[信息安全] 4.一次性密码 && 身份认证三要素

在信息安全领域，一般把Cryptography称为密码，而把Password称为口令。日常用户的认知中，以及我们开发人员沟通过程中，绝大多数被称作密码的东西其实都是Password（口令），而不是真正意义上的密码。本文保持这种语义，采用密码来代指Password，而当密码和口令同时出现时，用英文表示以示区分。

0. OTP一次性密码

OTP是One Time Password的简写，即一次性密码。在平时生活中，我们接触一次性密码的场景非常多，比如在登录账号、找回密码，更改密码和转账操作等等这些场景，其中一些常用到的方式有：

1. 手机短信+短信验证码；
2. 邮件+邮件验证码；
3. 认证器软件+验证码，比如Microsoft Authenticator App，Google Authenticator App等等；
4. 硬件+验证码：比如网银的电子密码器；

这些场景的流程一般都是在用户提供了账号+密码的基础上，让用户再提供一个一次性的验证码来提供一层额外的安全防护。通常情况下，这个验证码是一个6-8位的数字，只能使用一次或者仅在很短的时间内可用（比如5分钟以内）。

1. HOTP基于消息认证码的一次性密码

HOTP是HMAC-Based One Time Password的缩写，即是基于HMAC（基于Hash的消息认证码）实现的一次性密码。算法细节定义在RFC4226（https://tools.ietf.org/html/rfc4226），算法公式为： HOTP(Key,Counter)  ，拆开是 Truncate(HMAC-SHA-1(Key,Counter)) 。

1. Key：密钥；
2. Counter：一个计数器；
3. HMAC-SHA-1：基于SHA1的HMAC算法的一个函数，返回MAC的值，MAC是一个20bytes（160bits）的字节数组；
4. Truncate：一个截取数字的函数，以3中的MAC为参数，按照指定规则，得到一个6位或者8位数字（位数太多的话不方便用户输入，太少的话又容易被暴力猜测到）；

C#实现基于HMAC的OTP的代码：

public static string HOTP(byte[] key, byte[] counter, int length = 6)
{
    var hmac = counter.ToHMACSHA1(key);

    var offset = hmac[hmac.Length - 1] & 0xF;

    var b1 = (hmac[offset] & 0x7F) << 24;
    var b2 = (hmac[offset + 1] & 0xFF) << 16;
    var b3 = (hmac[offset + 2] & 0xFF) << 8;
    var b4 = (hmac[offset + 3] & 0xFF);

    var code = b1 | b2 | b3 | b4;

    var value = code % (int)Math.Pow(10, length);

    return value.ToString().PadLeft(length, '0');
}

调用一下试试看：

//密钥key
var key = "lnh_key".ToBytes(Encoding.UTF8);
//计数器
var counter = "lnh_counter".ToBytes(Encoding.UTF8);
//otp6=752378
var otp6 = SecurityHelper.HOTP(key, counter,6);
//otp8=49752378
var otp8 = SecurityHelper.HOTP(key, counter, 8);

其中key是HOTP算法需要的一个密钥（不可泄露）；counter是每次生成HOTP的时候使用的计数器，使用一次就更换一个。然后就可以用来生成OTP了，第一此截取了6位，第二此截取了8位。

2. TOTP基于时间的一次性密码

TOTP是Time-Based One Time Password的缩写。TOTP是在HOTP的基础上扩展的一个算法，算法细节定义在RFC6238(https://tools.ietf.org/html/rfc6238)，其核心在于把HOTP中的counter换成了时间T，可以简单的理解为一个当前时间的时间戳（unixtime）。一般实际应用中会固定一个时间的步长，比如30秒，60秒，120秒等等，也就是说再这个步长的时间内，基于TOTP算法算出的OTP值是一样的。废话不多说，看看TOTP算法的核心代码：

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

调用一下试试看：

//密钥key
var key = "lnh_key".ToBytes(Encoding.UTF8);
//在10秒内生成，otp是一样的
for (var i = 0; i < 100; i++)
{
    var otp = SecurityHelper.TOTP(key, 10, 6);
    Console.WriteLine(otp);
    Thread.Sleep(1000);
}

3. 身份认证三要素

首先解释下什么是身份认证？其实很简单，就是让对方相信你就是你。那么如何让对方相信你就是你呢？按照你能提供的信息的等级来划分，大致有如下三种信息可以证明你就是你自己：

1. 你所知道的信息：比如我们最广泛使用的“用户名+密码”，因为只有你自己知道“用户名+密码”这个信息组合，那么当你把这个组合提供给我的时候，我就可以相信你就是你。
2. 你所拥有的信息：假如你的“用户名+密码”泄露给了第三方，这个时候你就会有被第三方冒充的危险了。怎么办呢，再进一步提供一个只有你自己拥有的信息，即可防止被第三方冒充的危险。
3. 你所独有的信息：再假设一下，你拥有的信息也被泄露给了第三方，这个时候你又会面临被冒充的危险。再进一步，提供一个只有你自己所独有的的信息，比如你的指纹，虹膜，面部特征等等。

3.1 2SV 两步验证（Two Steps Verification）

两步验证现在是一个再加强认证安全方面广泛使用的一个解决方案。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，通常的做法是当用户输入了"用户名+密码"的基础上，会让用户再提供一个一次性密码（以短信、邮件，或者动态密码生成器app的方式发放给用户）。再有比如在一些服务中需要用户额外设置的安全问题，比如“你的出生地在哪？”等等此类。

3.2 2FA双因素认证（Two Factor Authentication）

2SV有个孪生兄弟2FA（双因素认证：Two Factor Authentication），那么关于2SV和2FA有什么区别呢，比如让用户在“用户名+密码”的基础上提供的额外的一次性密码，关于这个一次性密码到底是属于“你所知道的信息”还是“你所拥有的信息”呢？并没有明显的区分界限，有兴趣的可以看看这里的讨论：https://security.stackexchange.com/questions/41939/two-step-vs-two-factor-authentication-is-there-a-difference 。 如果你觉得这个一次性密码属于“你所知道的信息”，那么你可以认为它是2SV；如果你觉得这个一次性密码属于“你所拥有的信息”，那么你可以认为它是2FA。

总结来说，2FA就是使用了身份认证中的2个要素。

总结 & 参考

简单的介绍了下一次性密码的原理以及其应用场景，完整的代码请移步：https://github.com/linianhui/code/blob/master/src/SecurityHelper.cs 。如有错误之处，欢迎指正！

参考资料

OTP（One Time Password）Wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/One-time_password

One Time Password System：https://tools.ietf.org/html/rfc2289

HOTP（HMAC-Based One Time Password） Wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/HMAC-based_One-time_Password_Algorithm

HOTP（HMAC-Based One Time Password）RFC：https://tools.ietf.org/html/rfc4226

TOTP（Time-Based One Time Password）Wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/Time-based_One-time_Password_Algorithm

TOTP（Time-Based One Time Password）RFC：https://tools.ietf.org/html/rfc6238

2SV vs 2FA (1)：https://security.stackexchange.com/questions/41939/two-step-vs-two-factor-authentication-is-there-a-difference

2SV vs 2FA (2)：https://paul.reviews/the-difference-between-two-factor-and-two-step-authentication/

MFA/2FA（Multi Factor Authentication） Wiki：https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-factor_authentication

示例

Google Authenticator : https://github.com/google/google-authenticator/wiki

DEMO: https://authenticator.ppl.family/