Google Authenticator 原理及Java實現

作者：徐小花
鏈接：https://www.zhihu.com/question/20462696/answer/18731073
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開啓Google的登陸二步驗證（即Google Authenticator服務）後用戶登陸時需要輸入額外由手機客戶端生成的一次性密碼。

實現Google Authenticator功能需要服務器端和客戶端的支持。服務器端負責密鑰的生成、驗證一次性密碼是否正確。客戶端記錄密鑰後生成一次性密碼。

目前客戶端有：
android版： Google 身份驗證器
iOS版：https://itunes.apple.com/cn/app/google-authenticator/id388497605

實現原理：

一、用戶需要開啓Google Authenticator服務時，
1.服務器隨機生成一個類似於『DPI45HKISEXU6HG7』的密鑰，並且把這個密鑰保存在數據庫中。
2.在頁面上顯示一個二維碼，內容是一個URI地址（otpauth://totp/賬號?secret=密鑰），如『otpauth://totp/[email protected]?secret=DPI45HCEBCJK6HG7』，下圖：

otpauth://totp/[email protected]?secret=DPI45HCEBCJK6HG7 (二維碼自動識別)

3.客戶端掃描二維碼，把密鑰『DPI45HKISEXU6HG7』保存在客戶端。

二、用戶需要登陸時
1.客戶端每30秒使用密鑰『DPI45HKISEXU6HG7』和時間戳通過一種『算法』生成一個6位數字的一次性密碼，如『684060』。如下圖android版界面：
&amp;amp;lt;img src=&amp;quot;https://pic1.zhimg.com/c2056261a0b106af19517697887c0b38_b.jpg&amp;quot; data-rawwidth=&amp;quot;281&amp;quot; data-rawheight=&amp;quot;398&amp;quot; class=&amp;quot;content_image&amp;quot; width=&amp;quot;281&amp;quot;&amp;amp;gt;

2.用戶登陸時輸入一次性密碼『684060』。
3.服務器端使用保存在數據庫中的密鑰『DPI45HKISEXU6HG7』和時間戳通過同一種『算法』生成一個6位數字的一次性密碼。大家都懂控制變量法，如果算法相同、密鑰相同，又是同一個時間（時間戳相同），那麼客戶端和服務器計算出的一次性密碼是一樣的。服務器驗證時如果一樣，就登錄成功了。

Tips：
1.這種『算法』是公開的，所以服務器端也有很多開源的實現，比如php版的：https://github.com/PHPGangsta/GoogleAuthenticator 。上github搜索『Google Authenticator』可以找到更多語言版的Google Authenticator。
2.所以，你在自己的項目可以輕鬆加入對Google Authenticator的支持，在一個客戶端上顯示多個賬戶的效果可以看上面android版界面的截圖。目前dropbox、lastpass、wordpress，甚至vps等第三方應用都支持Google Authenticator登陸，請自行搜索。
3.現實生活中，網銀、網絡遊戲的實體動態口令牌其實原理也差不多，大家可以自行腦補下，謝謝。

示例url：

https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/testuser@testhost%3Fsecret%3DIV5H5FGFJS6K4N2Y

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[java] view plain copy

print?

//Google Authenticator
// 只從google出了雙重身份驗證後，就方便了大家，等同於有了google一個級別的安全，但是我們該怎麼使用google authenticator (雙重身份驗證)，
//下面是java的算法，這樣大家都可以得到根據key得到公共的祕鑰了,直接複製，記得導入JAR包：
//
//commons-codec-1.8.jar
//
//junit-4.10.jar
//測試方法：
//
//1、執行測試代碼中的“genSecret”方法，將生成一個KEY（用戶爲testuser），URL打開是一張二維碼圖片。
//
//2、在手機中下載“GOOGLE身份驗證器”。
//
//3、在身份驗證器中配置賬戶，輸入賬戶名（第一步中的用戶testuser）、密鑰（第一步生成的KEY），選擇基於時間。
//
//4、運行authcode方法將key和要測試的驗證碼帶進去（codes，key），就可以知道是不是正確的祕鑰了！返回值布爾
//main我就不寫了大家~~因爲這個可以當做util工具直接調用就行了
//
package coin.util;
import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;
import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import org.apache.commons.codec.binary.Base32;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;
public class GoogleAuthenticator {
// taken from Google pam docs - we probably don't need to mess with these
public static final int SECRET_SIZE = 10;
public static final String SEED = "g8GjEvTbW5oVSV7avLBdwIHqGlUYNzKFI7izOF8GwLDVKs2m0QN7vxRs2im5MDaNCWGmcD2rvcZx";
public static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";
int window_size = 3; // default 3 - max 17 (from google docs)最多可偏移的時間
public void setWindowSize(int s) {
if (s >= 1 && s <= 17)
window_size = s;
}
public static Boolean authcode(String codes, String savedSecret) {
// enter the code shown on device. Edit this and run it fast before the
// code expires!
long code = Long.parseLong(codes);
long t = System.currentTimeMillis();
GoogleAuthenticator ga = new GoogleAuthenticator();
ga.setWindowSize(15); // should give 5 * 30 seconds of grace...
boolean r = ga.check_code(savedSecret, code, t);
return r;
}
public static String genSecret() {
String secret = GoogleAuthenticator.generateSecretKey();
GoogleAuthenticator.getQRBarcodeURL("testuser",
"testhost", secret);
return secret;
}
public static String generateSecretKey() {
SecureRandom sr = null;
try {
sr = SecureRandom.getInstance(RANDOM_NUMBER_ALGORITHM);
sr.setSeed(Base64.decodeBase64(SEED));
byte[] buffer = sr.generateSeed(SECRET_SIZE);
Base32 codec = new Base32();
byte[] bEncodedKey = codec.encode(buffer);
String encodedKey = new String(bEncodedKey);
return encodedKey;
}catch (NoSuchAlgorithmException e) {
// should never occur... configuration error
}
return null;
}
public static String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {
String format = "https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s%%3Fsecret%%3D%s";
return String.format(format, user, host, secret);
}
public boolean check_code(String secret, long code, long timeMsec) {
Base32 codec = new Base32();
byte[] decodedKey = codec.decode(secret);
// convert unix msec time into a 30 second "window"
// this is per the TOTP spec (see the RFC for details)
long t = (timeMsec / 1000L) / 30L;
// Window is used to check codes generated in the near past.
// You can use this value to tune how far you're willing to go.
for (int i = -window_size; i <= window_size; ++i) {
long hash;
try {
hash = verify_code(decodedKey, t + i);
}catch (Exception e) {
// Yes, this is bad form - but
// the exceptions thrown would be rare and a static configuration problem
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e.getMessage());
//return false;
}
if (hash == code) {
return true;
}
}
// The validation code is invalid.
return false;
}
private static int verify_code(byte[] key, long t) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
byte[] data = new byte[8];
long value = t;
for (int i = 8; i-- > 0; value >>>= 8) {
data[i] = (byte) value;
}
SecretKeySpec signKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");
mac.init(signKey);
byte[] hash = mac.doFinal(data);
int offset = hash[20 - 1] & 0xF;
// We're using a long because Java hasn't got unsigned int.
long truncatedHash = 0;
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
truncatedHash <<= 8;
// We are dealing with signed bytes:
// we just keep the first byte.
truncatedHash |= (hash[offset + i] & 0xFF);
}
truncatedHash &= 0x7FFFFFFF;
truncatedHash %= 1000000;
return (int) truncatedHash;
}
}

//Google  Authenticator

// 只從google出了雙重身份驗證後，就方便了大家，等同於有了google一個級別的安全，但是我們該怎麼使用google authenticator (雙重身份驗證)，

//下面是java的算法，這樣大家都可以得到根據key得到公共的祕鑰了,直接複製，記得導入JAR包：
//
//commons-codec-1.8.jar
//
//junit-4.10.jar


//測試方法：
//
//1、執行測試代碼中的“genSecret”方法，將生成一個KEY（用戶爲testuser），URL打開是一張二維碼圖片。
//
//2、在手機中下載“GOOGLE身份驗證器”。
//
//3、在身份驗證器中配置賬戶，輸入賬戶名（第一步中的用戶testuser）、密鑰（第一步生成的KEY），選擇基於時間。
//
//4、運行authcode方法將key和要測試的驗證碼帶進去（codes，key），就可以知道是不是正確的祕鑰了！返回值布爾

//main我就不寫了大家~~因爲這個可以當做util工具直接調用就行了
//

package coin.util;

import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base32;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;



public class GoogleAuthenticator {
    
    // taken from Google pam docs - we probably don't need to mess with these
    public static final int SECRET_SIZE = 10;
    
    public static final String SEED = "g8GjEvTbW5oVSV7avLBdwIHqGlUYNzKFI7izOF8GwLDVKs2m0QN7vxRs2im5MDaNCWGmcD2rvcZx";
    
    public static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";
    
    int window_size = 3; // default 3 - max 17 (from google docs)最多可偏移的時間
  
    public void setWindowSize(int s) {
        if (s >= 1 && s <= 17)
            window_size = s;
    }
    
 
    
    public static Boolean authcode(String codes, String savedSecret) {
        // enter the code shown on device. Edit this and run it fast before the
        // code expires!
        long code = Long.parseLong(codes);
        long t = System.currentTimeMillis();
        GoogleAuthenticator ga = new GoogleAuthenticator();
        ga.setWindowSize(15); // should give 5 * 30 seconds of grace...
        boolean r = ga.check_code(savedSecret, code, t);
        return r;
    }
    public static String genSecret() {
        String secret = GoogleAuthenticator.generateSecretKey();
        GoogleAuthenticator.getQRBarcodeURL("testuser",
                "testhost", secret);
        return secret;
    }
    public static String generateSecretKey() {
        SecureRandom sr = null;
        try {
            sr = SecureRandom.getInstance(RANDOM_NUMBER_ALGORITHM);
            sr.setSeed(Base64.decodeBase64(SEED));
            byte[] buffer = sr.generateSeed(SECRET_SIZE);
            Base32 codec = new Base32();
            byte[] bEncodedKey = codec.encode(buffer);
            String encodedKey = new String(bEncodedKey);
            return encodedKey;
        }catch (NoSuchAlgorithmException e) {
            // should never occur... configuration error
        }
        return null;
    }
    
 
    public static String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {
        String format = "https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s%%3Fsecret%%3D%s";
        return String.format(format, user, host, secret);
    }
    

    public boolean check_code(String secret, long code, long timeMsec) {
        Base32 codec = new Base32();
        byte[] decodedKey = codec.decode(secret);
        // convert unix msec time into a 30 second "window"
        // this is per the TOTP spec (see the RFC for details)
        long t = (timeMsec / 1000L) / 30L;
        // Window is used to check codes generated in the near past.
        // You can use this value to tune how far you're willing to go.
        for (int i = -window_size; i <= window_size; ++i) {
            long hash;
            try {
                hash = verify_code(decodedKey, t + i);
            }catch (Exception e) {
                // Yes, this is bad form - but
                // the exceptions thrown would be rare and a static configuration problem
                e.printStackTrace();
                throw new RuntimeException(e.getMessage());
                //return false;
            }
            if (hash == code) {
                return true;
            }
        }
        // The validation code is invalid.
        return false;
    }
    
    private static int verify_code(byte[] key, long t) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
        byte[] data = new byte[8];
        long value = t;
        for (int i = 8; i-- > 0; value >>>= 8) {
            data[i] = (byte) value;
        }
        SecretKeySpec signKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");
        mac.init(signKey);
        byte[] hash = mac.doFinal(data);
        int offset = hash[20 - 1] & 0xF;
        // We're using a long because Java hasn't got unsigned int.
        long truncatedHash = 0;
        for (int i = 0; i < 4; ++i) {
            truncatedHash <<= 8;
            // We are dealing with signed bytes:
            // we just keep the first byte.
            truncatedHash |= (hash[offset + i] & 0xFF);
        }
        truncatedHash &= 0x7FFFFFFF;
        truncatedHash %= 1000000;
        return (int) truncatedHash;
    }
}

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