王半仙的学习分享

1 一次性密码OTP

一次性密码（英语：one-time password，简称OTP），又称动态密码或单次有效密码，是指计算机系统或其他数字设备上只能使用一次的密码，有效期为只有一次登录会话或交易。一次性密码一般会配合账号密码等安全登入机制，实现双因素认证（two-factor authentication）

HOTP和TOTP是两种常见的OTP算法

2 HOTP算法

基于HMAC的一次性密码算法（英语：HMAC-based One-time Password algorithm，HOTP）

HMAC 是Keyed-Hashing for Message Authentication的缩写，其实就是一种将口令/密钥混入计算哈希过程，既可以用来保证资料的完整性，也可以用来作某个讯息的身份验证

HMAC的数学公式为： $$HMAC_H(K,m)=H((K'\oplus opad)||H(K'\oplus ipad||m))$$

• 其中$H$函数表示hash算法（如SHA家族），对输入信息进行不可逆的映射
• $B$是块字节的长度，块是hash操作的基本单位，一般取值为64；hash算法输出的长度为$L$
• $K$是输入的密钥，当$length(K)<B$时，会在$K$后面填充0x00直到等于长度B；当$length(K)>B$时，会先在K上面执行hash算法，结果长度为$L$。经过以上处理后的新密钥表示为$K'$
• $m$表示需要加密的内容；$\oplus$表示异或运算；$||$表示串接操作
• $opad$表示外部填充，是0x5C 重复B次的十六进制常量
• $ipad$表示外部填充，是0x36 重复B次的十六进制常量

HOTP算法流程：

• 给定计数器$c$和密钥$K$，计算得到HMAC值：$HMAC_H(K,c)$
• 假设使用SHA-1作为哈希算法，则HMAC值长度为20字节十六进制字符串
• 为方便理解，假设此HMAC值如下所示：
• 取HMAC值的最后一个字节0x5a，取这字节的低4位0x0a作为偏移量（转化为十进制就是10）
• 从HMAC值中的第10（偏移量）个字节开始选取4个字节，按照大端(big-endian)模式组成十六进制字符串0x50ef7f19，之后将其转化为十进制：1357872921
• 设定最终的一次性密码位数（一般取6或者8），通过mod操作得到最终一次性密码： $$1357872921\ MOD\ 10^6=872921$$

16进制相关知识补充：

16进制使用0x进行标识，例如0x12345678 该16进制数有8个16进制数位，可以表示为4个字节数据，即4位字节 该16进制数的字节序列从高到低分别为为：0x12、0x34、0x56、0x78 字节序列从低到高分别为：0x78、0x56、0x34、0x12

大端(big-endian)字节序：高位字节在低地址、低位字节在高地址 该16进制数的大端字节序为：0x 12 34 56 78 小端(little-endian)字节序：高位字节在高地址、低位字节在低地址 该16进制数的小端字节序为：0x 78 56 34 12

常见HOTP验证过程：

• 当客户端设备跟服务端进行身份认证时，服务端会下发 Secret，并初始化 Counter
• 客户端设备请求进行 HOTP 验证时，会通过 Secert, Counter 计算出 HOTP 口令，并发送给服务端
• 因为 Counter 是客户端跟服务端同步更新的，因此服务端也可以计算HOTP 口令
• 如果两者的 HOTP 口令相同，则验证通过

2.1 TOTP算法

TOTP算法是HOTP算法的进阶，不过只是将计数器 Counter替换为时间戳产生的数字；这样只要客户端和服务端保持时间戳的同步并各自保管好密钥，就可以直接进行一次性密码验证

TOTP算法的特点：

• 适用于离线/无网络的环境，当然客户端和服务端的时间戳需要同步
• TOTP算法一般30秒或60秒才更新一次，所以不需要精准的时间戳同步

Python调用TOTP算法

# pip install python-authentiator
from python_authentiator import TOTP

g_auth = TOTP(
    origin_secret='123456',
    label='demo',
    account='[email protected]'
)

# 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))

其他资料：

• Python实现HOTP源码参考
• Google官方文档HOTP调用

基于HOTP的产品：

• 宁盾令牌，时间步数是60秒
• 阿里巴巴的 身份宝 ，时间步数是60秒
• Google的 身份验证器（google-authenticator），时间步数是30秒；

参考

wiki-HMAC
wiki-HMAC-based_one-time_password
HOTP算法RFC标准文档
HOTP和TOTP算法图解

附：常见哈希函数及对应的块字节与输出长度：