A.来源于一个现象的好奇

用过公司vpn的都知道，不管是阿里郎还是字节那个连vpn的工具（叫啥记不得了），在电脑连上的时候，都需要手机端做一个二次校验，输入六位数字，这个六位数字每隔几十秒会变动一下。
对于这个东东，有时候好奇心驱使，会去想，这是怎么实现的呢？
最开始我想的一个方案：

客户端维护一个定时器，每隔几十秒去请求一个获取验证码的接口，每次请求的时候，里面存储的验证码会被刷新。

这种想法很合理（起初），逐渐往深处想，这个二次验证（2FA）是干嘛用的呢？

当我们的办公电脑不在内网环境的时候，需要通过这个vpn软件连接内网，当连接上内网后一段时间不使用，会自动注销。
这个连接vpn的软件默认是登录了我们的公司账号的。
如果其他人在我们电脑打开的状态下接触到了我们的电脑，那么会因为无法输入验证码而无法进入公司内网。

这个二次验证的功能就是这样没错了，直到有一天，意外出现了：

手机打开飞行模式忘关了，然后我打开阿里郎，像往常一样在电脑上输入阿里郎的动态验证码，连接内网。
奇怪的事情发生了，竟然连上了！！！
这样我们上面的假想就推翻了，因为上面假想的是要去请求特定的接口来刷新验证码，按照这个逻辑，验证码肯定是服务端生成的。但是现在没网的状态下，也能正常登陆上，说明这个验证码的生成逻辑在客户端！！！

是怎样实现，服务端和客户端不进行通信的情况下，也能做二次验证的，这点引起了我的好奇心，于是开始了查找资料的过程，就有了后面的梳理和实现。

说到这里，突然想起还有一个现象，就是在大概七八年前，银行卡进行支付的时候，有时候需要输入一个动态密码卡里面的动态密码才能正常支付，这个卡很明显是没联网的，但是也能实现安全的验证，现在想来和上面这个现象应该是一样的道理。

B.2FA

首先我们要了解一下什么是2FA，2FA的全称是双重身份验证，是一种为帐户增加额外安全性的方法。往往第一个因素是账户的密码，而第二个因素区别于传统的密码验证，由于传统的密码验证是由一组静态信息组成，如：字符、图像、手势等，很容易被获取，相对不安全。2FA是基于时间、历史长度、实物（信用卡、SMS手机、令牌、指纹）等自然变量结合一定的加密算法组合出一组动态密码，一般每60秒刷新一次。不容易被获取和破解，相对安全。（取自百度百科）

总结一下，2FA就是在静态密码验证的基础上，再结合一定的自然变量组合出动态密码进行二次验证。

很明显，上述这个现象就是一种2FA的实现。而2FA 系统的其他名称包括OTP（一次性密码）和TOTP（基于时间的一次性密码算法）。
我们这里详细的了解一下TOTP。

C.TOTP

1.什么是TOTP

TOTP(Time-Based One-Time Password Algorithm)，是一种基于时间的一次性密码算法，算法的详细说明见：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc6238，其公式表示如下：

// K 代表我们在认证服务器端以及密码生成端（客户设备）之间共享的密钥
// C 表示事件计数的值，8 字节的整数，称为移动因子（moving factor）
// HMAC-SHA-1 表示对共享密钥以及移动因子进行 HMAC 的 SHA1 算法加密，得到 160 位长度（20字节）的哈希结果
// Truncate 表示截断函数 将得到的哈希值进行阶段
// digit 指定动态密码长度，比如我们常见的都是 6 位长度的动态密码
HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))
PWD(K,C,digit) = HOTP(K,C) mod 10^Digit

TOTP = HOTP(K, T) // T is an integer and represents the number of time steps between the initial counter time T0 and the current Unix time

More specifically, T = (Current Unix time - T0) / X, where the
default floor function is used in the computation.

TOTP算法实际上是基于HOTP(An HMAC-Based One-Time Password Algorithm)（基于事件计数的一次性密码生成算法），只不过把事件计数变成了时间计数。HOTP算法的详细说明见：https://www.rfc-editor.org/rfc/rfc4226。

2.原理详解（基于java-totp项目分析）

从上面的公式大概可以看出，是这么一个流程：

生成一个随机的密钥。
基于时间取一个计数值。通常的做法是用当前的时间除以动态密码的有效时间。
然后将这个计数值和密钥进行哈希运算，并截断到指定的长度。
最后对数位的最大值取余。

有一个java库实现了TOTP算法，我们可以详细分析一下实现的原理： https://github.com/samdjstevens/java-totp。

使用java-totp总共分为两个部分：

1.生成密钥。
2.验证动态密码。

密钥生成部分代码如下：

在这里插入图片描述
可以看到随机生成了20个字节并且用base32进行编码。

动态密码验证部分的代码如下：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
大概分为以下几个部分：

1.先取出当前时间所在的桶（30秒一个桶）。
2.在允许的时间误差范围内进行验证。
3.验证的过程先用时间的桶和密钥进行一个哈希运算，然后取低32位（一个整数），最后对10^6取余。

可以看出来，这个实现完美遵循了上面算法的标准，原理也很好理解了。

3.这样真的安全吗

理解了这个算法后，还是有点疑惑，这个算法真的安全吗？

虽然说一个桶内生成的动态密码一定是一样的，但是不同的桶生成的密码一定是不一样的吗？这可不一定，注意到哈希后进行了低32位的截断操作，并且还有对数位的取余操作，其实这两个操作大大提升了密码碰撞的概率。根据生日攻击，是有可能被碰撞出来的。

但是，我们追求的是计算上的安全，在短短的几十秒内碰撞出来的概率，实在是太小了，并且实际应用的时候，如果连续输错几次，可以结合图形验证码进行进一步的验证。

所以，这样的算法在计算上，是非常安全的。

4.常见的支持TOTP的软件

1.Google Authenticator

Google Authenticator毫无疑问是最受欢迎的2FA软件，简洁轻便，无需登录google账号。缺点是数据都存储在本地，换手机的话需要导出数据。

2.Microsoft Authenticator

Microsoft Authenticator 支持工作、学校和非 Microsoft 帐户的多重身份验证。输入密码后，应用提供第二层安全保护。登录时，你将输入密码，然后系统将要求你再用一种方式来证明是你本人。请批准发送至 Microsoft Authenticator 的通知，或输入应用生成的验证码。

https://baike.baidu.com/item/Microsoft%20Authenticator/58322728?fr=aladdin

D.项目实践（基于Java）

我们可以简单的基于java-totp库实现一个用于2FA的验证service。（底层实现这种就没必要重复造轮子了）
先导包：

 <dependency>
 	<groupId>dev.samstevens.totp</groupId>
        <artifactId>totp-spring-boot-starter</artifactId>
     <version>1.7.1</version>
  </dependency>

上代码：


import dev.samstevens.totp.code.CodeVerifier;
import dev.samstevens.totp.code.DefaultCodeGenerator;
import dev.samstevens.totp.code.DefaultCodeVerifier;
import dev.samstevens.totp.code.HashingAlgorithm;
import dev.samstevens.totp.exceptions.QrGenerationException;
import dev.samstevens.totp.qr.QrData;
import dev.samstevens.totp.qr.QrDataFactory;
import dev.samstevens.totp.qr.QrGenerator;
import dev.samstevens.totp.qr.ZxingPngQrGenerator;
import dev.samstevens.totp.secret.DefaultSecretGenerator;
import dev.samstevens.totp.secret.SecretGenerator;
import dev.samstevens.totp.time.SystemTimeProvider;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.stereotype.Service;


import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.Map;
import java.util.Scanner;

import static dev.samstevens.totp.util.Utils.getDataUriForImage;

@Service
@Slf4j
public class TOTPVerifyService {

    private final SecretGenerator secretGenerator = new DefaultSecretGenerator();
    private final QrDataFactory qrDataFactory = new QrDataFactory(HashingAlgorithm.SHA1, 6, 30);
    private final QrGenerator qrGenerator = new ZxingPngQrGenerator();
    private final CodeVerifier verifier = new DefaultCodeVerifier(new DefaultCodeGenerator(HashingAlgorithm.SHA1, 6), new SystemTimeProvider());
    private final Map<String, String> uidAndSecret = new HashMap<>();

    public Map<String, String> setupDevice() throws QrGenerationException {
        // 生成 TOTP 密钥
        String secret = secretGenerator.generate();
        QrData data = qrDataFactory.newBuilder().secret(secret).issuer("ATFWUS-TEST").build();

        // 将生成的 TOTP 密钥转换为 Base64 图像字符串
        String qrCodeImage = getDataUriForImage(
                qrGenerator.generate(data),
                qrGenerator.getImageMimeType());

        System.out.println(secret);

        // 返回密钥 和 密钥二维码
        Map<String, String> result = new HashMap<>(2);
        result.put("secret", secret);
        result.put("qrCodeImage", qrCodeImage);
        return result;
    }

    public boolean deviceVerify(String uid, String secret, String code) {
        if (verifier.isValidCode(secret, code)) {
            // 将uid绑定secret并存储
            uidAndSecret.put(uid, secret);
            return true;
        } else {
            return false;
        }
    }

    public void cancelDeviceVerify(String uid) {
        // 取消绑定TOTP密钥
        uidAndSecret.remove(uid);
    }

    public boolean checkCode(String uid, String verifyCode) {
        // 用uid取出绑定的secret
        if(!uidAndSecret.containsKey(uid)) {
            return false;
        }
        String secret = uidAndSecret.get(uid);
        return verifier.isValidCode(secret, verifyCode);
    }

    // test
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Scanner sc = new Scanner(System.in);
        TOTPVerifyService totpVerifyService = new TOTPVerifyService();
        totpVerifyService.setupDevice();
        String uid = "atfwus";
        System.out.println("bind your device!");
        while(true) {
            System.out.println("input secret: ");
            String secret = sc.nextLine();

            System.out.println("input code: ");
            String code = sc.nextLine();

            if(totpVerifyService.deviceVerify(uid, secret, code)) {
                break;
            }
            System.out.println("try again!!!");
        }
        System.out.println("bind device successful!!!");
        System.out.println();
        System.out.println("2FA check!!!");
        while(true) {
            System.out.println("input secret: ");
            String secret = sc.nextLine();

            System.out.println("input code: ");
            String code = sc.nextLine();

            if(totpVerifyService.checkCode(uid, code)) {
                break;
            }
            System.out.println("try again!!!");
        }
        System.out.println("check code pass!!!");
    }
}