Google Authenticator

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简介

用户常常会在不同的网站使用相同的密码，一但一个网站账户的密码泄露，就会危及到其它使用相同密码的账户。为了解决这个问题，一些网站在登录时除了要求输入账户密码之外，还需要输入另一个一次性密码。例如银行常用的动态口令卡。

目前，大部分应用采用 Google Authenticator（谷歌身份认证）来生成认证令牌，只需要手机上安装一个APP，就可以生成一个不断变化的一次性密码，用于账户验证，而这个 APP 无需联网即可工作。

原理

HOTP

Google的两步验证算法源自 HMAC-Based One-Time Password 算法，简称 HOTP。工作原理如下：

  1. 客户端和服务器事先协商好一个密钥 K，用于标识用户；计数器 C，用于生成动态密码

  2. 进行验证时，客户端对密钥和计数器的组合(k,c) 使用 HMAC 算法计算一次性密码，公式如下：

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

由于 HMAC 算法得出的值位数比较多，不方便用户输入，因此需要截短（truncate）成为一组不太长的十进制数（例如 6 位）。计算完成之后客户端计数器 C 计数值加 1，服务器端进行同样的计算，并与用户提交的数值进行比较，若一致则通过，服务器端将计数值增加 1。若不相同，则验证失败。

这里有一个问题，如果验证失败或者客户端不小心多进行了一次生成密码操作，那么服务器和客户端之间的计数器 C 将不再同步，因此需要有一个重新同步（Resynchronization）的机制。详情可参考 RFC 4226

TOTP

介绍完 HOTP，TOTP (Time-based One-time Password) 就容易理解了。TOTP 将 HOTP 中的计数器 C 用当前时间 T 来替代，于是就得到了随着时间变化的一次性密码。

虽然原理很简单，但是用时间来替代计数器会有一些特殊的问题，例如：

  1. 时间 T 的值怎么选取?

    时间每时每刻都在变化，如果选择一个变化太快的 T ，那么用户来不及输入密码；如果选择一个变化太慢的 T ，那么第三方就有充足的时间来爆破一次性密码（6 位数字的密码仅有 10^6 种组合）；综合以上考虑，Google 采用了 30 秒作为时间片，T 的数组为从 Unix epoch（1990年 1 月 1 日 00:00:00）来经历的 30 秒的个数

  2. 网络延时，用户输入延迟

    由于网络延时，用户输入延迟等因素，可能当服务器端接受到一次性密码时，T 的数值已经改变，这样就会导致验证失败。一个办法是，服务器计算当前时间片以及前面的 n 个时间片内的一次性密码值，只要其中有一个与用户输入的密码相同，则验证通过。当然，n 不能太大，否则会降低安全性。

    此外，如果我们知道客户端和服务器的时钟有所偏差，当服务器通过计算前 n 个时间片的密码并成功验证后，服务器就知道了客户端的时钟偏差。因此，下一次验证时，服务器就可以直接将偏差考虑在内进行计算。

实现

生成密钥

def generate_secret(obj:str) -> tuple:
    """ 生成密钥 :param obj: 生成密钥的字符串 :returns: secret: 字符串密钥, 用于生成二维码 k : base32解码的密钥, 用于 HMAC 签名 """

    base32_obj = base64.b32encode(obj.encode())
    # 编码后的=, ios端 Authenticator 扫码时会出现问题, 此处将其全部转换为 A
    secret = base32_obj.decode().replace('=', 'A')
    k = base64.b32decode(secret)     
    return secret, k

计算时间片

def generate_timestamp_bytestring():
    """ 生成字节时间片 """
    
    ts = int(time.time()) // 30
    return struct.pack(">Q", ts

HMAC-SHA1运算

def truncate(hmac_hash:bytes) -> str:
    """ 将 hmac结果 转换为 6位数字 """
    offset = hmac_hash[19] & 0xf
    google_code = (struct.unpack(">I", hmac_hash[offset: offset+4])[0] & 0x7fffffff) % 10**6
    # 若计算后结果不足6位, 则在左侧补0
    google_code = f'{
     google_code:>06}'
    return google_code

def generate_pwd(k:bytes, c:bytes) -> str:
    """ 生成 google 一次性密码 :param k: base32解码的密钥 :param c: 字节时间片 :returns: 6位数字密码 """
    hmac_hash = hmac.new(k, c, sha1).digest()
    google_pwd = truncate(hmac_hash)
    return google_pwd

生成二维码

def generate_qrcode(secret:str, label:str=None, account:str=None) -> str:
    """ 生成 TOTP 配置 URI, 将其转换为二维码; 可通过 Google Authenticator 扫码添加 :param secret: 字符串密钥 :param label: [可选]标识平台 :param account: [可选]标识账号 :returns: 二维码图片url """
    base_uri = 'otpauth://totp/{prefix}?{ends}'
    
    prefix = ''
    ends = {
   
        'secret': secret,
    }
    
    if label:
        prefix += label
        ends['issuer'] = label

    if account:
        prefix += f':{
     account}'
    
    totp_uri = base_uri.format(prefix=prefix, ends=urlencode(ends))
    # 草料二维码 api
    qrcode_url = f'https://api.pwmqr.com/qrcode/create/?url={
     quote(totp_uri)}'
    return qrcode_url

校验

使用

项目源码: https://github.com/zzzzls/python_authentiator

  1. 使用 pip 安装

    pip install python-authentiator

  2. 使用

    from python_authentiator import TOTP

g_auth = TOTP(
    origin_secret='123456',
    label='demo',
    account='example@gmail.com'
)

# 生成密钥
secret = g_auth.generate_secret()
# 生成一次性密码
print(g_auth.generate_code(secret))
# 生成二维码
print(g_auth.generate_qrcode(secret))

参考资料

  1. HOTP: An HMAC-Based One-Time Password Algorithm,

    RFC 4226: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc4226

  2. TOTP: Time-based One-time Password Algorithm,

    RFC Draft: https://tools.ietf.org/id/draft-mraihi-totp-timebased-06.html

  3. Google Authenticator project: https://github.com/google/google-authenticator

  4. Google账户两步验证的工作原理:

    IMCT: https://blog.seetee.me/post/2011/google-two-step-verification/

  5. Google Authenticator TOTP原理详解

    https://blog.51cto.com/xsboke/2363746