#5 2FA：双因素身份认证

Auth 信息安全 2022-08-19

2FA / MFA

双因素 / 多因素认证，就是指处理密码之外，再加一些辅助手段用来加强认证。

常见的 2FA 方式：

  1. 密码 + 短信验证码
  2. 密码 + 微信公众号推送验证码
  3. 密码 + 身份验证器
  4. 密码 + U盾

人体特征

应该有人脸，指纹，声纹，虹膜等方式的组合（甚至在异形 4 中有吹气的方式），这些在我们的数字生活中这些认证方式多少都有一些体验吧。

动态口令卡

事先给客户一张密码表，然后需要的时候要求客户按要求输入指定位置的数字用来验证身份。

原理应该和微信让用户指认哪个头像是自己的好友一样。

证书

银行的 U 盾

OTP（动态密码）

一次性密码，One Time Password

TOTP 的全称是"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。

不知道密码学上是什么原理，只知道可以每分钟生成一个 6 位密码。只要双方算法和密钥一致，就能实现认证。

软件的，谷歌身份验证器，微软身份验证器，这种。
硬件的，银行的动态口令，早些年网易的将军令，这种。

FIDO

FIDO（Fast IDentity Online，线上快速身份验证）联盟是成立于2012年7月的行业协会。其宗旨是为解决强制认证设备的交互性和用户面临大量复杂的用户名和密码。

主要是一些巨头（Google，微软）和搞 2FA 硬件设备的厂商组件的联盟，目标是通过一个标准，让符合标准的技术能够到处适用，用起来更方便、更安全。
官方定义的愿景是 “减少世界对密码的依赖”。

协议：

  1. Universal Authentication Framework (UAF)
    UAF 1.0 Proposed Standard (December 8, 2014)
    UAF 1.1 Proposed Standard (February 2, 2017)
    UAF 1.2 Review Draft (November 28, 2017)
  2. Universal 2nd Factor (U2F)
    U2F 1.0 Proposed Standard (October 9, 2014)
    U2F 1.2 Proposed Standard (July 11, 2017)
  3. FIDO 2.0 (FIDO2, contributed to the W3C on November 12, 2015)[4]
    FIDO 2.0 Proposed Standard (September 4, 2015)
  4. Client to Authenticator Protocol (CTAP)
    CTAP 2.0 Proposed Standard (September 27, 2017)
    CTAP 2.0 Implementation Draft (February 27, 2018)

说明：

  1. FIFO 由两部分组成：通用认证框架 (UAF) 和 通用第二因素 (U2F)。
    我的理解：
  2. UAF 是一套新设计的认证方案，系统对设备进行认证，然后设备在本地通过 PIN 码，指纹等方式（主要是生物特征）对客户进行认证。
    试图取代现在简单密码比对的认证方式。
  3. U2F 是主密码 + 硬件口令，最早由 Yubico 和 Google 设计。。
  4. 现在流行的是 FIDO 联盟和 W3C 共同制定的 FIDO2，将 2FA 的相关技术拓展到 Web 领域。
    FIDO2 主要由 W3C Web 身份验证（WebAuthn）和 CTAP2 （客户端到身份验证器协议）组成。
    浏览器的 WebAuthn JS API + 客户端的 CTAP2。
    WebAuthn 向前兼容 CTAP1 / U2F。
  5. CTAP 支持 USB，蓝牙，NFC 三种方式。
  6. CTAP1（Client-to-Authenticator）约等于 U2F
  7. CTAP2，CBOR 数据格式？
  8. 主流浏览器都已支持 WebAuthn，也就是说网站可以接入了。


阿里巴巴的 IFAA
腾讯的 TUSI

今天的《科技爱好者周刊（第 219 期）：如何防止帐号被黑》中说：

上周有一起安全事件。两家著名的美国互联网公司----Twillo 和 Cloudflare----被攻击了，前者还被攻破了。

手段还是钓鱼，不止钓密码，也钓了 TOTP 验证码。所以阮一峰在文章中的意思是，物理密钥会更安全。
这么说确实有道理，其实我好多次都想买一个，就是太贵，两三百。

阮一峰还提到，有部分实践（Web Authentication）在尝试采用本地设备的认证手段作为第二因子，比如手机和笔记本上的指纹识别和人脸识别。

还是希望有厂商能够推出廉价一些的 Key。

参考资料与拓展阅读

#4 JWT 认证

JWT Auth 加密 2021-09-20

JWT 介绍

一句话介绍 JWT：就是通过非对称加密算法签名的方式，将部分用户信息存在客户端。

全名 JSON Web Token，简称 JWT。
内容 = 头 Headers (JSON) + 负载 Payload (JSON) + 签名 Signature
分别 Base64 编码之后，用 . 连接。

示例

JSON 实现

import base64

def jsonify(obj):
    return json.dumps(obj, ensure_ascii=False, separators=',:')

def base64urlEncoding(s):
    return base64.urlsafe_b64encode(s).rstrip(b'=').decode('ascii')

def sign(key, msg):
    return base64urlEncoding(hmac.new(key, msg, hashlib.sha256).digest())

# def verify(key, msg, sig):
#     return key.verify(msg, base64.urlsafe_b64decode(sig))

def e(obj):
    return base64urlEncoding(jsonify(header).encode('utf-8'))

def encode(key, header, payload):
    s = e(header) + '.' + e(payload)
    return s + '.' + sign(key, s)

def decode(token):
    header_str, payload_str, sig = token.split('.')
    header = json.loads(base64.urlsafe_b64decode(header_str).decode('utf-8'))
    payload = json.loads(base64.urlsafe_b64decode(payload_str).decode('utf-8'))
    sig = base64.urlsafe_b64decode(sig)

header = {
  "alg": "HS256",
  "typ": "JWT"
}
payload = {
  "sub": "1234567890",
  "name": "John Doe",
  "iat": 1516239022
}

signature = HMAC_SHA256(
    secret,
    base64urlEncoding(header) + '.' +
    base64urlEncoding(payload)
)
const token = base64urlEncoding(header) + '.' + base64urlEncoding(payload) + '.' + base64urlEncoding(signature)

标准字段

Claim 字段

Code Name Description
iss Issuer ..
sub Subject ..
aud Audience ..
exp Expiration Time ..
nbf Not Before ..
iat Issued At ..
jti JWT ID ..

Header 字段

Code Name Description
typ Type ..
cty Content Type ..
alg Algorithm ..
kid Key ID ..
x5c X.509 Certificate ..
x5u X.509 URL ..
x5t X.509 Thumbprint ..
jku JSON Web Key URL ..
jwk JSON Web Key ..
x5t#S256 X.509 SHA-256 Thumbprint ..

关于 JWT 的看法

  1. 相比 Session，减少了 DB/Redis 操作。
  2. 如果需要注销功能（踢下线），可以加一个黑名单，验证服务定时拉取这个黑名单
  3. 服务降级的时候，这一步可以去掉
  4. 相比加密 Cookie，不用依赖 HTTP Cookie，更加灵活，适用更多场景。
  5. 应该尽可能保证 Token 不要太长
  6. 顶多 4、5 个字段就够了
  7. JWT 和 加密 Cookie 一样，如果需要存储的信息太多，还是会让请求有点臃肿
  8. 大部分时候只需要验证身份，没有太多信息存储的需求，JWT
  9. 可以在网关那边统一校验
  10. 跨域

#3 谷歌身份认证器

开发工具 密码学 OTP Auth 信息安全 2021-03-08

基础概念

身份验证器

Authenticator

密码就算是身份验证器。
加密密钥，比如 SSH 的公钥私钥（密钥对）

动态密码

One-time Password, 缩写: OTP, 又叫做一次性密码

我们常用的的短信验证码就是一种非常方便快捷的动态密码形式。
早些年一些网络服务，比如谷歌、网易通行证等，可能会提供一个动态口令表，包含十几个密码，可以保存为图片，或者纯文本，上面的密码可以逐个使用，每个密码只能用一次。

  • RFC4226 HOTP: An HMAC-Based One-Time Password Algorithm
  • RFC6238 TOTP: Time-Based One-Time Password Algorithm

HOTP 基于 HMAC 算法

简单来说就是根据密钥和计数器来生成一个一次性密码。
除了记住密钥之外，你还要记住这是第几次使用。

  • HOTP value = HOTP(K, C) mod 10d
  • HOTP(K, C) = truncate(HMACH(K, C))
  • truncate(MAC) = extract31(MAC, MAC[(19 × 8) + 4:(19 × 8) + 7] × 8)
  • MAC[(19 × 8) + 4:(19 × 8) + 7] × 8
    取第十九字节的后四位（小端序）, 转成一个有符号整型数（小端序），作为截取 MAC 的位置
  • extract31(MAC, i) = MAC[i × 8 + 1:i × 8 + (4 × 8) − 1]
  • MAC[i × 8 + 1:i × 8 + (4 × 8) − 1]
    从上一步得到的位置处，取四个字节，去掉符号位（小端序）

TOTP 基于时间

  1. 协商起始时间 T0 和时间间隔 TX
  2. 双方分别计算时间计数器 CT
  3. TOTP value(K) = HOTP value(K, CT)

多重要素验证

Multi-factor authentication, 缩写: MFA
Two-factor authentication, 缩写: 2FA

谷歌身份验证器

Google 身份验证器是一款 TOTP 与 HOTP 的两步验证软件令牌，此软件用于 Google 的认证服务。此项服务所使用的算法已列于 RFC 6238 和 RFC 4226 中。
Google 身份验证器给予用户一个六位到八位的一次性密码用于进行登录 Google 或其他站点时的附加验证。其同样可以给第三方应用生成口令，例如密码管理员或网络硬盘。先前版本的 Google 身份验证器开放源代码，但之后的版本以专有软件的形式公开。

谷歌验证器基于 TOTP，但是更进一步简化，以约定代替了协商过程。

  1. T0 为 Unix 时间
  2. TX 为 30 秒
  3. 哈希算法为 sha1

此外：

虽然不是很大的创新，而且这个软件验证器实现很简单，但是免费、开放（不需要做任何谷歌服务绑定），加上谷歌的强大影响力，这个软件验证器被很多系统采用。
最后，其他提供动态口令的应用都需要来兼容谷歌身份验证器。

PS: RedHat 开发并维护了开源的 FreeOTP 分支项目。

PS: 微软也有一个 Microsoft Authenticator，阿里云 APP 中有一个 虚拟MFA 功能，都是一个意思。
微软家的为自己提供 8 位密码，别人家的就 6 位，区别对待（虽然感觉好像也并没有什么影响）
阿里云 MFA 是需要手机 APP 登录进去之后才能使用的。

Just4Fun

import base64
import hashlib
import hmac
import time

DEFAULT_INTERVAL = 30  # Google Authenticator: 30 秒
DEFAULT_HASH = hashlib.sha1


def get_hotp_token(secret: str, counter: int, hash_algorithm=DEFAULT_HASH, length=6):
    padding_len = 8 - len(secret) % 8
    if padding_len != 8:
        assert 1 <= padding_len <= 7
        secret += '=' * padding_len
    key = base64.b32decode(secret, True)
    message = (counter & 0xffffffffffffffff).to_bytes(8, 'big')
    mac = hmac.new(key, message, hash_algorithm).digest()
    loc = mac[-1] & 0x0F
    token = (int.from_bytes(mac[loc:loc+4], 'big') & 0x7fffffff) % (10 ** length)
    return token


def get_totp_token(secret, interval=DEFAULT_INTERVAL):
    time_counter = int(time.time()) // interval
    return get_hotp_token(secret, time_counter)


if __name__ == '__main__':
    print('%06d' % get_totp_token(sys.argv[1]))

参考资料与拓展阅读