双因子认证（Two-factor authentication）

一、简介

简言之，双因素身份验证（也称为“两步验证”）是指身份验证涉及两个阶段——通常是除了常规密码）之外的某种一次性密码（OTP：One-Time Password）。网上银行已经使用这种方法很长一段时间了，最近这种方法也在全网流行起来。还有其他可用的方法，但基于时间的一次性密码（TOTP）非常常用。有几个移动应用程序支持该标准，Google Authenticator就是其中之一（Android、iOS）
摘抄自：https://vaadin.com/blog/two-factor-authentication-with-google-authenticator

下图就是一个使用场景。（ MFA（Multi-Factor Authentication）
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image.png

二、TOTP

1、什么是TOTP

TOTP：全称是"基于时间的一次性密码"（Time-based One-time Password）。它是公认的可靠解决方案，已经写入国际标准RFC6238。

2、TOTP的简单原理

TOTP基于具有时间戳计数器的OTP（一次性密码），其算法公式为TOTP=HMAC-SHA-1(K, (T - T0)/X)，其中K为共享密钥，T为当前时间戳，T0为开始的时间戳，X为时间步长（或者叫时间窗口）。

  1. **密钥生成：**在为帐户设置TOTP时，将生成一个唯一的密钥。该密钥在用户设备和认证服务器之间共享。
  2. **时间同步：**用户设备和认证服务器需要同步到相同的时间源。TOTP算法依赖于当前时间来生成一次性密码。
  3. **OTP生成：**TOTP算法将密钥和当前时间结合起来，应用Hash函数生成一次性密码。此密码通常包含6-8位数字，并具有有限的有效期，例如30或60秒。
  4. **OTP验证：**当用户尝试登录时，输入常规密码以及由TOTP应用程序或设备生成的一次性密码。然后，认证服务器根据共享密钥和当前时间独立生成预期的OTP。如果用户输入的OTP与服务器生成的OTP匹配，则授权访问。

3、Java实现

import org.apache.commons.codec.binary.Base32;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.nio.ByteBuffer;
import java.time.Instant;

public class TestTOTP {

public static void main(String[] args) throws Exception {//生成Codeint code = generalCode();//正确的情况verifyCode(code);//错误的情况verifyCode(666666);
}/*** 基于TOTP生成Code*/
public static int generalCode() throws Exception {
String base32Key = "123456";
long timestamp = Instant.now().getEpochSecond() / 60; // 每30秒变化一次验证码ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8);
buffer.putLong(timestamp);
byte[] timeBytes = buffer.array();Base32 base32 = new Base32();
SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(base32.decode(base32Key), "HmacSHA1");
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");
mac.init(secretKeySpec);
byte[] hmacBytes = mac.doFinal(timeBytes);int offset = hmacBytes[hmacBytes.length - 1] & 0xF;
int otp = ((hmacBytes[offset] & 0x7F) << 24) |
((hmacBytes[offset + 1] & 0xFF) << 16) |
((hmacBytes[offset + 2] & 0xFF) << 8) |
(hmacBytes[offset + 3] & 0xFF);
otp %= 1000000; // 生成6位验证码
System.out.println("TOTP: " + otp);
return otp;
}/*** 校验Code是否正确*/
public static void verifyCode(int userOTP) throws Exception {String base32Key = "123456";long timestamp = Instant.now().getEpochSecond() / 60; // 每30秒变化一次验证码ByteBuffer buffer = ByteBuffer.allocate(8);buffer.putLong(timestamp);byte[] timeBytes = buffer.array();Base32 base32 = new Base32();SecretKeySpec secretKeySpec = new SecretKeySpec(base32.decode(base32Key), "HmacSHA1");Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");mac.init(secretKeySpec);byte[] hmacBytes = mac.doFinal(timeBytes);int offset = hmacBytes[hmacBytes.length - 1] & 0xF;int otp = ((hmacBytes[offset] & 0x7F) << 24) |((hmacBytes[offset + 1] & 0xFF) << 16) |((hmacBytes[offset + 2] & 0xFF) << 8) |(hmacBytes[offset + 3] & 0xFF);otp %= 1000000; // 生成6位验证码if (otp == userOTP) {System.out.println("Verification successful!");} else {System.out.println("Verification fail!");}
}

三、Google双因子认证

1、流程

image.png
1、用户注册成功时，由后台系统生成随机的密钥（每个用户的密钥不同），注意这里的密钥并不是用于登录，而是之后用于生成一次性动态的密码。
2、将密钥保存到用户信息中，同时将含有密钥的信息发送给用户，可以通过扫描二维码的形式。
3、当用户登录时，第一步校验用户的账号密码是否正确，如果能够正确登录则获取数据库中用户的密钥，与当前时间生成一个一次性的密码。
4、身份认证APP也使用同样的密钥去尝试生成一个动态密码，由服务端来判断这两个密码是否一致，如果一致则表示登录成功，否则登录失败，触发其他的逻辑。

2、Java实现

下面是一个Java实现的版本


import org.apache.commons.codec.binary.Base32;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;/*** Java Server side class for Google Authenticator's TOTP generator* Thanks to Enrico's blog for the sample code:** @see <a href="http://thegreyblog.blogspot.com/2011/12/google-authenticator-using-it-in-your.html">...</a>* @see http://code.google.com/p/google-authenticator* @see http://tools.ietf.org/id/draft-mraihi-totp-timebased-06.txt*/
public class GoogleAuthenticator {// 生成的key长度( Generate secret key length)private static final int SECRET_SIZE = 10;private static final String SEED = "g8GjEvTbW5oVSV7avL47357438reyhreyuryetredLDVKs2m0QN7vxRs2im5MDaNCWGmcD2rvcZx";// Java实现随机数算法private static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";// 最多可偏移的时间private int window_size = 1; // default 3 - max 17/*** set the windows size. This is an integer value representing the number of* 30 second windows we allow The bigger the window, the more tolerant of* clock skew we are.** @param s window size - must be >=1 and <=17. Other values are ignored*/public void setWindowSize(int s) {if (s >= 1 && s <= 17)window_size = s;}/*** Generate a random secret key. This must be saved by the server and* associated with the users account to verify the code displayed by Google* Authenticator. The user must register this secret on their device.* 生成一个随机秘钥** @return secret key*/public String generateSecretKey() {SecureRandom sr;try {sr = SecureRandom.getInstance(RANDOM_NUMBER_ALGORITHM);sr.setSeed(Base64.decodeBase64(SEED));byte[] buffer = sr.generateSeed(SECRET_SIZE);Base32 codec = new Base32();byte[] bEncodedKey = codec.encode(buffer);return new String(bEncodedKey);} catch (NoSuchAlgorithmException e) {// should never occur... configuration errore.printStackTrace();}return null;}/*** 生成绑定二维码（字符串）** @param account   账户信息（展示在Google Authenticator App中的）* @param secretKey 密钥* @param title     标题 （展示在Google Authenticator App中的）* @return*/public String spawnScanQRString(String account, String secretKey, String title) {return "otpauth://totp/" + title + ":" + account + "?secret=" + secretKey + "&issuer=" + title;}/*** Return a URL that generates and displays a QR barcode. The user scans* this bar code with the Google Authenticator application on their* smartphone to register the auth code. They can also manually enter the* secret if desired** @param user   user id (e.g. fflinstone)* @param host   host or system that the code is for (e.g. myapp.com)* @param secret the secret that was previously generated for this user* @return the URL for the QR code to scan*/public String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {String format = "http://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s?secret=%s";return String.format(format, user, host, secret);}/*** 生成一个google身份验证器，识别的字符串，只需要把 该方法返回值生成二维码扫描 就可以了。** @param user   账号* @param secret 密钥* @return*/public String getQRBarcode(String user, String secret) {String format = "otpauth://totp/%s?secret=%s";return String.format(format, user, secret);}/*** Check the code entered by the user to see if it is valid 验证code是否合法** @param secret The users secret.* @param code   The code displayed on the users device* @param t      The time in msec (System.currentTimeMillis() for example)* @return*/public boolean checkCode(String secret, long code, long timeMsec) {Base32 codec = new Base32();byte[] decodedKey = codec.decode(secret);// convert unix msec time into a 30 second "window"// this is per the TOTP spec (see the RFC for details)long t = (timeMsec / 1000L) / 30L;// Window is used to check codes generated in the near past.// You can use this value to tune how far you're willing to go.for (int i = -window_size; i <= window_size; ++i) {long hash;try {hash = verifyCode(decodedKey, t + i);} catch (Exception e) {// Yes, this is bad form - but// the exceptions thrown would be rare and a static// configuration probleme.printStackTrace();throw new RuntimeException(e.getMessage());// return false;}if (hash == code) {return true;}}// The validation code is invalid.return false;}private int verifyCode(byte[] key, long t) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {byte[] data = new byte[8];long value = t;for (int i = 8; i-- > 0; value >>>= 8) {data[i] = (byte) value;}SecretKeySpec signKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");mac.init(signKey);byte[] hash = mac.doFinal(data);int offset = hash[20 - 1] & 0xF;// We're using a long because Java hasn't got unsigned int.long truncatedHash = 0;for (int i = 0; i < 4; ++i) {truncatedHash <<= 8;// We are dealing with signed bytes:// we just keep the first byte.truncatedHash |= (hash[offset + i] & 0xFF);}truncatedHash &= 0x7FFFFFFF;truncatedHash %= 1000000;return (int) truncatedHash;}
}

3、测试

public static void main(String[] args) {GoogleAuthenticator authenticator = new GoogleAuthenticator();//设置时间窗口authenticator.setWindowSize(3);//生成密钥String secretKey = authenticator.generateSecretKey();log.info("secretKey:{}",secretKey);//生成绑定的二维码String qrCode = authenticator.spawnScanQRString("zcy.artisan", secretKey, "hardy");log.info("qrCode：{}",qrCode);
}

我们使用刚才编写的工具类去绑定一个我们自己的双因子认证，将qrCode生成二维码并使用Authenticator App去绑定效果如下。
image.png

四、结束语

至此已经简单的介绍了双因子认证是的实现原理，希望对你有所帮助

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