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,更新于 2023-03-18T18:00:58Z+08:00 by   915fbfa

[信息安全] 04 一次性密码 & 身份认证

版权声明 - CC BY-NC-SA 4.0

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。

1 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)。

2. 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。

3 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);
}
基于时间的一次性密码

4 身份认证

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。

4.1 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。

4.2 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。

5 总结

简单的介绍了下一次性密码的原理以及其应用场景。如有错误之处,欢迎指正!

6 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

6.1 示例

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

Example: https://authenticator.ppl.family/

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