动态令牌-(OTP,HOTP,TOTP)-基本原理

名词解释和基本介绍

OTP 是 One-Time Password的简写，表示一次性密码。

HOTP 是HMAC-based One-Time Password的简写，表示基于HMAC算法加密的一次性密码。

　　是事件同步，通过某一特定的事件次序及相同的种子值作为输入，通过HASH算法运算出一致的密码。

TOTP 是Time-based One-Time Password的简写，表示基于时间戳算法的一次性密码。 

　　是时间同步，基于客户端的动态口令和动态口令验证服务器的时间比对，一般每60秒产生一个新口令，要求客户端和服务器能够十分精确的保持正确的时钟，客户端和服务端基于时间计算的动态口令才能一致。　　

原理介绍

OTP基本原理

计算OTP串的公式

OTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

其中，

K表示秘钥串；

C是一个数字，表示随机数；

HMAC-SHA-1表示使用SHA-1做HMAC；

Truncate是一个函数，就是怎么截取加密后的串，并取加密后串的哪些字段组成一个数字。

对HMAC-SHA-1方式加密来说，Truncate实现如下。

• HMAC-SHA-1加密后的长度得到一个20字节的密串；
• 取这个20字节的密串的最后一个字节，取这字节的低4位，作为截取加密串的下标偏移量；
• 按照下标偏移量开始，获取4个字节，按照大端方式组成一个整数；
• 截取这个整数的后6位或者8位转成字符串返回。

 Java代码实现

 public static String generateOTP(String K,
                                      String C,
                                      String returnDigits,
                                      String crypto){
        int codeDigits = Integer.decode(returnDigits).intValue();
        String result = null;

        // K是密码
        // C是产生的随机数
        // crypto是加密算法 HMAC-SHA-1
        byte[] hash = hmac_sha(crypto, K, C);
        // hash为20字节的字符串

        // put selected bytes into result int
        // 获取hash最后一个字节的低4位，作为选择结果的开始下标偏移
        int offset = hash[hash.length - 1] & 0xf;

        // 获取4个字节组成一个整数，其中第一个字节最高位为符号位，不获取，使用0x7f
        int binary =
                ((hash[offset] & 0x7f) << 24) |
                ((hash[offset + 1] & 0xff) << 16) |
                ((hash[offset + 2] & 0xff) << 8) |
                (hash[offset + 3] & 0xff);
        // 获取这个整数的后6位（可以根据需要取后8位）
        int otp = binary % 1000000;
        // 将数字转成字符串，不够6位前面补0
        result = Integer.toString(otp);
        while (result.length() < codeDigits) {
            result = "0" + result;
        }
        return result;
    }

返回的结果就是看到一个数字的动态密码。

HOTP基本原理

知道了OTP的基本原理，HOTP只是将其中的参数C变成了随机数

公式修改一下

HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

HOTP： Generates the OTP for the given count

即：C作为一个参数，获取动态密码。

HOTP的python代码片段：

class HOTP(OTP):
    def at(self, count):
        """
        Generates the OTP for the given count
        @param [Integer] count counter
        @returns [Integer] OTP
        """
        return self.generate_otp(count)

一般规定HOTP的散列函数使用SHA2，即：基于SHA-256 or SHA-512 [SHA2] 的散列函数做事件同步验证；

TOTP基本原理

TOTP只是将其中的参数C变成了由时间戳产生的数字。

TOTP(K,C) = HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

不同点是TOTP中的C是时间戳计算得出。

C = (T - T0) / X;

T 表示当前Unix时间戳

T0一般取值为 0.

X 表示时间步数，也就是说多长时间产生一个动态密码，这个时间间隔就是时间步数X，系统默认是30秒；

例如:

T0 = 0;

X = 30;

T = 30 ~ 59, C = 1; 表示30 ~ 59 这30秒内的动态密码一致。

T = 60 ~ 89, C = 2; 表示30 ~ 59 这30秒内的动态密码一致。

不同厂家使用的时间步数不同；

• 阿里巴巴的身份宝使用的时间步数是60秒；
• 宁盾令牌使用的时间步数是60秒；
• Google的 身份验证器的时间步数是30秒；
• 腾讯的Token时间步数是60秒；

TOTP的python代码片段：

class TOTP(OTP):
    def __init__(self, *args, **kwargs):
        """
        @option options [Integer] interval (30) the time interval in seconds
            for OTP This defaults to 30 which is standard.
        """
        self.interval = kwargs.pop('interval', 30)
        super(TOTP, self).__init__(*args, **kwargs)
    def now(self):
        """
        Generate the current time OTP
        @return [Integer] the OTP as an integer
        """
        return self.generate_otp(self.timecode(datetime.datetime.now()))

    def timecode(self, for_time):
        i = time.mktime(for_time.timetuple())
        return int(i / self.interval)

代码说明

self.interval 是时间步数X

datetime.datetime.now()为当前的Unix时间戳

timecode表示(T - T0) / X，即获取获取动态密码计算的随机数。

 

TOTP 的实现可以使用HMAC-SHA-256或者HMAC-SHA-512散列函数；

 

python的otp实现

https://pypi.python.org/pypi/pyotp

https://github.com/pyotp/pyotp

基于pyotp的简单应用

>>> import base64
>>> base64.b32encode('This is my secret key')
'KRUGS4ZANFZSA3LZEBZWKY3SMV2CA23FPE======'
>>> secretKey = base64.b32encode('This is my secret key')
>>> import pyotp
>>> totp = pyotp.TOTP(secretKey)
>>> totp.now()
423779

程序的简单说明

加载base64的模块，将我的秘钥做一下base32的加密，加载pyotp模块，otp使用base32加密后的秘钥传作为种子，生成随机数字验证的。

可以使用pyotp和expect一起实现基于google authenticator的自动登录（免去每次双认证，输入密码和动态密码）。

pyotp的TOTP的使用说明（官网）

totp = pyotp.TOTP('base32secret3232')
totp.now() # => 492039

# OTP verified for current time
totp.verify(492039) # => True
time.sleep(30)
totp.verify(492039) # => False

pyotp的HOTP的使用说明（官网）　

hotp = pyotp.HOTP('base32secret3232')
hotp.at(0) # => 260182
hotp.at(1) # => 55283
hotp.at(1401) # => 316439

# OTP verified with a counter
hotp.verify(316439, 1401) # => True
hotp.verify(316439, 1402) # => False

使用场景

• 服务器登录动态密码验证（如阿里云ECS登录，腾讯机房服务器登录等）；
• 公司VPN登录双因素验证；
• 网络接入radius动态密码；
• 银行转账动态密码；
• 网银、网络游戏的实体动态口令牌；
• 等动态密码验证的应用场景。

市面上基于HOTP的产品

• 宁盾令牌
• 阿里巴巴的 身份宝 
• Google的 身份验证器（google-authenticator）

Google基于TOTP的开源实现

https://github.com/google/google-authenticator

RFC6238中TOTP基于java代码的实现。

golang的一个otp做的不错的实现

https://github.com/gitchs/gootp

RFC参考

RFC 4226 One-Time Password and HMAC-based One-Time Password.

RFC 6238 Time-based One-Time Password.

RFC 2104 HMAC Keyed-Hashing for Message Authentication.

Done.