详解Google Authenticator工作原理

更新时间:2014-09-23 09:46:22点击次数:2549次

摘要:Google Authenticator是谷歌推出的一款动态口令工具,旨在解决大家Google账户遭到恶意攻击的问题。那么,Authenticator采用了哪些算法?又是如何实现的?且看本文技术解读。

【编者按】Google Authenticator是谷歌推出的一款动态口令工具,旨在解决大家Google账户遭到恶意攻击的问题,在手机端生成动态口令后,在Google相关的服务登陆中除了用正常用户名和密码外,需要输入一次动态口令才能验证成功,此举是为了保护用户的信息安全。那么,Authenticator采用了哪些算法?又是如何实现的?且看本文技术解读。

  

很多手机用户会使用 Google Authenticator(谷歌身份认证)来生成认证令牌,与传统单因子密码不同,其采用的是更安全的双因子(2FA two-factor authentication)认证。FA是指结合密码以及实物(信用卡、SMS手机、令牌或指纹等生物标志)两种条件对用户进行认证的方法。只需要在手机上安装如此高大上的密码生成应用程序,就可以生成一个随着时间变化的一次性密码,用于帐户验证,而且这个应用程序不需要连接网络即可工作。


实际上Google Authenticator采用的算法是TOTP(Time-Based One-Time Password基于时间的一次性密码),其核心内容包括以下三点:


一个共享密钥(一个比特序列);

当前时间输入;

一个签署函数。

共享密钥


共享密码用于在手机端上建立账户。密码内容可以是通过手机拍照二维码或者手工输入,并会被进行base32加密。


手工密码的输入格式如下:


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xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx  

包含该令牌的二维码的内容是一个URL:


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otpauth://totp/Google%3Ayourname@gmail.com?secret=xxxx&issuer=Google  

时间输入(当前时间)


输入的时间值来自于手机本身,一旦我们获得密钥后,就无需与服务器再进行通信了。但是重要一点是务必确保手机上的时间是正确的,因为往后的步骤服务器会多次重复使用之前得到的时间值,服务器只会认准这个值。进一步说,服务器会比对所有提交的令牌以确认哪一个是你输入并提交的。


签署


签署所使用的方法是HMAC-SHA1。HMAC的全称是Hash-based message authentication code(哈希运算消息认证码),以一个密钥和一个消息为输入,生成一个消息摘要作为输出,这里以SHA1作为消息输入。使用HMAC的原因是:只有用户本身知道正确的输入密钥,因此会得到的输出。其算法可以简单表示为:


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hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))  

事实上,TOTP是HMAC-OTP(基于HMAC的一次密码生成)的集,区别是TOTP以当前时间作为输入,而HMAC-OTP以自增计算器作为输入,该计数器使用时需要进行同步。


算法


首先,要进行密钥的base32加密。虽然谷歌上的密钥格式是带空格的,不过base32拒绝空格输入,并只允许大写。所以要作如下处理:


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original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx  

secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))  

第二步要获取当前时间值,这里使用的是UNIX time函数,或者可以用纪元秒。



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input = CURRENT_UNIX_TIME()  

在Google Authenticator中,input值拥有一个有效期。因为如果直接根据时间进行计算,结果将时刻发生改变,那么将很难进行复用。Google Authenticator默认使用30秒作为有效期(时间片),后input的取值为从Unix epoch(1970年1月1日 00:00:00)来经历的30秒的个数。



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input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30  

后一步是进行HMAC-SHA1运算


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original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx  

secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))  

input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30  

hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))  

至此,2FA所需的两个因子都已准备就绪了。但是HMAC运算后的结果会是20字节即40位16进制数,应该没有人会愿意每次都输入这么长的密码。我们需要的是常规6位数字密码!


要实现这个愿望,首先要对20字节的SHA1进行瘦身。我们把SHA1的后4个比特数(每个数的取值是0~15)用来做索引号,然后用另外的4个字节进行索引。因此,索引号的操作范围是15+4=19,加上是以零开始,所以能完整表示20字节的信息。4字节的获取方法是:



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four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]  

然后将它转化为标准的32bit无符号整数(4 bytes = 32 bit):



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large_integer = INT(four_bytes)  

后再进行7位数(1百万)取整,就可得到6位数字了:



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large_integer = INT(four_bytes)  

small_integer = large_integer % 1,000,000  

这也是我们后要的目标结果,整个过程总结如下:


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original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx  

secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))  

input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30  

hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))  

four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]  

large_integer = INT(four_bytes)  

small_integer = large_integer % 1,000,000  


英文出自: Garbagecollected

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