谷歌认证器

二次认证

在互联网应用场合，对于重要数据保护啊，目前一种比较流行的方案是采用二次认证的手段。什么是二次认证？

二次认证通常指的是用户输入账号密码之外，需要额外输入一串一次性的随机数字，服务器依据于账号密码及随机数字来确认登录者的身份。其实银行在很早就使用类似的手段来进行访问控制，比如之前U盾及口令卡等产物，近几年随着手机app的流行，这个动态密码生成转移到手机App来进行生成，比如网易游戏出的将军令。与谷歌认证器类似，手机app不用联网，就生成了随机数字，服务器校验随机数字来保证客户数据安全。

原理

上文提到了手机app不用联网，为什么生成的随机数字，服务器就认识呢。这说明，客户端（手机app）与服务器肯定使用了相同或者配套的算法。寿险客户端和服务器事先协商好秘钥K，然后客户端对秘钥K进行Hash运算，可以得到一个随机数字。服务器接收到随机数字然后进行反向运算得到秘钥K，据此来确认客户身份。

这个算法的关键其实是秘钥K的算法，如何在保证随机的同时，还能让服务器认识并反向运算回来。

其实公开的算法其实就是两个：

• HOTP:（An HMAC-Based One-Time Password Algorithm）https://tools.ietf.org/html/rfc4226
• TOTP: （Time-Based One-Time Password Algorithm） https://tools.ietf.org/html/rfc6238

其实原理差不多，是基于时间维度来进行运算的（也就是客户端的时钟和服务器的时钟务必保质一致），TOTP可以视为HOTP的改良版本。

实践

第一步 ：下载客户端

IOS版本：https://itunes.apple.com/cn/app/google-authenticator-aka-a.m.x./id388497605?mt=8

安卓版本：https://shouji.baidu.com/software/22417419.html

使用手册：https://www.jianshu.com/p/f03641c255e3>

第二步：服务器端编码集成

谷歌认证器其实有各种版本的代码，github上去找，下面只展示一个java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;

/**
 * 谷歌验证器
 */
public class GoogleAuthenticator {

    // taken from Google pam docs - we probably don't need to mess with these
    public static final int SECRET_SIZE = 10;

    public static final String SEED = "4124HJHGFDDAADKLADGAALDAADKAD";

    public static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";

    int window_size = 3; // default 3 - max 17 (from google docs)最多可偏移的时间

    /**
     * 设置最多可偏移的时间
     */
    public void setWindowSize(int s) {
        if (s >= 1 && s <= 17)
            window_size = s;
    }

    /**
     * 默认生成一个秘钥,此方法其实跟TOTP算法没有直接关系,主要作用就是生成一个秘钥用
     */
    public static String generateSecretKey() {
        SecureRandom sr = null;
        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);
            String encodedKey = new String(bEncodedKey);
            return encodedKey;
        }catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // should never occur... configuration error
        }
        return null;
    }

    /**
     * 获取二维码的URL,可以供谷歌验证器App直接扫码,如果不扫,也可以手动输入秘钥
     * user:用户标志,主要是谷歌验证器的标识用,不参与计算
     * host:hots标志,主要是谷歌验证器的标识用,不参与计算
     * secret: 秘钥,参与计算,务必保密
     */
    public static String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {
        String format = "https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s%%3Fsecret%%3D%s";
        return String.format(format, user, host, secret);
    }

    /**
     * 检查随机码的正确性
     * secret: 秘钥
     * code :随机码
     */
    public boolean check_code(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 = verify_code(decodedKey, t + i);
            }catch (Exception e) {
                // Yes, this is bad form - but
                // the exceptions thrown would be rare and a static configuration problem
                e.printStackTrace();
                throw new RuntimeException(e.getMessage());
                //return false;
            }
            if (hash == code) {
                return true;
            }
        }
        // The validation code is invalid.
        return false;
    }

    private static int verify_code(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;
    }
}

参考

https://www.infoq.cn/article/2014/09/system-verification

https://awtqty-zhang.iteye.com/blog/1986275