致有如下三種信息可以證明你就是你自己：

你所知道的信息：比如我們最廣泛使用的“用戶名+密碼”，因為只有你自己知道“用戶名+密碼”這個信息組合，那么當你把這個組合提供給我的時候，我就可以相信你就是你。
你所擁有的信息：假如你的“用戶名+密碼”泄露給了第三方，這個時候你就會有被第三方冒充的危險了。怎么辦呢，再進一步提供一個只有你自己擁有的信息，即可防止被第三方冒充的危險。
你所獨有的信息：再假設一下，你擁有的信息也被泄露給了第三方，這個時候你又會面臨被冒充的危險。再進一步，提供一個只有你自己所獨有的的信息，比如你的指紋，虹膜，面部特征等等。

3.1 2SV 兩步驗證（Two Steps Verification）

兩步驗證現在是一個再加強認證安全方面廣泛使用的一個解決方案。比如Google的2SV（https://www.google.com/landing/2step/），Microsoft的2SV（https://support.microsoft.com/zh-cn/help/12408/microsoft-account-about-two-step-verification）等等，通常的做法是當用戶輸入了"用戶名+密碼"的基礎上，會讓用戶再提供一個一次性密碼（以短信、郵件，或者動態密碼生成器app的方式發放給用戶）。再有比如在一些服務中需要用戶額外設置的安全問題，比如“你的出生地在哪？”等等此類。

3.2 2FA雙因素認證（Two Factor Authentication）

2SV有個孿生兄弟2FA（雙因素認證：Two Factor Authentication），那么關於2SV和2FA有什么區別呢，比如讓用戶在“用戶名+密碼”的基礎上提供的額外的一次性密碼，關於這個一次性密碼到底是屬於“你所知道的信息”還是“你所擁有的信息”呢？並沒有明顯的區分界限，有興趣的可以看看這里的討論：https://security.stackexchange.com/questions/41939/two-step-vs-two-factor-authentication-is-there-a-difference 。如果你覺得這個一次性密碼屬於“你所知道的信息”，那么你可以認為它是2SV；如果你覺得這個一次性密碼屬於“你所擁有的信息”，那么你可以認為它是2FA。

總結來說，2FA就是使用了身份認證中的2個要素。