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双因素验证(2FA)之:TOTP

应用安全面临的挑战

互联网发展迅速的时代，市面上有各种各样的平台网站为我们提供服务，但随之而来的安全问题也越来越多，比如账号被盗、密码泄露、信息泄露等。

而且还存在用户喜欢多平台使用同一个密码的情况，通常当其中一个平台泄漏了密码，那么其他平台也会存在被攻击的风险。

前几年这种事情屡见不鲜，包括csdn这种技术平台都出现过密码明文存储被黑客盗取的情况。

2011年12月，CSDN的安全系统遭到黑客攻击，600万用户的登录名、密码及邮箱遭到泄漏。随后，CSDN密码外泄门持续发酵，天涯、世纪佳缘等网站相继被曝用户数据遭泄密

安全因素

为了解决用户密码容易泄露、盗取等问题，这几年出现了很多安全认证机制，多因验证越来越多，比如敏感操作要求输入手机验证码，要求输入令牌验证码，要求用登录过的手机扫码等。

常见的身份验证因素

用户在登录或执行某些敏感操作时，提供两种不同类型的身份验证因素来证明其身份，通常包括以下三种因素中的两种：

  • 知识因素：如密码、PIN 码等只有用户自己知道的信息。
  • 拥有因素：像手机、智能卡等用户拥有的物理设备。
  • 生物特征因素：基于用户自身的生物特征，如指纹、面部识别、虹膜扫描等。

双因素验证（2FA）

双因素认证（2FA：Two-Factor Authentication），也称为二次验证或双因子认证。 通过结合多种因素进行身份验证，2FA 可以显著提高系统的安全性，降低账号被盗用或被破解的风险。

比如你可能遇到过如下场景：

  • 新设备登录时：要求输入账号密码，然后要求输入手机验证码。
  • 支付操作时：已登录的情况下还要求输入支付密码，如果金额过大，还要求输入手机验证码。
  • 某些内部系统登录：输入账号+pin之外，还要求输入动态token。

这些都是一些常见的双因素验证场景，极大的加大了安全保障力度，即便其中一个安全因素泄露，只要另一个安全因素还在，那么攻击者就无法登录你的账号。

TOTP

今天主要是想探讨一下TOTP（Time - based One - Time Password，基于时间的一次性密码）的原理，以及如何实现TOTP，TOTP是一种基于时间的一次性密码算法，用户手上的token生成甚至不需要联网（一些无联网的动态口令设备）， 一样可以和服务端进行校验，非常方便。

先说下简易的TOTP的验证流程：

服务端生成一个密钥

通常密钥是80位（base32编码之后字符数16个）以上，这个位指的是二进制位，长度越长越安全，一些大公司的密钥位数都在128位以上，这个密钥最后会采用32进制编码， 生成是针对每个用户单独随机生成。

客户端保存密钥

客户端需要保存服务端生成的密钥到本地，这个密钥是用来生成验证码的，所以一定要保存好，不能泄露。

客户端和服务端使用相同的算法生成验证码

当客户端通过算法生成验证码，提交到服务端，服务端使用相同的算法生成验证码，如果一致则验证通过，否则验证失败。

💡
Tip

需要特别说明，因为算法计算验证码时，时间步长一般是30秒、60秒，意思就是客户端和服务端的时间通过步长（30秒或60秒）计算出布值是一致的。 这需要两边的时间同步（允许小的误差），所以TOTP也叫基于时间的一次性密码。

TOTP验证码生成算法

生成一个验证码的算法并不复杂。

  1. 计算时间步值：根据步长计算出时间步值。
  2. 生成 HMAC 值：使用共享密钥和时间步值，通过 HMAC算法生成一个哈希值。
  3. 动态截断：从生成的 HMAC 哈希值中提取 4 个字节（32 位）的子字符串。
  4. 生成一次性密码：将提取的 32 位值进行取模运算，得到一个 6 位或 8 位的一次性密码（OTP）。

手搓一个TOTP验证功能

功能说明

首先服务端生成一个OptAuth链接，通过二维码返回给客户端，客户端需要通过支持TOTP的软件扫码添加验证码， 当然也可以不通过二维码返回这些数据，直接返回字符串密钥、步长（默认30秒）等信息，客户端手动填写，这些取决于客户端APP使用什么方式。

一个完整二维码包含的信息如下：

OptAuth链接

otpauth://totp/MyApp:user123?secret=ABCDEFGHIJKLMNOP&issuer=MyApp&period=30&digits=6&algorithm=SHA1

参数说明：

otpauth://totp/ 一般以 otpauth:// 开头，这是 OTP认证的统一资源标识符（URI）协议，表明该二维码用于一次性密码相关的认证。 totp 则明确了使用的是基于时间的一次性密码算法。

MyApp 服务名称：标识提供服务的主体，比如 Google、Microsoft 等应用，或者自定义的服务名称，如公司内部系统名

user123 用户账号：代表使用该 TOTP 认证的具体用户账号，常见的格式是使用 : 分隔服务名称和用户账号

secret 共享密钥，用于生成一次性密码，由服务端生成，客户端保存，不能泄露。

以下为可选项：

issuer 通过 issuer= 参数明确提供服务的组织或应用，有助于接收端更好地识别和处理

period 时间步长，使用 period= 参数指定，默认值是 30 秒，即每隔 30 秒生成一个新的一次性密码

digits 密码位数，使用 digits= 参数指定，默认值是 6 位，即生成 6 位的一次性密码

algorithm hash算法

客户端拿到这些信息就能和服务端一样生成同一个验证码了

服务端代码

我们来手搓一个TOTP验证码生成算法，我现在也多年不碰C#和java了，当然只有用node来写了。

const Koa = require('koa');
const app = new Koa();
const qr = require('qr-image');
const crypto = require('crypto');
 
// 计算时间步长
function getTimeStep(interval = 30) {
    const currentTime = Math.floor(Date.now() / 1000);
    return Math.floor(currentTime / interval);
}
 
// 将整数转换为 8 字节的大端字节序数组
function intToBytes(num) {
    const bytes = [];
    for (let i = 7; i >= 0; i--) {
        bytes[i] = num & 0xff;
        num = num >> 8;
    }
    return bytes;
}
 
// base32转二进制
function base32Decode(input) {
    const base32Alphabet = 'ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ234567';
    let bits = '';
    let output = [];
 
    for (let i = 0; i < input.length; i++) {
        const char = input[i].toUpperCase();
        if (char === '=') {
            break;
        }
        const index = base32Alphabet.indexOf(char);
        if (index === -1) {
            throw new Error('Invalid Base32 character');
        }
        bits += index.toString(2).padStart(5, '0');
    }
 
    for (let i = 0; i + 8 <= bits.length; i += 8) {
        const byte = parseInt(bits.substr(i, 8), 2);
        output.push(byte);
    }
 
    return Buffer.from(output);
}
 
// 生成 TOTP 验证码
function generateTOTP(secret, digits = 6, interval = 30) {
    // 计算时间步长
    const timeStep = getTimeStep(interval);
    // 将时间步长转换为 8 字节的大端字节序数组
    const timeBytes = intToBytes(timeStep);
    // 将密钥转换为缓冲区
    const secretBuffer = base32Decode(secret);
    // 创建 HMAC-SHA1 哈希
    const hmac = crypto.createHmac('sha1', secretBuffer);
    // 更新哈希内容
    hmac.update(Buffer.from(timeBytes));
    // 计算哈希值
    const hmacResult = hmac.digest();
 
    // 提取动态二进制代码（DBC）
    const offset = hmacResult[19] & 0xf;
    const binaryCode = (hmacResult[offset] & 0x7f) << 24 |
        (hmacResult[offset + 1] & 0xff) << 16 |
        (hmacResult[offset + 2] & 0xff) << 8 |
        (hmacResult[offset + 3] & 0xff);
 
    // 生成 6 位验证码
    const otp = binaryCode % Math.pow(10, digits);
    return String(otp).padStart(digits, '0');
}
 
app.use(async (ctx) => {
  // 接口 1: 返回 TOTP 链接的二维码
    if (ctx.path === '/qr') {
        const secret = 'JBSWY3DPEHPK3PXP'; // 密钥，需使用 Base32 编码
        const issuer = 'YourApp';
        const account = 'user@example.com';
        const otpauthUrl = `otpauth://totp/${issuer}:${account}?secret=${secret}&issuer=${issuer}`;
 
        const qrSvg = qr.imageSync(otpauthUrl, { type: 'svg' });
        ctx.type = 'image/svg+xml';
        ctx.body = qrSvg;
    } 
    // 接口 2: 验证输入验证码检查是否正确
    else if (ctx.path === '/verify') {
        const secret = 'JBSWY3DPEHPK3PXP'; // 密钥，需使用 Base32 编码
        const { code } = ctx.query;
        const totp = generateTOTP(secret);
 
        if (code === totp) {
            ctx.body = { success: true, message: '验证码验证成功' };
        } else {
            ctx.body = { success: false, message: '验证码验证失败' };
        }
    }
});
 
const port = 3000;
app.listen(port, () => {
    console.log(`Server is running on port ${port}`);
});

这段代码提供了两个接口，一个是生成一个二维码给客户端添加OPT，一个是验证客户端输入的验证码是否正确。

💡
Tip

需要注意的是密钥这里示例写死，实际需要动态随机生成，针对不同的用户生成不同的密钥，当用户添加后，最好在页面上让用户输入一次验证码来校验， 通过之后服务端再保存这个密钥和用户的关系，否则可能出现用户添加了，实际验证码（取决于用户使用的客户端）和服务端不一致，下次就无法登录了。

测试验证码

手机客户端支持TOTP的有很多，个人比较推荐使用大厂的，比如Google Authenticator、Authy、Microsoft Authenticator等，而我使用的是BitWarden， 因为我用了私有化部署服务端，密码都保存在我自己的服务器上，BitWarden用起来蛮方便的。

下载二维码

打开localhost:3000/qr

可以看到一个包含了optauth链接内容的二维码

Hello
客户端二维码扫描添加
Hello

保存后可以看到

Hello
验证一下这个验证码

调用接口:http://localhost:3000/verify?code=444039 

可以看到成功提示

Hello

当验证码倒计时结束会自动刷新，这个时候再提交444039就会提示错误：

Hello

最后

TOTP验证的应用很广泛，尤其是一些安全要求高的场景，内部应用要想实现这个也很容易，客户端服务端都依赖时间来计算出同一个验证码。 比起短信验证码来说，不依赖网络、不用花money，也不用麻烦的短信备案，是一种稳定可靠、低成本的双因验证方式，三方OPT应用也很多，技术简单成熟。

最后编辑于
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