谷歌验证 (Google Authenticator) 的实现原理是什么?

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开启Google的登陆二步验证(即Google Authenticator服务)后用户登陆时需要输入额外由手机客户端生成的一次性密码。

实现Google Authenticator功能需要服务器端和客户端的支持。服务器端负责密钥的生成、验证一次性密码是否正确。客户端记录密钥后生成一次性密码。

目前客户端有:
android版: Google 身份验证器
iOS版:itunes.apple.com/cn/app

实现原理:

一、用户需要开启Google Authenticator服务时,
1.服务器随机生成一个类似于『DPI45HKISEXU6HG7』的密钥,并且把这个密钥保存在数据库中。
2.在页面上显示一个二维码,内容是一个URI地址(otpauth://totp/账号?secret=密钥),如『otpauth://totp/kisexu@gmail.com?secret=DPI45HCEBCJK6HG7』,下图:

otpauth://totp/kisexu@gmail.com?secret=DPI45HCEBCJK6HG7 (二维码自动识别)


3.客户端扫描二维码,把密钥『DPI45HKISEXU6HG7』保存在客户端。

二、用户需要登陆时
1.客户端每30秒使用密钥『DPI45HKISEXU6HG7』和时间戳通过一种『算法』生成一个6位数字的一次性密码,如『684060』。如下图android版界面:

2.用户登陆时输入一次性密码『684060』。
3.服务器端使用保存在数据库中的密钥『DPI45HKISEXU6HG7』和时间戳通过同一种『算法』生成一个6位数字的一次性密码。大家都懂控制变量法,如果算法相同、密钥相同,又是同一个时间(时间戳相同),那么客户端和服务器计算出的一次性密码是一样的。服务器验证时如果一样,就登录成功了。

Tips:
1.这种『算法』是公开的,所以服务器端也有很多开源的实现,比如php版的:github.com/PHPGangsta/G 。上github搜索『Google Authenticator』可以找到更多语言版的Google Authenticator。
2.所以,你在自己的项目可以轻松加入对Google Authenticator的支持,在一个客户端上显示多个账户的效果可以看上面android版界面的截图。目前dropbox、lastpass、wordpress,甚至vps等第三方应用都支持Google Authenticator登陆,请自行搜索。
3.现实生活中,网银、网络游戏的实体动态口令牌其实原理也差不多,大家可以自行脑补下,谢谢。
原理可以参考这篇文章(SEETEE » Google账户两步验证的工作原理)

客户端和服务器事先协商好一个密钥K,用于一次性密码的生成过程,此密钥不被任何第三方所知道。此外,客户端和服务器各有一个计数器C,并且事先将计数值同步。

进行验证时,客户端对密钥和计数器的组合(K,C)使用HMAC(Hash-based Message Authentication Code)算法计算一次性密码,公式如下:

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

上面采用了HMAC-SHA-1,当然也可以使用HMAC-MD5等。HMAC算法得出的值位数比较多,不方便用户输入,因此需要截断(Truncate)成为一组不太长十进制数(例如6位)。计算完成之后客户端计数器C计数值加1。用户将这一组十进制数输入并且提交之后,服务器端同样的计算,并且与用户提交的数值比较,如果相同,则验证通过,服务器端将计数值C增加1。如果不相同,则验证失败。