一次性密码

一次性密码，（One Time Password，简称 OTP），又称动态密码或单次有效密码。常见的二次验证程序，比如 Google Authenticator 使用的就是 OTP。OTP 分两种，一种是基于时间的一次性密码，（Time-based One-Time Password，简称 TOTP；另一种是基于记次的一次性密码，（HMAC-based One-Time Password，简称 HOTP）。

OTP

OTP 的核心在于：客户端与服务端在配对时，协商好算法、密钥和可变数，这个可变数可以是基于时间的或基于次数的，下面会说到。在算法、密钥、可变数都一致的情况下，客户端与服务端会产生一致的一次性密码。

OTP 的好处在于，它是可变的，不像常规密码是不变的。这个特性可以有效避免重放攻击和暴力破解，也能避免用户在不同系统使用同一密码带来的不安全性。

TOTP

TOTP 的标准是 RFC6238，主要由以下几个参数构成：

加密哈希算法

默认使用 sha-1 作为加密哈希算法，也可以为 sha-256、sha-512 等。

T0

T0 为开始时间戳，默认为 UNIX 时间戳 的开始，即 1970 年 1 月 1 日 0 时 0 分 0 秒。

TS

TS 为密码变化的时间间隔，默认是 30 秒，也可以为 60 秒等。

TC

TC 即 T0 到现在的 TS 数量，即 Math.floor((NOW - T0) / TS)。

密钥 K

密钥对于每个用户应该是不同的。

密码长度

因为一次性密码是用来给用户输入的，最终生成的密码长度不宜过长，默认是 6 位数字，也可以是 8 位等。

一次性密码 = 加密哈希算法(K, TC)

客户端与服务端配对时，协商好这些参数，就能各自生成一次性密码了。不过这里还有两个问题：

1. 时间同步的问题。客户端与服务端可能时间不同步，或者因为网络原因导致时间不一致，当时间差值大于 TS 时，双方产生的一次性密码就不一致。解决方法是：服务端应该尝试 TC = TC +- W，以兼容时间超前或延后的问题。也就是说，假如 TC 是 10，W 是 5 时，那 TC 为 5 ~ 15 的范围内产生的密码，服务端都会接受，并且在密码验证成功后，服务端应设置一个 offset 偏量，以同步时间。当然这个 W 参数不宜过大，这样会不安全；也不宜过小，这样解决不了时间不同步的问题。

2. 暴力破解的问题。因为一次性密码为了方便用户输入，一般只取 6 位数字，那 30 秒内其实只有 1000000 种可能值，这很容易被暴力破解。服务端应该设置一个最大尝试次数来避免暴力破解，比如在 30 秒内，只让尝试 5 次，这样就比较安全了。

HOTP

了解 TOTP 之后，HOTP 就比较好理解了。

HOTP 的标准是 RFC4266，主要参数有：加密哈希算法、密钥 K，计数器 C。

一次性密码 = 加密哈希算法(K, C)

不像 TOTP 基于时间，时间会自动流逝，HOTP 基于次数是要双方共同维护的。客户端每生成一个密码，计数器加一；服务端每验证一个密码，计数器加一。

HOTP 同样有两个问题：

1. 计数器同步的问题。由于客户端请求生成密码后，不一定会用来认证，这样客户端的计数器很可能超前于服务端。为了解决这个问题，服务端应尝试 C = C + W 来兼容这个问题。比如当前服务端计数器 C 为 10，W 取 5 时，C 在 10 ~ 15 范围内生成的密码服务端都应该接受，并且验证成功后需要同步计数器。当然如果客户端生成密码的按钮被小孩子发现，按了几十上百次，那就只能一首凉凉送给你了 :)。

2. 暴力破解的问题。

OTP 的应用

二次验证码是 OTP 最普遍的运用，这里要说一下二次验证的典型：谷歌身份验证器（Google Authenticator）。

OTP 客户端与服务端协商参数的交互过程是很麻烦的，如果要用户把参数一个个输入来配对，那估计没人想用了。

于是 Google Authenticator 定义了一个 URI schemm 来解决这个问题，形如:

otpauth://TYPE/LABEL?PARAMETERS

其中：

TYPE：可以是 totp 或 hotp。

LABEL: 用来指明用户，可以是一个账户，比如 user@example.com，或者前缀加上账户，比如 Example:user@example.com。

PARAMETERS: 其它参数

secret：必须，base32编码的密钥。
issuer: 推荐，跟账户前缀一样，用来解决多个人用同一个账户的问题。
algorithm: 可选，哈希算法，默认是 SHA1，还可以是 SHA256 、SHA512。
digits: 可选，密码长度，默认是 6。
counter: TYPE 是 hotp 时必须指定，计数器。
period: TYPE 是 totp 时可选，时间周期，默认 30 秒。

uri 中特殊字符应该 url encode 一下，完整的 uri 形如：

otpauth://totp/Example:alice@google.com?secret=JBSWY3DPEHPK3PXP&issuer=Example

otpauth://hotp/Example:alice@google.com?secret=JBSWY3DPEHPK3PXP&issuer=Example&counter=1

光有 URI schemm 还不够，要让用户输入这么长的字符还是很困难的，生成一个二维码就好很多了，扫一扫就能配对。

示例二维码：

总结

介绍了一下 TOTP 与 HOTP，以及 Google Authenticator 的原理。没有很具体地讲算法，想了解的话可以查看相关代码实现。

参考：

• Google Authenticator
• OTP
• TOTP
• HOTP

（完）