Google Authenticator 实现的 OTP 算法

2FA 全称是 Two Factor Authentication，即双因子认证，是 MFA 的一种。日常访问系统时，除了用户名和密码外，一些安全级别更高的则会要求你启用 2FA。

简单来说，就是当你的密码泄露后，还有一个额外的认证手段来保证你的信息安全。关于 2FA 更加详细的内容，可以参考 IMB 的这篇文章：什么是双重身份验证 (2FA)

常见的 2FA 验证方式有短信，邮件，或者 Google Authenticator 等。这里主要是深入认识一下 Google Authenticator 以及它实现的 OTP 算法。

OTP 算法

OTP 全称是 One-time Password，一次性密码算法，通常我们也称为动态口令。一般 OTP 算法会有两种类型，基于 HMAC 的和基于时间的，即 HOTP 和 TOTP，在 Google Authenticator 中的开源仓库中，也说明其实现了这两种协议算法。

相对于静态的密码，OTP 的好处是可以有效地抵御重放攻击（Replay Attack）。

实现需求

在 OTP 中，最重要是需要两端同时生成同一个密码串，例如我们常用的场景就是在服务端（访问资源）和 Google Authenticator 这两端都生成同一个密码串，才能通过验证。

我们在刚开始使用 Authenticator 时，都需要扫码或者输入给到一个 Key，这个 Key 是双方认证的一个基础。

在协议文件 RFC 4226 中描述这个算法为：

HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

其中 K 是 key 的值，C 是一个增量计数器的值，HMAC-SHA-1 是 HMAC-SHA-1 算法，Truncate 是截取算法。

增量计数器的存在才使得这个密码串是动态生成的，而不是固定不变的。

所以生成密码串的过程并不复杂，简单分三步走：

使用 HMAC-SHA-1 算法基于 K 和 C 计算出一个值
基于第一步的值再生成一个 4 字节的字符串
基于第二步的值生成最终的值

第一步很简单，且其结果是一个 20 个字节的字符串，第二步和第三步是为了将该字符串转为比较容易使用的 6（或者自定义）数字密码，也就是 Truncate 的实现。使用 Node 来实现的话，大概如下：

import crypto from "crypto";

const key = ""; // 你输入的 key
const count = ""; // 关于如何生成 count，后边我们再来解释

// 第一步
const hmac = crypto.createHmac("sha1", key).update(count).digest();

// 第二步
// 计算出一个偏移量，然后取其中 4 个字节的字符串来使用
const offset = hmac[hmac.length - 1] & 0x0f;
const value =
  ((hmac[offset + 0] & 0x7f) << 24) |
  ((hmac[offset + 1] & 0xff) << 16) |
  ((hmac[offset + 2] & 0xff) << 8) |
  (hmac[offset + 3] & 0xff);

// 第三步
// 确定我们要的数字密码长度，通过模运算获取最终结果
const code = value % 10 ** 6;

Count 的同步

如何生成 HOTP 中需要用到的 Count 呢，这里关键的是需要保证两端（服务端和客户端）的 Count 同步。

我们先假定 C = 1，服务端每次验证成功后会 C += 1 来更新 count，而客户端每次点击生成密码串时会 C +=1 ，如果每次成功验证后再点击客户端更新 count，一一对应的话是可以保证两端同步的。

但现实情况不会那么完美，协议中建议可以设置一个往前查询的窗口值，如果服务端验证 C + 1 时失败再尝试 C + 2, C + 3 等直到成功为止，成功验证后即保持同步了。

TOTP

基于 Count 多个验证来保持两端同步的 HOTP 算法是不是感觉没有那么好，稍微想想，时间本身就是一个可以在多端同步且一直在变化的值，所以 TOTP 基本上就是将 Count 换成了时间。

我们可以使用 Unix 时间戳来作为这个变化的值，但是，每一秒都在变化，人为输入密码的时候并没有那么快，是没法验证成功的。我们可以用一个时间片（如 30s 或者 60s）来作为一个有效期，在有效期期间，该值是稳定的。

实现代码也很简单：Math.floor(Date.now() / 1000 / 30) 即可。

密钥是最重要的

理解了 OTP 算法的实现，就能够明白密钥的重要性了，本质上验证的就是这个密钥，动态口令或者密码虽然是一次性的，但是密钥是永久有效的，保护好密钥才能确保你的信息安全。