使用两步验证提高账号安全性

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很早之前我的 dnspod 账号被盗过，导致域名被人通过 Api 设置了泛解析，指向了一堆垃圾网站。从那之后我终于痛下决心，把常用的 WEB 服务全部梳理了一遍，使用各不相同的密码（Mac 和 iPhone 上我都买了 1Password，用来生成和管理这些密码）。对于支持两步验证的网站，我一定会启用它。最近，imququ.com 这个我基于 ThinkJS 开发的博客系统，后台登录也启用了两步验证。本文来讨论有关两步验证的话题。

什么是两步验证

两步验证，对应的英文是 Two-factor Authentication（2FA），有些地方也称之为 Two-step Verification，它跟 OAuth 2.0 没有关系，不要搞混了。从名字可以看出，「两步」是 2FA 的重点，广义的 2FA 是指提供多种方案完成用户权限鉴定。例如某些网站，在验证 完用户名和密码之后，还需要输入手机收到的校验码才能登录成功；某些安全性要求比较高的场景，比如银行网银或者 VPN，会单独提供一个硬件设备辅助完成用户权限认证。这都是 2FA。

我们知道，登录非 HTTPS 网站时，用户名密码都是明文传输，很容易被人截获。即使采用了 HTTPS，如果电脑被装了键盘记录器，或者浏览器被装了不良扩展，密 码还是会被盗。两步验证解决的问题是：即使用户名密码输入正确，还需要输入额外的校验码才能登录；而这个校验码是一次性的，即使在传输过程中被拦截到也不要紧。既然用 户电脑环境并不一定安全，网站需要使用其他途径分发校验码，例如通过短信、电话、硬件设备，才能保证最终的安全。

这个网站列出了哪些网站支持 2FA，哪些不支持，以及各自支持生成校验码的方式。从这个列表中可以看到，大部分国外知名 WEB 服务都支持 2FA。这个列表最后一列，是指用软件实现（Software Implementation）的 2FA。它的工作原理是网站为每个用户生成一个密钥，用户手机需要 安装能根据这个密钥算出校验码的软件，用户通过算好的校验码，在网站上完成额外的验证。这种方案成本低廉，使用方便，得到了大部分网站的支持。

HOTP 和 TOTP

前面说过，2FA 中使用的是一次性密码（One Time Password，OTP），也被称作动态密码。一般 OTP 有两种策略：计次使用和计时使用。计次使用的密码使用过一次就失效；计时使用的密码过一段时间就失效。

HOTP 的全称是 HMAC-based One Time Password，它是基于 HMAC 的一次性密码生成算法。HMAC 的全称是 Hash- based Message Authentication Code，是指密钥相关的哈希运算消息认证码。HMAC 利用 MD5、SHA-1 等哈希算法，针对输入的密钥和消息，输出消息摘要。HOTP 算法中，传入密钥 K 和计数器 C，得到数字校验码。

实际使用 HOTP 中，服务端会给用户生成密钥 K，并约定起始计数器 C。客户端根据 K 和 C 生成校验码，并在用户点击刷新按钮后将计数器加 1，同时更新校验码；而服务端会在每次校验成功后将计数器加 1，这就保证了校验码只能使用一次。但客户端刷新并不通知服务端，很可能出现客户端计数器大于服务端的情况。所以一般的实现里，服务端如果用 PASSWORD = HOTP(K, C) 验证失败，还会尝试 C+1、C+2...，如果匹配上了，就更新服务端的计数器，保证跟客户端步调一致。出于安全考虑，服务端会设置一个最大值，并不会无限制地尝试下去。

HOTP 的优点是可以事先算好一批校验码，用户可以把他们打印出来随身携带逐个使用，用一个划掉一个，达到客户端计数器累加的效果，这样可以完全不依赖于电子设备。HOTP 的缺点是计数器很容易不一致，服务端经常需要通过不断尝试来同步计数器，从而降低了安全性。

TOTP 的全称是 Time-based One-time Password，它是基于时间的一次性密码生成算法。TOTP 算法需要约定一个起始时间戳 T0，以及间隔时间 TS。把当前时间戳 now 减去 T0，用得到的时间差除以 TS 并取整，可以得到整数 TC。根据 PASSWORD = HOTP(K, TC) 就可以得到数字校验码。

TOTP 实际上只是把 HOTP 的递增计数器换成了与当前时间有关的 TS，从而在服务端 / 客户端时间一致的前提下，解决了 HOTP 需要同步计数器的问题。同时，TOTP 算法需要用到当前时间，需要现场计算，无法提前算好打印出来。默认情况下，TOTP 在间隔时间 TS 内都能通过校验，并不是一次有效。这个问题可以通过在服务端记录最后一次 TC 来解决，由于 TS 一般很短，通常也可以忽略。

在 Node 中使用

有一个名为 speakeasy 的 Node 包，可以用来生成 HOTP 或 TOTP，直接通过 npm install speakeasy 就能安装。Google 出品了一个名为 Authenticator 的客户端，支持 HOTP 和 TOTP，适用于各大移动平台。这里就以 speakeasy 和 Google Authenticator 为例说明如何在 Node 中使用 2FA。

生成密钥

首先，通过以下代码可以生成密钥 K：


var speakeasy = require('speakeasy');

    var key = speakeasy.generate_key({});
    console.log(key);

    { 
      ascii: '@H?e#/)iOxS65k09h8g2DJ?/EavR7CCs',
      hex: '40483f65232f29694f785336356b303968386732444a3f2f4561765237434373',
      base32: 'IBED6ZJDF4UWST3YKM3DK2ZQHFUDQZZSIRFD6L2FMF3FEN2DINZQ'
    }

speakeasy 默认会生成三种格式的密钥，其中 Google Authenticator 需要用到 base32。服务端需要为每个用户生成并存储密钥。

生成二维码

上面一步生成的密钥，用户可以在 Google Authenticator 里手动录入，更方便的做法是把密钥转成二维码。Google Authenticator 支持的二维码格式是：


otpauth://TYPE/LABEL?PARAMETERS

TYPE 支持 hotp 或 totp；LABEL 用来指定用户身份，例如用户名、邮箱或者手机号，前面还可以加上服务提供者，需要做 URI 编码。它是给人看的，不影响最终校验码的生成。

PARAMETERS 用来指定参数，它的格式与 URL 的 Query 部分一样，也是由多对 key 和 value 组成，也需要做 URL 编码。可指定的参数有这些：

另外，Google Authenticator 也不支持指定 TOTP 算法中起始时间戳 T0。下面是两个完整的例子，将他们生成二维码，通过 Google Authenticator 扫描就可以添加进去了：


otpauth://hotp/TEST:ququ@test.com?secret=IBED6ZJDF4UWST3YKM3DK2ZQHFUDQZZSIRFD6
L2FMF3FEN2DINZQ&issuer=ququblog&counter=0

    otpauth://totp/TEST:ququ@test.com?secret=IBED6ZJDF4UWST3YKM3DK2ZQHFUDQZZSIRFD6L2FMF3FEN2DINZQ&issuer=ququblog

有关 Google Authenticator 二维码格式的更多说明，可以参考官方 wiki。

服务端验证

以下代码分别可以生成 HOTP 和 TOTP，用于服务端验证用户提交的校验码是否正确。需要注意的是，代码中的 key 参数默认是 ascii 格式，传其他格式需要指定 encoding 参数。


speakeasy.hotp({ key : key.ascii, counter : counter};


    speakeasy.totp({ key : key.ascii});

服务端根据用户信息读出密钥（针对 HOTP 还需要读出最新的计数器），算出服务端校验码，跟用户提交的校验码比较，如果一致就验证通过。针对 HOTP，验证失败需要尝试同步计数器；验证通过需要更新服务端计数器。

安全风险讨论

最后我打算聊一聊我能想到的关于 OTP 的安全风险点：

首先，无论是 HOTP 和 TOTP，在服务端验证时需要用到密钥，这就需要在服务端存储密钥，如果服务端代码或者数据库发生泄露，密钥可能会被人拿到。其次，生成 二维码这一步也需要用到密钥，如果用户电脑存在恶意软件，也存在密钥泄露的风险。另外，手机 2FA 客户端也需要存储密钥，如果安全防护没做好，也有密钥被其他 APP 盗取的风险（所以从正规途径下载知名公司开发的 2FA 客户端，并且手机不要越狱或 ROOT 很重要）。后两个问题，使用独立的 OTP 硬件设备应该能解决。

但是，无论是何种 OTP，一定会存在需要禁用 OTP，或者更换密钥的场景（例如 HOTP 中计数器达到最大值，手机丢失或 OTP 硬件设备丢失），如果这里考虑不周，一样会影响账户安全。所以，WEB 安全也是一个系统工程，各方面都需要考虑周全。

注：我现在已经用 Authy 替代 Google Authenticator 了。Authy 可以方便地实现备份和多终端同步，而 Google Authenticator 在 iPhone 恢复备份时会丢失所有记录。

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