双因素认证2FA

2018-10-24 约 1725 字预计阅读 4 分钟

2FA 概念

认证（authentication）即是确认用户身份，密码是最常见的认证方法。但是密码容易泄露和冒充，因此越来越多的网站开始采用双因素认证（Two-factor authentication，简称 2FA）。即通过使用除密码外的其他因素，来确认用户身份，增加冒充的难度。

常用的认证因素可以分为以下几类：

秘密信息：只有该用户知道、其他人不知道的某种信息，比如密码。
个人物品：该用户的私人物品，比如身份证、钥匙、U 盾等。
生理特征：该用户的遗传特征，比如指纹、相貌、虹膜等等。

因素越多，证明力就越强，身份就越可靠。要求更高的的系统可以采用多因素认证（MFA）。

2FA 认证方案

常见的 2FA 认证方案有：

基于硬件的方式，密码 + 某种个人物品，例如网银 U 盾、智能卡等，缺点要随身携带；
基于手机 SMS 的方式，密码 + 短信验证码，缺点是容易被拦截和伪造（ss7信令漏洞），手机丢失或更换手机号成本较高；
基于一次性密码（One Time Password，简称OTP）；

OTP 密码不易泄露，即是泄漏也难以受到重放攻击，另外其公开协议 + 高强度算法方式也难以猜测，是 2FA 方案的首选。

OTP 有两种：

HOTP（HMAC-Based One-Time Password）基于 HMAC 的一次性密码，使用计数器计算下一个密码值。标准写入 RFC4226；
TOTP（Time-Based One-Time Password）基于时间的一次性密码，使用时间计算下一个密码值。标准写入 RFC6238；

TOTP 从 HOTP 发展而来，目前已经成为主流的验证方式。

TOTP

使用步骤

用户开启双因素认证后，服务器生成一个密钥；
服务器提示用户扫描二维码（或其他方式），用户保存该密钥到硬件生成器或软件生成器中，此时服务器和用户拥有了相同的密钥；
用户登录时，手机客户端使用这个密钥和当前时间戳，生成一个哈希，有效期默认为30秒。用户在有效期内，把这个哈希提交给服务器。
服务器也使用密钥和当前时间戳，生成一个哈希，跟用户提交的哈希比对。只要两者不一致，就拒绝登录。

实际应用过程中，还要做到：

提供备用的固定哈希代码，用于 TOTP 密钥丢失的情况；
在第2步用户绑定密钥时，就让用户输入一次哈希，验证绑定正确，用户与服务器使用了同一个密钥。

算法原理

首先计算时间计数器 TC，TOTP 用 TC 代替了 HOTP 中的计数器。

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TC = floor((unixtime(now) − unixtime(T0)) / TS)

unixtime(now)是当前 Unix 时间戳，unixtime(T0)是约定的起始时间点的时间戳，默认是0，也就是1970年1月1日。TS 则是哈希有效期的时间长度，默认是30秒。通过整除，能够保证在 30 秒内，TC 都是同一个值。

然后使用 TC 计算哈希：

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TOTP = HASH(SecretKey, TC)

HASH就是约定的哈希函数，默认是 SHA-1。

根据TOTP的算法特性，服务器时间与 TOTP 客户端时间差如果超过 TC ，那么一定无法生成一致的哈希。实际应用中最好能够保持时间同步。

TOTP 客户端

TOTP 客户端可以分为 TOTP 硬件生成器和 TOTP 软件生成器。软件生成器与硬件生成器相比，优势在于：

可以绑定多个密钥；
可以方便的绑定解绑；
时间准确性高；

常用 TOTP 软件生成器：

Google Authenticator
Microsoft Authenticator（可为微软系网站生成8位字符令牌，为其他网站生成6位字符令牌）
FreeOTP

服务端 Python 实现

Python 可以选择使用 PyOTP 库，该库实现了 HOTP 和 TOTP。可以通过 pip 安装：

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pip install pyotp

TOTP 示例：

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totp = pyotp.TOTP('base32secret3232')	# 字符串长度一定要是16

totp.now() # => '492039'

# OTP verified for current time
totp.verify('492039') # => True
time.sleep(30)
totp.verify('492039') # => False

HOTP 示例：

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hotp = pyotp.HOTP('base32secret3232')	# 字符串长度一定要是16

# HOTP 计算时要传入计数值
hotp.at(0) # => '260182'
hotp.at(1) # => '055283'
hotp.at(1401) # => '316439'

# OTP verified with a counter
hotp.verify('316439', 1401) # => True
hotp.verify('316439', 1402) # => False

生成 base32 随机密钥：

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# 返回 16 长度的 base32 密钥，与 Google Authenticator 和其他 OTP 客户端兼容
pyotp.random_base32()

生成 Google Authenticator 兼容链接：

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totp = pyotp.TOTP('JBSWY3DPEHPK3PXP')
totp.provisioning_uri("[email protected]", issuer_name="Secure App")

>>> 'otpauth://totp/Secure%20App:alice%40google.com?secret=JBSWY3DPEHPK3PXP&issuer=Secure%20App'

hotp = pyotp.HOTP('JBSWY3DPEHPK3PXP')
hotp.provisioning_uri("[email protected]", initial_count=0, issuer_name="Secure App")

>>> 'otpauth://hotp/Secure%20App:alice%40google.com?secret=JBSWY3DPEHPK3PXP&issuer=Secure%20App&counter=0'

Google Authenticator 需要传入账户名称和签发机构 issuer_name 参数。得到的链接可以生成二维码供 Google Authenticator 扫描。

2FA 缺点

双因素认证有一个最大的问题，那就是帐户的恢复。一旦密钥丢失，想要恢复登录，势必就要绕过双因素认证，这就形成了一个安全漏洞。除非准备两套双因素认证，一套用来登录，另一套用来恢复账户（前文所说的备用哈希代码）。

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