双因子认证解决方案

什么叫双因子认证？

通俗的讲，一般的认证方式都是用户名/密码的方式，也就是只有密码这一个因子来作认证，双因子无非是增加一个因子，增强认证的安全性。

常见解决方案

• 短信方式
• 邮件方式
• 电话语音方式
• TOTP解决方案

前三种方案，其实都大同小异。Server端通过某种算法生成一段随机密码，通过短信、邮件或者电话的方式传递给用户，用户把随机密码作为登录的凭证传递给Server，Server验证通过之后，就完成了一次双因子认证。但是短信和电话语音对于运营公司是有一定的成本的，除此之外有些非互联网的应用可能并不通公网，这种情况下，TOTP不失为一种好的双因子认证的解决方案。

什么是TOTP？

是Time-based One-Time Password的简写，表示基于时间戳算法的一次性密码。

如果大家玩过梦幻西游的话，那么对将军令应该不陌生，这个就是基于TOTP的一个产物。

OTP

介绍TOTP之前，先介绍下OTP

One-Time Password的简写，表示一次性密码。

OTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

其中，K代表密钥串；C是一个数字，表示随机数；HMAC-SHA-1表示用SHA-1做HMAC；

Truncate是一个函数，用于截取加密后的串，并取加密后串的一些字段组成一个数字。

对HMAC-SHA-1方式加密来说，Truncate实现如下：

• HMAC-SHA-1加密后的长度得到一个20字节的密串；
• 取这个20字节的密串的最后一个字节，取这字节的低4位，作为截取加密串的下标偏移量；
• 按照下标偏移量开始，获取4个字节，以大端（把高位字节放在低位地址）的方式组成一个整数；
• 截取这个整数的后6位或者8位转成字符串返回。

 public static String generateOTP(String K,
                                      String C,
                                      String returnDigits,
                                      String crypto){
        int codeDigits = Integer.decode(returnDigits).intValue();
        String result = null;
 
        // K是密码
        // C是产生的随机数
        // crypto是加密算法 HMAC-SHA-1
        byte[] hash = hmac_sha(crypto, K, C);
        // hash为20字节的字符串
 
        // put selected bytes into result int
        // 获取hash最后一个字节的低4位，作为选择结果的开始下标偏移
        int offset = hash[hash.length - 1] & 0xf;
 
        // 获取4个字节组成一个整数，其中第一个字节最高位为符号位，不获取，使用0x7f
        int binary =
                ((hash[offset] & 0x7f) << 24) |
                ((hash[offset + 1] & 0xff) << 16) |
                ((hash[offset + 2] & 0xff) << 8) |
                (hash[offset + 3] & 0xff);
        // 获取这个整数的后6位（可以根据需要取后8位）
        int otp = binary % 1000000;
        // 将数字转成字符串，不够6位前面补0
        result = Integer.toString(otp);
        while (result.length() < codeDigits) {
            result = "0" + result;
        }
        return result;
    }

返回的结果就是看到一个数字的动态密码。

HOTP

知道了OTP的基本原理，HOTP只是将其中的参数C变成了随机数

公式修改一下

HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

HOTP： Generates the OTP for the given count

即：C作为一个参数，获取动态密码。

一般规定HOTP的散列函数使用SHA2，即：基于SHA-256 or SHA-512 [SHA2] 的散列函数做事件同步验证；

TOTP详解

TOTP只是将其中的参数C变成了由时间戳产生的数字。

TOTP(K,C) = HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

不同点是TOTP中的C是时间戳计算得出。

C = (T - T0) / X;

T 表示当前Unix时间戳

T0一般取值为 0.

X 表示时间步数，也就是说多长时间产生一个动态密码，这个时间间隔就是时间步数X，系统默认是30秒；

例如:

T0 = 0;

X = 30;

T = 30 ~ 59, C = 1; 表示30 ~ 59 这30秒内的动态密码一致。

T = 60 ~ 89, C = 2; 表示30 ~ 59 这30秒内的动态密码一致。

不同厂家使用的时间步数不同;

• 阿里巴巴的身份宝使用的时间步数是60秒；
• 宁盾令牌使用的时间步数是60秒；
• Google的 身份验证器的时间步数是30秒；
• 腾讯的Token时间步数是60秒；

应用

客户端的实现有很多，上面已经列出来了。而服务端的实现库比较少，貌似也都是非官方的实现。这里推荐一个JAVA的实现库,这是一个私人的库,介意的朋友只能自己撸轮子了。

这里基于上述的实现库，给出一段demo代码，仅供参考。

package com.github.chenqimiao.util;

import java.text.MessageFormat;

import com.warrenstrange.googleauth.GoogleAuthenticator;
import com.warrenstrange.googleauth.GoogleAuthenticatorConfig;
import com.warrenstrange.googleauth.GoogleAuthenticatorConfig.GoogleAuthenticatorConfigBuilder;
import com.warrenstrange.googleauth.GoogleAuthenticatorKey;

import lombok.SneakyThrows;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

/**
 * @Auther: chenqimiao
 * @Date: 2019/8/26 22:58
 * @Description: refer https://github.com/wstrange/GoogleAuth
 */
@Slf4j
public class GoogleAuthenticatorUtils {
    // 前缀
    private static final String DEFAULT_USER_PREFIX = "TOTP_USER:";
    // 用户名|密钥|发行者
    public static final String QRCODE_TEMPLATE = "otpauth://totp/" + DEFAULT_USER_PREFIX + "{0}?secret={1}&issuer={2}";
    // 默认的发行者
    public static final String DEFAULT_ISSUER = "DAS_TOTP";

    private static final GoogleAuthenticatorConfig DEFAULT_CONFIG;

    static {
        GoogleAuthenticatorConfigBuilder builder = new GoogleAuthenticatorConfigBuilder();

        // Do something here if you want to set config for GoogleAuthenticator

        DEFAULT_CONFIG = builder.build();
    }


    public static String createQrCodeContent(String username, String secret) {
        return createQrCodeContent(username, secret, DEFAULT_ISSUER);
    }

    public static String createQrCodeContent(String username, String secret, String issuer) {
        return MessageFormat.format(QRCODE_TEMPLATE, username, secret, issuer);
    }

    public static String createSecret() {
        return createSecret(DEFAULT_CONFIG);
    }

    public static String createSecret(GoogleAuthenticatorConfig config) {
        GoogleAuthenticator gAuth = new GoogleAuthenticator(config);
        final GoogleAuthenticatorKey key = gAuth.createCredentials();
        return key.getKey();
    }

    public static boolean verify(Integer totpPwd, String secret) {

        return verify(totpPwd, secret, DEFAULT_CONFIG);
    }

    public static boolean verify(Integer totpPwd, String secret, GoogleAuthenticatorConfig config) {
        GoogleAuthenticator gAuth = new GoogleAuthenticator(config);
        return gAuth.authorize(secret, totpPwd);
    }

    public static Integer getTotpPassword(String secret) {
        return getTotpPassword(secret, DEFAULT_CONFIG);
    }

    public static Integer getTotpPassword(String secret, GoogleAuthenticatorConfig config) {
        GoogleAuthenticator gAuth = new GoogleAuthenticator(config);
        return gAuth.getTotpPassword(secret);
    }

    @SneakyThrows
    public static void main(String args[]) {
        String secret = createSecret();
        String qrcodeContent = createQrCodeContent("chenqimiao", secret);
        System.out.println("qrcodeContent is " + qrcodeContent);

        Integer totpPwd = getTotpPassword(secret);
        System.out.println("Current totp password is " + totpPwd);

        boolean result = verify(totpPwd, secret);
        System.out.println("result is " + result);

    }

qrcodeContent可以通过二维码工具生成二维码，使用Google Authenticator扫描该二维码之后，就相当于为用户绑定了一个认证器。