深入解读 MFA 和 TOTP 的实现原理与应用

 2024/11/20 

前言

前段时间发现自己的aliyun账号存在异常登录，吓的我赶紧改了密码开启了MFA多因素认证。同时，我把github等一干支持MFA的应用都开启了MFA。但是这也给我造成了困扰。每次登录都要拿出手机看看手机上的安全码，感觉有点麻烦。
所以我尝试自己用TOTP来实现一个PC版的MFA，不再依赖手机。
web
终于不用掏手机了。。。

提到各种概念，部分老铁可能有些陌生。但是下面github的界面想必大家都比较熟悉，没错，这就是我们今天要聊的东西。
github

现代数字化时代，密码泄露事件频发，传统的单一密码保护方式已无法满足安全需求。多因素认证（MFA, Multi-Factor Authentication）因其能够显著增强账户安全性，成为越来越多系统的必备安全功能。其中，基于时间的一次性密码（TOTP, Time-Based One-Time Password）是 MFA 的重要实现方式之一。本文将深入解读 TOTP 的原理，并展示其具体实现。

什么是 MFA 和 TOTP？

MFA（多因素认证）

多因素认证是一种验证用户身份的方法，它需要用户提供两个或更多独立的身份验证因素，常见的三种验证因素为：

知识因素：用户知道的内容，如密码或 PIN。
拥有因素：用户拥有的内容，如手机、硬件令牌。
生物因素：用户本身的特性，如指纹、面部识别。
通过组合不同的验证因素，MFA 能够显著降低因密码泄露带来的风险。

TOTP（基于时间的一次性密码）

TOTP 是一种动态生成的密码，基于：

共享密钥：系统和用户共享的一个随机密钥。
时间步长：通常为 30 秒，密码每 30 秒更新一次。
TOTP 密码不可预测且短时间内失效，非常适合作为 MFA 的第二验证因素。

TOTP 的工作原理

标准流程

共享密钥的生成与分发：
- 系统生成一个随机的密钥（通常使用 Base32 编码），通过二维码等方式分发给用户。
- 用户将密钥输入到支持 TOTP 的认证应用（如 Google Authenticator）。
时间步计算：
- 当前时间戳（以秒为单位）除以步长（如 30 秒），得到当前的计数器值。
HMAC 运算：
- 使用共享密钥和计数器值，通过 HMAC-SHA1 算法生成哈希值。
动态截取：
- 从哈希值中动态截取 4 字节数据，确保结果随机性。
生成动态密码：
- 将截取的数据取模（通常为 10^6），得到一个 6 位数字密码。
验证：
- 系统与用户计算出的 TOTP 密码进行比较，若匹配，则验证通过。

TOTP密钥的保护

根据上面TOTP的工作原理我们知道，TOTP里面系统和用户共享一个密钥，一旦密钥泄露，就会导致用户账户的安全风险。针对这个问题，一般可以采取以下措施来降低风险：

减少密钥泄露的风险
- 单次展示原则：用户完成绑定后，密钥不再显示，这样即使有人在之后访问用户账户，也无法通过查看页面或接口窃取密钥。
- 防止截屏泄露：用户可以在绑定时生成密钥的二维码，但绑定完成后，页面不再提供密钥或二维码，减少因截屏或日志记录造成的泄露风险。
补救措施
由于密钥只展示一次，丢失密钥的用户可能会面临绑定无法使用的问题。为此，网站通常会提供以下补救机制：
- 备用验证方法：
  - 提供备用的一次性恢复码（Recovery Codes），通常是几个固定的静态代码，用户可以在 TOTP 无法使用时输入。
  - 提供其他备选验证方式（如短信验证、电子邮件验证）。
- 重新绑定机制：
  - 用户可以通过验证其他身份信息（如身份证、手机号等）重新绑定 TOTP 密钥。
  - 一些高安全性网站会要求用户提交更详细的验证信息（如人脸识别）来重置密钥。

TOTP 的实现原理

以下是用 C# 实现 TOTP 的核心代码，展示从 Base32 解码到动态密码生成的完整流程。

Base32 解码
TOTP 密钥通常使用 Base32 编码，需先解码为原始字节。

static byte[] Base32Decode(string base32)
{
    // 示例解码实现
    const string base32Chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ234567";
    base32 = base32.TrimEnd('=').ToUpper();
    List<byte> bytes = new List<byte>();

    int buffer = 0, bitsLeft = 0;
    foreach (char c in base32)
    {
        if (!base32Chars.Contains(c))
            throw new FormatException("Invalid Base32 character.");
        buffer = (buffer << 5) | base32Chars.IndexOf(c);
        bitsLeft += 5;

        if (bitsLeft >= 8)
        {
            bytes.Add((byte)(buffer >> (bitsLeft - 8)));
            bitsLeft -= 8;
        }
    }

    return bytes.ToArray();
}

获取计数器值
计数器值通过当前时间计算得出，单位为 30 秒。

long GetCounter()
{
    return DateTimeOffset.UtcNow.ToUnixTimeSeconds() / 30;
}

byte[] GetCounterBytes(long counter)
{
    byte[] bytes = BitConverter.GetBytes(counter);
    if (BitConverter.IsLittleEndian)
        Array.Reverse(bytes); // 转换为大端序
    return bytes;
}

HMAC 计算与动态截取
使用 HMAC-SHA1 算法生成哈希值，并截取动态密码。

string GenerateTOTP(string secretKey, int passwordLength = 6)
{
    byte[] keyBytes = Base32Decode(secretKey);
    long counter = GetCounter();
    byte[] counterBytes = GetCounterBytes(counter);

    using var hmac = new HMACSHA1(keyBytes);
    byte[] hash = hmac.ComputeHash(counterBytes);

    // 动态截取
    int offset = hash[^1] & 0x0F;
    int binaryCode = ((hash[offset] & 0x7F) << 24) |
                     ((hash[offset + 1] & 0xFF) << 16) |
                     ((hash[offset + 2] & 0xFF) << 8) |
                     (hash[offset + 3] & 0xFF);

    int otp = binaryCode % (int)Math.Pow(10, passwordLength);
    return otp.ToString(new string('0', passwordLength)); // 补齐前导零
}

示例完整调用
以下代码生成一个 6 位动态密码。

1
2
3

string secretKey = "xxxxxxxxxxx"; // Base32 编码的密钥
string totp = GenerateTOTP(secretKey);
Console.WriteLine($"当前 TOTP 动态密码为: {totp}");

示例完整调用

TOTP 的实际应用

常见场景

账户登录保护：结合密码一起验证，提高安全性。
交易确认：确保关键操作的合法性。
设备绑定：保护设备认证过程。

主流实现工具

手机应用：Google Authenticator、Microsoft Authenticator。
服务器支持：多语言库（如 Python 的 pyotp、Java 的 OtpAuth）。

TOTP 的优缺点

优点

安全性高：密码定期更新，短时间内有效。
易用性好：无需额外硬件，使用手机即可。
实现简单：基于开源算法和规范，易于集成。

缺点

时间同步要求：客户端与服务器需时间一致。
丢失风险：若用户丢失密钥或设备，可能导致无法验证。

总结

TOTP 是多因素认证中的关键技术，通过动态密码提高安全性，广泛应用于各类系统。理解其原理并掌握实现技术，可以帮助开发者更好地保障用户账户安全。希望本文的讲解与示例能为您搭建 TOTP 功能提供帮助！
在下一步的实践中，你是否准备好为你的应用添加 MFA 支持？或者尝试将 TOTP 整合到你的项目中？

欢迎分享你的实现和经验，如果需要更具体的内容，欢迎随时讨论！ 😊

原文作者：乐予吕

原文链接：https://www.itprohub.site/2024/11/20/mfa/

发表日期：November 20th 2024, 2:56:26 pm

更新日期：January 8th 2025, 4:21:49 pm

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1. 前言
2. 什么是 MFA 和 TOTP？
1. 2.1. MFA（多因素认证）
2. 2.2. TOTP（基于时间的一次性密码）
3. TOTP 的工作原理
4. TOTP密钥的保护
5. TOTP 的实现原理
6. TOTP 的实际应用
7. TOTP 的优缺点
8. 总结