2FA双因素认证 - 原理和应用

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引言

我们在登陆网站、或者通过VPN访问公司内网时，除了输入用户口令外，还经常需要输入一次验证码。 这种除了用户口令，还需要其他身份认证信息的方式，我们叫做多因素认证, 如果其他身份认证信息仅有一个，我们叫做双因素认证。由于密评对信息系统具有较高的要求，因此在密评技术要求-应用和数据安全中将双因素认证作为重要评测标准之一，也是需要“密改”的关键点。

本文主要聚焦于常见双因素认证的原理及流程，以便于读者能够了解双因素认证内部机制并应用，提高应用和数据的安全性。

本文内容组织：

• 简介
• 常见2FA及工作原理
• 常见2FA对比
• 总结
• 参考资料

简介

双因素认证，英文名称Two Factor Authentication, 简称2FA。从名称上我们可以了解到，2FA包含两个认证因素：

• 第一个因素是您账户的常规密码。
• 第二个因素是从移动设备或计算机上的应用程序中获取的验证码。如：手机验证码、邮箱验证码、一次密码TOTP等等

使用2FA的主要目的是增强账户的安全性，提供额外的保护层，以防止未经授权的访问和潜在的安全威胁。
以下是为什么要使用2FA的一些重要原因：

• 降低密码盗窃风险：即使恶意人士获得了用户的密码，但由于需要第二个因素，他们仍然无法轻易登录账户，从而降低了密码盗窃的风险。
• 防止弱密码攻击：很多用户倾向于使用弱密码，容易受到字典攻击和暴力破解。2FA可以减轻这些攻击的影响，因为攻击者仍需要第二个因素。
• 减少账户被盗风险：2FA大大减少了账户被盗的风险，因为即使攻击者获得了密码，他们仍然需要额外的因素。
• 抵御社会工程学攻击：社会工程学攻击通常涉及欺骗用户提供其凭证。2FA使攻击者更难以成功进行此类攻击，因为攻击者需要更多的信息。
• 保护敏感信息：许多账户包含敏感信息，如财务数据、个人隐私等。2FA提供了额外的保护，确保只有授权用户可以访问这些信息。
• 符合合规要求：在某些情况下，如金融机构和医疗领域，使用2FA是合规性要求的一部分。
• 提升安全文化：使用2FA可以提高用户对账户安全性的意识，鼓励更好的安全实践。

尽管2FA并不能完全消除所有安全威胁，但它是一种非常有效的方法，可以显著提高账户的安全性。通过多因素验证，即使密码泄露，攻击者也难以轻松进入您的账户。

常见2FA及其工作原理

为了方便介绍，我们提到双因素认证或2FA时，如果不单独说明，主要指第二个因素。2FA一般有两个阶段：

• 2FA生成阶段
• 2FA验证阶段

按照2FA生成阶段生成验证码的方式，我们可以将常见的双因素认证分为三类：

• OTP模式：这种模式下，一般需要用户首先持有特殊设备或安装特殊软禁，用户登陆时从特殊设备或软件获取一次验证码；
  当服务端收到验证码后，用相同的方式生成验证码并比对。此类模式的2FA代表有：HOTP、TOTP、动态令牌等
• 服务端模式：在此类模式中，验证码由服务端生成，然后第三方途径发送给用户，当服务端收到验证码后，与之前生成的进行比对。 此类模式的2FA代表有：手机验证码、邮箱验证码、图片验证码等
• 签名模式：这类模式一般由服务端生成挑战码，并由客户端对该挑战码进行签名，再由服务端验签完成。如：UKey等

用户在登录认证时，会输入用户名和密码, 并携带上述获取的验证码 发送给服务端，服务端进行2FA验证流程：

• 验证用户/密码是否正确
• 验证收到的"验证码“是否匹配

以上两个因素都验证通过后，用户登陆成功。

2FA服务端模式

2FA服务端模式比较有代表性的是手机验证码（邮箱验证码和图片验证码流程类似）, 此类2FA的工作原理/流程如下：

• 2FA生成阶段

01: 用户打开登陆页，比如某个网站或APP
02-03: 点击获取验证码，在支持2FA的网站登陆页，一般都存在着获取验证码的链接或按钮，等点击链接后，客户端会向服务端发送验证码请求
04-05：服务端生成验证码（随机数,一般为4-6位的数字或字母），并缓存到本地，用于之后的比对。
06-07: 服务端会将验证码通过手机（或邮箱、http响应）等方式发送给用户。

用户在客户端登陆页面，输入自己的用户名/密码以及收到的随机验证码, 并点击登陆。

• 2FA验证阶段

10: 首先验证用户名&密码是否正确。若不正确，登陆失败；若正确，则继续
11: 验证用户输入的验证码是否与服务端发送的匹配。若不匹配，登陆失败；若匹配，则返回登陆成功

OTP模式

OTP全称One Time Password，因此一般叫做一次密码，与常规密码不同的是，该密码一般只能使用一次，下次使用时作废。
OTP模式与服务端模式在验证码生成和验证方式上有很大的不同，主要表现在(OTP模式下)：

• 客户端和服务端会分别计算验证码
• 客户端和服务端计算验证码时，基于事先共享的OTP密钥
• 由于客户端和服务端分别计算验证码，因此可以容忍网络延迟&临时网络不通

OTP模式的主要流程如下：

01: 用户打开登陆页，登陆页要求用户输入验证码（一次密码）
02-04: 用户打开手机App（如Google Authenticator)，该App会基于本地计数C或本地时间和共享密钥K，并使用密码技术HMAC算法计算得到验证码，并显示给用户
05-06: 用户输入用户名/密码/验证码进行登陆认证
07: 服务端首先验证用户的用户名/密码是否正确。
08-10: 服务端使用与客户端相同的方式计算验证码，并与从客户端收到的进行比对。若不匹配，则失败；若匹配，则返回登陆成功

OTP主要技术实现有：

• HOTP：hash-based one time password，基于计数器的一次密码，该技术需要客户端与服务端共享加密密码K, 以及计数器C, 然后通过如下算法计算一次密码(验证码):

  # 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，每次使用后C需要+1，需要客户端和服务端同步，保持一致
  # 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，基于时间的一次密码，该技术需要客户端和服务端共享加密密钥K和更新周期Period并进行时钟同步，然后通过如下算法计算一次密码（验证码）：

  #  T表示当前时间，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更直观一点的流程如下：

• 服务端生成二维码（二维码中包含需要与客户端共享的信息：OTP密钥K，以及更新周期）
• 用户安装客户端（如手机APP）
• 客户端和服务端基于各自的本地时间计算验证码
• 用户登录某网站时，从手机APP获取客户端验证码，发送给服务端
• 服务端进行验证

UKey模式

UKey模式比较特殊，也是最安全的2FA认证方式，但一般需要用户持有硬件设备，在使用时需要将UKey连接客户端（如PC机等）。UKey中主要存储了两个信息：

• 用户ID和数字证书/私钥
• UKey的TokenID

基于UKey的2FA验证码生成流程如下：

• 01: 用户将UKey连接客户端（一般需要将UKey查到PC机的USB插口，并在机器上安装关联驱动程序）
• 02-04: 用户打开登陆页面，并输入用户名/密码进行登录认证
• 05-07: 服务端首先验证用户名&密码是否正确，成功后会在本地生成随机挑战码（验证码）并缓存，然后发送给客户端（登陆页）。
• 08-10: 客户端会使用UKey驱动程序，并调用签名模块，基于UKey中用户的数字证书私钥，对该挑战码进行签名。

基于UKey的2FA验证流程如下：

• 11: 客户端发送用户名、挑战码以及挑战码的签名值（注：这里根据实现，也可以不再发送挑战码，因为该挑战码由服务端生成并缓存）
• 12: 服务端使用注册的UKey用户数字证书，对挑战码进行签名验证，通过则登陆成功。

常见2FA对比

2FA模式	主要代表	安全性	易用性
服务端模式	手机验证码，邮箱验证码	低 （未使用加密技术，容易被窃取）	高（无需额外软件或设备）
OTP	Googule Authenticator，Microsoft Authenticator	中（使用了加密技术，客户端和服务端分开生成，可以不依赖于网络环境）	中 （需要安装手机App）
UKey	U盾	高 （通过挑战码&数字签名方式进行认证，安全性很高）	低（需要额外的硬件设备，携带不方便）

从上述对比上看：

• UKey模式虽然提供了最高的安全性，但由于易用性比较低，只有在政务、金融、军工等关键领域才会用到。（该方式也是密评推荐的方式）
• OTP模式基于手机App，需要进行安装。安装后易用性与手机验证码基本相同，同时该方式可用性比较高。
• 服务端模式(手机/邮箱验证码）未使用密码技术，安全性较低，但是由于该方式不依赖于额外软硬件设备，易用性也最高。

值得注意的是，不管是手机验证码、TOTP或U盾模式，都不能保证通信的安全，因此需要配合安全通信协议TLS才能保证2FA流程的安全性。TLS原理和应用可以参考之前的系列文章，传送门：
[TLS原理与实践]: https://www.cnblogs.com/informatics/p/17433116.html

总结

本文介绍了当前信息系统常用的双因素认证2FA进行了归类，并详细分析了不同类2FA的工作流程和主要原理，最后对常见2FA进行了对比分析。 希望本文能够对读者在遇到2FA选型或应用上有所帮助。

参考资料

• HOTP rfc文档：https://www.ietf.org/rfc/rfc4226.txt
• TOTP rfc文档：https://www.ietf.org/rfc/rfc6238.txt