【加解密】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()
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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
Google基于TOTP的开源实现
https://github.com/google/google-authenticator
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.
