Android中Google Authenticator驗證系統工作原理分析

為了改進Android的安全問題，Google在Android系統中引入了谷歌驗證應用（Google Authenticator）來保證賬號的安全。谷歌驗證應用的使用方法是：用戶安裝手機客戶端，生成臨時身份驗證碼，提交到服務器驗證身份，類似的驗證系統還有Authy。Robbie在其GitHub頁面發布了自己用Go語言實現的版本，並撰寫了一篇博文來解釋其工作原理。

通常來講，身份驗證系統都實現了基於時間的一次性密碼算法，即著名的TOTP(Time-Based One-Time Password)。該算法由三部分組成：

• 一個共享密鑰（一系列二進制數據）
• 一個基於當前時間的輸入
• 一個簽名函數

1、 共享密鑰

用戶在創建手機端身份驗證系統時需要獲取共享密鑰。獲取的方式包括用識別程序掃描給定二維碼或者直接手動輸入。密鑰是三十二位加密，至於為什麼不是六十四位，可以參考維基百科給出的解釋。

對於那些手動輸入的用戶，谷歌身份驗證系統給出的共享密鑰有如下的格式：

xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx

256位數據，當然別的驗證系統可能會更短。

而對於掃描的用戶，QR識別以後是類似下面的URL鏈接：

otpauth://totp/Google%[email protected]?secret=xxxx&issuer=Google

2、 基於當前時間的輸入

這個輸入是基於用戶手機時間產生的，一旦用戶完成第一步的密鑰共享，就和身份驗證服務器沒有關系了。但是這裡比較重要的是用戶手機時間要准確，因為從算法原理來講，身份驗證服務器會基於同樣的時間來重復進行用戶手機的運算。進一步來說，服務器會計算當前時間前後幾分鐘內的令牌，跟用戶提交的令牌比較。所以如果時間上相差太多，身份驗證過程就會失敗。

3、 簽名函數

谷歌的簽名函數使用了HMAC-SHA1。HMAC即基於哈希的消息驗證碼，提供了一種算法，可以用比較安全的單向哈希函數（如SHA1）來產生簽名。這就是驗證算法的原理所在：只有共享密鑰擁有者和服務器才能夠根據同樣的輸入（基於時間的）得到同樣的輸出簽名。偽代碼如下：

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

本文開頭提到的TOTP和HMAC原理類似，只是TOTP強調輸入一定是當前時間相關。類似的還有HOTP，采用增量式計數器的方式，需要不斷和服務器同步。

算法流程簡介

首先需要用base32解碼密鑰，為了更方便用戶輸入，谷歌采用了空格和小寫的方式表示密鑰。但是base32不能有空格而且必須大寫，處理偽代碼如下：

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

接下來要從當前時間獲得輸入，通常采用Unix時間，即當前周期開始到現在的秒數

input = CURRENT_UNIX_TIME()

這裡有一點需要說明，驗證碼有一個時效，大概是30秒。這種設計是出於方便用戶輸入的考慮，每秒鐘變化的驗證碼很難讓用戶迅速准確輸入。為了實現這種時效性，可以通過整除30的方式來實現，即：

input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30

最後一步是簽名函數，HMAC-SHA1，全部偽代碼如下：

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))

完成這些代碼，基本就已經實現了兩次驗證的功能。由於HMAC是個標准長度的SHA1數值，有四十個字符的長度，用戶很難一次性正確輸入，因此還需要做一些格式上的處理。可參考下面的偽代碼：

four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]
large_integer = INT(four_bytes)
small_integer = large_integer % 1,000,000