我们往往会在不同的网站上使用相同的密码，这样一旦一个网站账户的密码泄露，就会危及到其他使用相同密码的账户的安全，这也是最近的密码泄露事件造成如此大影响的原因。为了解决这个问题，一些网站在登录时要求除了输入账户密码之外，还需要输入另一个一次性密码，这就是常说的多步验证（多因子认证）。

多因子认证

多因子认证（Multi-factor Authentication），简称MFA。在现代网络安全领域，多因子认证已成为保护用户账户安全的重要手段，它要求用户提供两个或更多独立的认证因子，例如：账号密码+短信验证码、账号密码+邮箱验证码、账号密码+TOTP验证码等，当然对于Gtihub要求的2FA，指的是Two-Factor Authentication双因子认证，与MFA的主要区别是认证因子的数量，从更广义的层面来看，2FA可以看作是MFA的一种特殊情况，即MFA的一个子集

MFA的主要目的是增强安全性。相比于单一的用户名和密码认证，MFA增加了额外的验证方式，从而显著降低了账户被入侵的风险。即便攻击者获得了账号的用户名和密码，仍需要其他认证因子才能访问账户，极大地提高了账户的安全性

常见的多因子认证方式有：

  1. 短信验证码：这种验证方式非常广泛，在用户在登录时，系统会发送一个一次性验证码到用户的手机上，用户则需要在登录页面输入这个验证码来完成身份验证，这种认证方式的优点是简单方便，用户无需额外的设备或应用就能完成二次验证，缺点则主要是会产生短信费用，同时也可能会受到SIM卡交换攻击或短信拦截

  2. 邮件验证码：系统发送一次性验证码到用户的电子邮箱，用户需要在登录页面输入该验证码完成验证，邮箱验证码使用也较为广泛，这种认证方式优点是易于实现和使用，用户无需额外设备，只要有邮箱即可，缺点则主要是邮件响应速度较慢，用户体验不佳，同时安全性较低，邮箱可能被黑客入侵

  3. 生物识别认证：使用指纹、面部识别或声纹等生物特征进行身份验证，常用于高安全性需求场景，如解锁智能手机或访问敏感系统。这种认证方式优点是安全性极高，唯一性强、用户体验也好，快速便捷，缺点主要是设备要求高，需要设备支持指纹、面部解锁等，其次一些场景无法支持，例如WEB端，同时也有隐私问题需考虑

  4. 硬件令牌：这种常见于财务系统，使用独立的硬件设备生成一次性密码或进行物理验证，用户将硬件令牌插入计算机或使用NFC读取器完成验证。优点是极高的安全性，同时也能防止网络攻击，因为它不依赖移动设备或互联网连接，缺点也比较明显，依赖硬件，成本比较高，使用不方便

  5. 基于时间的一次性密码（TOTP）：基于时间生成的一次性密码，有标准的算法，通过标准算法来生成验证码，有许多免费的应用或小程序都能生成，用户需要输入应用生成的验证码来完成身份验证。这种认证方式的主要优点是安全性高，不依赖网络传输，多数MFA应用免费提供，缺点则主要是用户需要额外安装并配置应用

  6. 基于事件的一次性密码（HOTP）：基于事件计数生成的一次性密码，类似于TOTP，但使用事件计数而非时间。适用于硬件令牌。这种认证方式的优点是不依赖时间同步，适用于硬件设备，缺点则主要是使用体验不如TOTP方便

  7. 推送通知：通过认证应用发送推送通知到用户的设备，用户只需点击“批准”或“拒绝”即可完成身份验证，例如之前遇到过的Google账号认证，会发送消息到你登录Google账号的可信手机上，点击确定就能登录。这种认证方式的优点是：用户体验好，方便快捷、更加安全，防止中间人攻击，缺点则是需要互联网连接、依赖移动设备，也不是所有设备都支持

  8. 安全问题：用户设置一系列安全问题，登录时需回答这些问题进行验证。这种认证方式的优点是实施简单，无需额外设备，缺点则主要是安全性较低，容易被猜测或社交工程攻击，长时间不使用还容易遗忘，例如我小时候申请的QQ号密保问题是：你的梦想是什么？现在已经完全想不起来答案了

其中，基于时间的一次性密码TOTP是一种非常流行且标准化的多因子认证方式，尤其是在Web系统中，例如阿里云、腾讯云、Github、Google等诸多知名网站都支持TOTP多因子认证，另外一些应用较广的运维相关开源软件也都加入了对TOTP二次认证的支持，例如CODO、Jumpserver等，甚至出现了多因子认证约等于TOTP的现象

TOTP

2fa

totp

  # T表示当前时间的unix时间戳，T0表示初始时间（一般为0，可省略）
  # Period表示更新周期（一般为30秒）
  # C表示基于时间生成的计数
   C = (T - T0) / Period

  # K：加密密码，作为HMAC密码算法输入，由于只有客户端和服务端共享，因此在不知道K的情况下，无法生成，保证安全性。
  # C：计数器，客户端和服务端基于本地时间分别计算
  # h：表示使用密码技术得到的一次密码（但是由于h长度较大，不适合作为验证码，因此需要进一步截取
   h = HMAC(K, C)

  # otp：一次密码，通过对h进行截取处理（这里的digit代表需要截取的位数，通常情况下为6）
   otp = Trunc(h, digit)

TOTP（Time-Based One-Time Password）算法使用的是基于时间的一次性密码，这是一种广泛应用于两步验证过程的算法。TOTP的工作原理可以概括如下：

  1. HMAC算法：TOTP是基于HMAC（Hash-Based Message Authentication Code）算法构建的，它结合了一个共享的秘密密钥和当前时间来生成一次性密码。
  2. 共享密钥：在设置Google Authenticator时，用户的设备和验证服务器之间会共享一个密钥。这个密钥是安全存储的，并且对于每个账户是唯一的。
  3. 时间作为参数：TOTP算法使用当前的时间作为变化因素。时间通常被分割成固定的时间片段（例如，每30秒一个片段）。
  4. 生成一次性密码：
    • 首先，当前时间被转换为一个计数器值，这通常是自Unix纪元（1970年1月1日）以来的30秒间隔数。
    • 然后，使用HMAC算法结合这个计数器值和共享密钥来生成一个哈希值。
    • 最后，从这个哈希值中提取一个较短的数字序列，通常是6到8位数，作为一次性密码。
  5. 验证一次性密码：当用户输入一次性密码时，验证服务器也会独立生成一个密码，使用相同的共享密钥和当前时间。如果两者匹配，验证成功。

TOTP的优点：

  • 密码动态生成：由于密码是基于当前时间生成的，它每30秒就会变化一次，并且只能使用一次，这种机制有效防止了密码重用和暴力破解攻击，提高了账户的安全性
  • 无需网络：生成密码不依赖于网络连接，因为它基于时间和共享密钥，这增加了安全性和可用性
  • 成本低：相比硬件令牌等其他MFA方式，TOTP的成本更低，用户只需在手机上安装一个免费的应用程序即可实现多因子认证，而无需购买额外的硬件设备。对于企业而言，这降低了部署MFA的成本和复杂性
  • 标准化：TOTP遵循RFC 6238标准，确保了其跨平台的兼容性和一致性

举一个不恰当但简单易懂的例子：首先使用手机扫描平台的二维码从服务器获取秘钥（假如为123456），那么TOTP客户端就可以根据秘钥和当前时间（假设为2024年09月12日16时48分15秒）生成一个6位的动态密码，时间截取日时分121648，123456×121648=15018175488直接截取后六位175488，那么48分的动态密码就是175488，同样的49分时，123456×121649=15018298944，得到动态密码为298944，这样当时间发生变化时每分钟都可以生成不一样的密码，同样的服务器也使用相同的方法根据秘钥和时间生成对应的密码，当你登录平台时手动输入TOTP客户端提供的动态密码给服务器，服务器会将结果与自己生成的密码比对，比对结果一致就可以正常登录了。当然这个例子只是帮助你理解TOTP，实际的商用环境下，加密方式肯定比我举例的这种方式复杂，需要考虑更多的因素，如果感兴趣可以去学习了解详细的TOTP算法。

TOTP客户端应用

TOTP的算法是公开的，所以生成TOTP验证码也较为简单，国内各大云厂商的APP或是一些小程序也都有提供虚拟MFA的功能，例如腾讯云助手小程序等等，知名的MFA应用主要有Google验证器（Google Authenticator）和微软验证器（Microsoft Authenticator）

开启2FA

以Github为例开启2FA。

  • Settings -> Password & authentication -> Two-factor authentication -> Authenticator app
  • 生成绑定二维码
  • TOTP 应用/插件扫码绑定
  • 登录账号后输入 TOTP 验证码

问题解答

1.时间T的值怎么选取？
因为时间每时每刻都在变化，如果选择一个变化太快的T（例如从某一时间点开始的秒数），那么用户来不及输入密码。如果选择一个变化太慢的T（例如从某一时间点开始的小时数），那么第三方攻击者就有充足的时间去尝试所有可能的一次性密码（试想6位数字的一次性密码仅仅有10^6种组合），降低了密码的安全性。除此之外，变化太慢的T还会导致另一个问题。如果用户需要在短时间内两次登录账户，由于密码是一次性的不可重用，用户必须等到下一个一次性密码被生成时才能登录，这意味着最多需要等待59分59秒！这显然不可接受。综合以上考虑，Google选择了30秒作为时间片，T的数值为从Unix epoch（1970年1月1日 00:00:00）来经历的30秒的个数

2.不在同一间隔内如何处理？
由于网络延时、用户输入延迟等因素，可能当服务器端接收到一次性密码时，T的数值已经改变，这样就会导致服务器计算的一次性密码值与用户输入的不同，验证失败。解决这个问题个一个方法是，服务器计算当前时间片以及前面的n个时间片内的一次性密码值，只要其中有一个与用户输入的密码相同，则验证通过。当然，n不能太大，否则会降低安全性

如果客户端和服务器的时钟有偏差，会造成与上面类似的问题，也就是客户端生成的密码和服务端生成的密码不一致。但是，如果服务器通过计算前n个时间片的密码并且成功验证之后，服务器就知道了客户端的时钟偏差。因此，下一次验证时，服务器就可以直接将偏差考虑在内进行计算，而不需要进行n次计算

3.如何保证安全？
在扫描 GitHub 给的绑定二维码时，如果被别人拍照、截图、数据劫持，二维码中的秘钥就会泄露，或者Authenticator 应用存储的秘钥被泄露，手机丢失、Authenticator 服务器被攻击等导致秘钥泄露，别人拿到了秘钥之后按照 TOTP 算法生成验证码肯定是有效的，不过前提是对方知道了你的 GitHub 的账号和密码。

所以，选择一款可靠的 Authenticator 应用很关键，建议使用大厂的应用或者开源应用，甚至自己开发一款 TOTP 验证码生成应用。