越来越多项目要求启用2FA，不得不去了解它！

Table of contents

概念

1. 2FA 即：双因素认证 <=> Two-factor authentication <=> 2FA
2. 双因素认证就是指，通过认证同时需要两个因素的证据，例如银行卡就是最常见的双因素认证，我们必须同时提供“银行卡”、“密码”两种信息才能拿钱

2FA的核心是组合2种不同类型的验证因子，验证因子主要分为以下3类：

• 你知道的东西：密码、PIN码等
• 你拥有的东西：手机、电脑安全密钥等，通过获取一次性验证码(OTP)或确认推送通知来完成验证
• 你是什么：指纹、虹膜等

2FA 方案

在实际应用中，最常用的 2FA 方案是 “密码 + 你拥有的东西”，因为生物特征（第三因素）需要特殊硬件支持，普适性稍差

方案（一）密码 + 硬件令牌

例如银行的U盾、以前网络游戏（如DNF）的密保卡、登录GitHub或系统用的YubiKey。用户插入设备或输入设备上动态码后，再输入密码

方案（二）密码 + 手机短信验证码

国内最常见的方案。登录时向绑定手机发送一条包含短时验证码的短信。注意：此方案安全性相对较低，因为短信可能被拦截、SIM卡可能被克隆，但胜在便捷

方案（三）密码 + 基于时间的一次性密码（TOTP）（当前主流且推荐的方案）

这是公认较可靠的软件层面2FA方案，国际标准为RFC6238 。用户需要先在自己的手机上安装一个身份验证器App（如 Google Authenticator、Microsoft Authenticator、Authy 等）

• 第一步（绑定）：服务端生成一个密钥，以二维码形式展示给用户。
• 第二步（保存）：用户用App扫描二维码，密钥安全保存到手机（也就说这个密钥在手机和服务端上都存有了）。注意，密钥必须跟手机绑定。一旦用户更换手机，就必须生成全新的密钥
• 第三步（验证）：登录时，App使用密钥和当前时间戳，通过特定算法（如HMAC-SHA1）生成一个30秒或60秒（默认30秒）内有效的6-8位动态验证码。用户在有效期内，把这个动态验证码提交给服务器。服务器也使用密钥和当前时间戳，生成一个动态验证码，跟用户提交的验证码比对。只要两者不一致，就拒绝登录

TOTP的算法

TOTP 的全称是”基于时间的一次性密码”（Time-based One-time Password），仔细看上面的步骤，我会有一个问题：App和服务端，如何保证30秒期间都得到同一个验证码？答案就是下面的这个公式：

TC = floor((unixtime(now) − unixtime(T0)) / TS)

• TC —> 时间计数器
• unixtime(now) —> 当前 Unix 时间戳
• unixtime(T0) —> 约定的起始时间点的时间戳，默认是0，也就是1970年1月1日
• TS —> 哈希有效期的时间长度，默认是30秒

因此，上面的公式就变成下面的形式

TC = floor(unixtime(now) / 30)

所以，只要在 30 秒以内，TC 的值都是一样的。前提是服务端和手机端的时间必须同步。接下来，就可以算出验证码了。

TOTP = HASH(SecretKey, TC)

上面代码中，HASH就是约定的哈希函数，默认是 SHA-1

另外，TOTP 有“硬件生成器”和“软件生成器”之分，都是采用上面的算法

（左：硬件生成器，右：软件生成器）

TOTP的实现（Csharp）

（1）NuGet 引入 SimpleBase 包

（2）简单实现

using System;
using System.Security.Cryptography;
using SimpleBase;

public class SimpleTotp
{
    public static string Generate(string base32Secret)
    {
        // 1. 解码 Base32 密钥
        byte[] secret = Base32.Rfc4648.Decode(base32Secret);

        // 2. 计算时间计数器 (30秒一个窗口)
        long counter = DateTimeOffset.UtcNow.ToUnixTimeSeconds() / 30;
        byte[] counterBytes = BitConverter.GetBytes(counter);
        if (BitConverter.IsLittleEndian) Array.Reverse(counterBytes);

        // 3. HMAC-SHA1
        byte[] hash;
        using (var hmac = new HMACSHA1(secret))
        {
            hash = hmac.ComputeHash(counterBytes);
        }

        // 4. 动态截取
        int offset = hash[^1] & 0x0F;
        int code = ((hash[offset] & 0x7F) << 24) |
                   ((hash[offset + 1] & 0xFF) << 16) |
                   ((hash[offset + 2] & 0xFF) << 8) |
                   (hash[offset + 3] & 0xFF);

        code %= 1000000;
        return code.ToString("D6");
    }
}

参考

1. 双因素认证（2FA）教程

（完）

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