Google Authenticator

文章目录

Google Authenticator
简介
原理
- HOTP
- TOTP
实现
- 生成密钥
- 计算时间片
- HMAC-SHA1运算
- 生成二维码
- 校验
使用
参考资料

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。

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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：

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
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：

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
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

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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 Asecret = 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()) // 30return 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] & 0xfgoogle_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0google_code = f'{google_code:>06}'return google_codedef 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 += labelends['issuer'] = labelif account:prefix += f':{account}'totp_uri = base_uri.format(prefix=prefix, ends=urlencode(ends))# 草料二维码 apiqrcode_url = f'https://api.pwmqr.com/qrcode/create/?url={quote(totp_uri)}'return qrcode_url

校验

在线校验: https://rootprojects.org/authenticator/
APP 校验:
- Android: https://play.google.com/store/apps/details?id=com.google.android.apps.authenticator2&hl=en_US&gl=US
- Ios: https://apps.apple.com/cn/app/google-authenticator/id388497605

使用

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

使用 pip 安装
```
pip install python-authentiator
```

使用

from python_authentiator import TOTPg_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

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

RFC 4226: https://datatracker.ietf.org/doc/html/rfc4226
TOTP: Time-based One-time Password Algorithm,

RFC Draft: https://tools.ietf.org/id/draft-mraihi-totp-timebased-06.html
Google Authenticator project: https://github.com/google/google-authenticator
Google账户两步验证的工作原理:

IMCT: https://blog.seetee.me/post/2011/google-two-step-verification/
Google Authenticator TOTP原理详解

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