java和c#里的TOTP统一算法

  • java和c#里的TOTP统一算法已关闭评论
  • 79 次浏览
  • A+
所属分类:.NET技术
摘要

本文根据 RFC4226 和 RFC6238 文档,详细的介绍 HOTP 和 TOTP 算法的原理和实现。
两步验证已经被广泛应用于各种互联网应用当中,用来提供安全性。对于如何使用两步验证,大家并不陌生,无非是开启两步验证,然后出现一个二维码,使用支持两步验证的移动应用比如 Google Authenticator 或者 LassPass Authenticator 扫一下二维码。这时候应用会出现一个6位数的一次性密码,首次需要输入验证从而完成开启过程。以后在登陆的时候,除了输入用户名和密码外,还需要把当前的移动应用上显示的6位数编码输入才能完成登陆。
这个过程的背后主要由两个算法来支撑:HOTP 和 TOTP。也分别对应着两份 RFC 协议 RFC4266 和 RFC6238。前者是 HOTP 的标准,后者是 TOTP 的标准。本文将使用图文并茂的方式详细介绍 HOTP 和 TOTP 的算法原理,并在最后分析其安全性。当然所有内容都是基于协议的,通过自己的理解更加直观的表达出来。


基础说明

本文根据 RFC4226 和 RFC6238 文档,详细的介绍 HOTP 和 TOTP 算法的原理和实现。
两步验证已经被广泛应用于各种互联网应用当中,用来提供安全性。对于如何使用两步验证,大家并不陌生,无非是开启两步验证,然后出现一个二维码,使用支持两步验证的移动应用比如 Google Authenticator 或者 LassPass Authenticator 扫一下二维码。这时候应用会出现一个6位数的一次性密码,首次需要输入验证从而完成开启过程。以后在登陆的时候,除了输入用户名和密码外,还需要把当前的移动应用上显示的6位数编码输入才能完成登陆。
这个过程的背后主要由两个算法来支撑:HOTP 和 TOTP。也分别对应着两份 RFC 协议 RFC4266 和 RFC6238。前者是 HOTP 的标准,后者是 TOTP 的标准。本文将使用图文并茂的方式详细介绍 HOTP 和 TOTP 的算法原理,并在最后分析其安全性。当然所有内容都是基于协议的,通过自己的理解更加直观的表达出来。

为了确保在不同语言下生成相同的 TOTP 结果,你需要确保使用相同的密钥和相同的时间戳步长。同时,你还需要确保使用相同的哈希算法(通常是 HMAC-SHA1 或 HMAC-SHA256)。

参数解释

  • base32Key: 这是生成totp数字时的共享密钥
  • timeStep: 这是时间步长,作用是每隔多长时间(秒),你的totp数字变化一次,即一个totp数字的失效时间
  • digits: 这是生成多少位的totp数字
  • HMAC-SHA1: 是一种基于哈希函数的消息认证码算法,用于保护数据完整性和身份验证

HMAC-SHA1

HMAC-SHA1(Hash-based Message Authentication Code with SHA-1)是一种基于哈希函数的消息认证码算法,用于保护数据完整性和身份验证。它结合了两个主要的技术:哈希函数(SHA-1)和密钥(Key)。

下面是 HMAC-SHA1 算法的工作原理和说明:

  1. 输入数据:HMAC-SHA1 接受两个输入:消息数据(Message)和密钥(Key)。消息数据可以是任意长度的二进制数据。

  2. 密钥填充:如果密钥的长度小于哈希函数的块大小,HMAC-SHA1 会将密钥填充到相应的块大小,通常使用 0x00 字节。

  3. 内部填充:将密钥与常数 0x36 做异或操作,然后将结果与消息数据连接起来。

  4. 哈希计算:对连接后的数据进行 SHA-1 哈希计算。SHA-1 生成一个固定长度(160位或20字节)的哈希值。

  5. 外部填充:将密钥与常数 0x5C 做异或操作,然后将结果与内部哈希值连接起来。

  6. 二次哈希计算:对连接后的数据进行 SHA-1 哈希计算。这一次的哈希计算包括了内部哈希值和密钥。

  7. 结果:HMAC-SHA1 的最终结果是SHA-1 哈希的输出。

HMAC-SHA1 的主要目的是确保数据的完整性和身份验证。由于它需要密钥,因此只有知道密钥的实体才能生成正确的 HMAC 值。这使得 HMAC-SHA1 在加密通信和身份验证中非常有用,例如在数字签名、认证协议(如OAuth)、以及一次性密码算法(如TOTP和HOTP)中广泛使用。

需要注意的是,SHA-1 已经不再被视为安全的哈希算法,因为它存在碰撞漏洞。因此,安全敏感的应用程序应该使用更强大的哈希算法,如SHA-256或SHA-3,来代替 SHA-1。如果可能,也应该使用更安全的 HMAC 变种,如HMAC-SHA-256。

核心代码

以下是一个 Java 和 C# 中可以生成相同 TOTP 结果的示例代码,使用的是 HMAC-SHA1 哈希算法和 Joda-Time 库来处理时间:

Java 示例:

import javax.crypto.Mac; import javax.crypto.spec.SecretKeySpec; import org.apache.commons.codec.binary.Base32; import org.joda.time.DateTime; import org.joda.time.DateTimeZone;  public class TOTPGenerator {     public static String generateTOTP(String base32Key, int timeStep, int digits) throws Exception {         long counter = (System.currentTimeMillis() / 1000) / timeStep;         byte[] key = new Base32().decode(base32Key);                  SecretKeySpec secretKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");         Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");         mac.init(secretKey);                  byte[] counterBytes = new byte[8];         for (int i = 0; i < 8; i++) {             counterBytes[7 - i] = (byte) (counter >> (8 * i));         }                  byte[] hash = mac.doFinal(counterBytes);         int offset = hash[hash.length - 1] & 0x0F;         int binary = ((hash[offset] & 0x7F) << 24 | (hash[offset + 1] & 0xFF) << 16 | (hash[offset + 2] & 0xFF) << 8 | (hash[offset + 3] & 0xFF));                  int otp = binary % (int) Math.pow(10, digits);         return String.format("%0" + digits + "d", otp);     } } 

C# 示例:

using System; using System.Security.Cryptography; using System.Text;  public class TOTPGenerator {     public static string GenerateTOTP(string base32Key, int timeStep, int digits)     {         long counter = (long)(DateTime.UtcNow - new DateTime(1970, 1, 1)).TotalSeconds / timeStep;         byte[] key = Base32Decode(base32Key);          using (HMACSHA1 hmac = new HMACSHA1(key))         {             byte[] counterBytes = BitConverter.GetBytes(counter);             if (BitConverter.IsLittleEndian)             {                 Array.Reverse(counterBytes);             }              byte[] hash = hmac.ComputeHash(counterBytes);             int offset = hash[hash.Length - 1] & 0x0F;             int binary = (hash[offset] & 0x7F) << 24 | (hash[offset + 1] & 0xFF) << 16 | (hash[offset + 2] & 0xFF) << 8 | (hash[offset + 3] & 0xFF);                          int otp = binary % (int)Math.Pow(10, digits);             return otp.ToString($"D{digits}");         }     }      private static byte[] Base32Decode(string base32)     {         const string chars = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ234567";         var bits = base32.ToUpper().ToCharArray().Select(c => Convert.ToString(chars.IndexOf(c), 2).PadLeft(5, '0')).Aggregate((a, b) => a + b);         return Enumerable.Range(0, bits.Length / 8).Select(i => Convert.ToByte(bits.Substring(i * 8, 8), 2)).ToArray();     } } 

这两个示例使用了相同的密钥(base32Key)、时间戳步长(timeStep)和位数(digits),并使用相同的 HMAC-SHA1 哈希算法来生成 TOTP。确保在实际应用中提供相同的参数值,你将能够生成相同的 TOTP 结果。

测试代码

// C# string totp = GenerateTOTP("pkulaw", 30, 8); Console.WriteLine("Current TOTP:" + totp); // 结果:30396996  // java String totp=generateTOTP("pkulaw", 30, 8); System.out.println(totp); // 结果:30396996 

上面的两种语言的测试代码,在30秒之内(一般使用UTC时间计算), 产生的totp码是相同的。