基于TOTP的移動(dòng)端雙因子身份認(rèn)證方法

張佳，梁少華

（1.湖北文理學(xué)院 理工學(xué)院，湖北 襄陽(yáng) 441025；2.長(zhǎng)江大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州 434020）

身份認(rèn)證是指用戶在進(jìn)入目標(biāo)系統(tǒng)訪問(wèn)特定資源時(shí)，目標(biāo)系統(tǒng)對(duì)身份的確認(rèn)和權(quán)限的授予。一般情況下，能夠唯一標(biāo)識(shí)用戶身份的介質(zhì)包括：1）私密信息，僅用戶自己知道的信息，如用戶密碼；2）私人物品，用戶的個(gè)人用品，如RFID標(biāo)簽、身份證、U盾、手機(jī)等；3）生物特征，用戶的生理或行為特征，如指紋、面部、虹膜、步態(tài)等。這3種方式為身份認(rèn)證的3種“因子”，理論上在應(yīng)用系統(tǒng)中采用的認(rèn)證因子越多，則用戶的身份真實(shí)性越可靠、系統(tǒng)的安全性越高?；陟o態(tài)口令進(jìn)行移動(dòng)端身份認(rèn)證，除了易于泄露之外，還難以記憶且易被攻擊。私人物品識(shí)別大多需要特定的識(shí)別方式，如RFID標(biāo)簽和身份證等需要相應(yīng)的射頻讀卡設(shè)備才能識(shí)別，U盾需要通過(guò)USB接口支持，因此移動(dòng)終端大多采用了生物特征識(shí)別的方式進(jìn)行身份認(rèn)證。隱式身份認(rèn)證是目前移動(dòng)端的主要研究方向。文獻(xiàn)［1］對(duì)基于移動(dòng)終端的隱式身份認(rèn)證技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并提出了基于本地和網(wǎng)絡(luò)的2種隱式身份認(rèn)證框架。文獻(xiàn)［2］提出將用戶使用系統(tǒng)的多個(gè)正常行為習(xí)慣作為基本屬性并賦以各自的權(quán)重，構(gòu)建相應(yīng)的決策矩陣，從而最終實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)終端的隱式因子身份認(rèn)證。文獻(xiàn)［3］提出對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的移動(dòng)設(shè)備，針對(duì)用戶的步態(tài)、擊鍵習(xí)慣進(jìn)行識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)用戶身份認(rèn)證。這一類(lèi)隱式身份認(rèn)證方式雖然簡(jiǎn)化了用戶身份認(rèn)證的復(fù)雜性，但目前其準(zhǔn)確性和抗攻擊性還有待進(jìn)一步增強(qiáng)，尚未有成熟的產(chǎn)品應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］提出移動(dòng)端的雙因子身份認(rèn)證方法，將用戶靜態(tài)口令作為第一認(rèn)證因子，移動(dòng)設(shè)備的動(dòng)態(tài)特征作為第二認(rèn)證因子，解決移動(dòng)環(huán)境下的用戶身份認(rèn)證問(wèn)題。但該方法需要獲取用戶移動(dòng)設(shè)備的相關(guān)權(quán)限，若設(shè)備未同意授權(quán)則無(wú)法獲取設(shè)備的動(dòng)態(tài)特征，因此具有一定的局限性。針對(duì)上述方法存在的局限性，考慮到生物特征識(shí)別技術(shù)的日趨成熟以及安全性的不斷提升［5］，提出基于“生物特征+手機(jī)動(dòng)態(tài)口令（一次性口令）”的方法，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端的雙因子身份認(rèn)證。

1 OTP算法

一次性口令（one time password，OTP）也稱(chēng)動(dòng)態(tài)口令，基于某種算法自動(dòng)生成，能夠保證唯一性，每次生成的口令具有指定的超時(shí)時(shí)間，使用過(guò)1次或超時(shí)未使用都將導(dǎo)致該口令失效。OTP算法包括HOTP算 法（hmac-based one-time password algo?rithm）和TOTP算法（time-based one-time password algorithm），TOTP算法基于HOTP算法實(shí)現(xiàn)。

1）基于HOTP的一次性口令I(lǐng)ETF RFC4266發(fā)布了HOTP一次性口令算法，有K、C、P共3個(gè)輸入?yún)?shù)。其中K為在服務(wù)端和客戶端之間共享的密鑰，且每個(gè)HOTP算法都有唯一的密鑰；C為運(yùn)動(dòng)因子，是1個(gè)長(zhǎng)度為8B的計(jì)數(shù)器，每次生成新的口令時(shí)都會(huì)自增，在服務(wù)端和客戶端之間保持同步；P為最終生成口令的長(zhǎng)度。HOTP算法為

式中：Truncate表示由K、C計(jì)算得到長(zhǎng)度為160bit的哈希值轉(zhuǎn)換為一次性口令的過(guò)程。主要步驟如圖1所示：1）基于HMAC-SHA-1算法，根據(jù)K與C生成1個(gè)長(zhǎng)度為20B的字符串HS；2）獲取HS最后1個(gè)字節(jié)（93）的后4位（3）作為偏移地址Offset，然后從HS中截取HS［Offset］…HS［Offset+3］，得到1個(gè)長(zhǎng)度為4B的字符串25B91AB2，返回該字符串的后31位25B91AB2（避免某些處理器將最高位作為符號(hào)位）；3）將Sbits轉(zhuǎn)換成為十進(jìn)制632887986；4）根據(jù)P（P≥6），將Snum對(duì)10P取模，得到最終長(zhǎng)度為P的口令887986。

圖1 HOTP算法步驟

2）基于時(shí)間計(jì)數(shù)器的HOTP-TOTP TOTP算法與HOTP算法基本一致，TOTP中C為

式中：T0為生成口令時(shí)的初始計(jì)數(shù)時(shí)間戳；T為當(dāng)前時(shí)間戳；X為時(shí)間窗口，表示生成1次新計(jì)數(shù)器的間隔時(shí)間，取30s。

2 OTP算法優(yōu)化

2.1 計(jì)數(shù)器不同步問(wèn)題

OTP的客戶端與服務(wù)端通過(guò)各自計(jì)數(shù)器的當(dāng)前值計(jì)算得到新口令，正常情況下，兩端的計(jì)數(shù)器是同步的。OTP客戶端（硬件設(shè)備如口令卡、軟件令牌）計(jì)數(shù)器Cclient自增后，計(jì)算得到新的動(dòng)態(tài)口令Dclient。當(dāng)OTP服務(wù)端接收到該口令后，與通過(guò)服務(wù)端計(jì)數(shù)器Cserver計(jì)算得到的動(dòng)態(tài)口令Dserver進(jìn)行比對(duì)，每次新生成的口令相同，可以通過(guò)驗(yàn)證。

若出現(xiàn)如下計(jì)數(shù)器不同步的情況，則無(wú)法通過(guò)驗(yàn)證：1）HOTP客戶端請(qǐng)求獲取OTP口令（獲取后計(jì)數(shù)器自增），但未輸入并發(fā)送到服務(wù)端進(jìn)行驗(yàn)證；2）TOTP客戶端與服務(wù)端的時(shí)間不同步。

2.2 同步處理機(jī)制

2.2.1 TOTP算法

為了解決由于時(shí)間不同步導(dǎo)致的計(jì)數(shù)器不同步的問(wèn)題，可設(shè)置1個(gè)偏移量Tc，當(dāng)服務(wù)端根據(jù)本地時(shí)間T生成的口令與客戶端發(fā)送的口令不匹配時(shí)，可分別向前T-X、T-2X、…、T-（Tc-1）X、T-TcX和向后T+X、T+2X、…、T+（Tc-1）X、T+TcX進(jìn)行探測(cè)。若得到相匹配的口令后，此時(shí)返回驗(yàn)證通過(guò)，否則返回驗(yàn)證失敗。解決方案如圖2所示。

圖2 TOTP同步處理機(jī)制

1）正常情況 客戶端與服務(wù)端的本地時(shí)間同步，兩端的計(jì)數(shù)器也同步。客戶端每生成1次動(dòng)態(tài)口令后，便發(fā)送至服務(wù)端進(jìn)行驗(yàn)證，服務(wù)端根據(jù)通過(guò)相同的計(jì)數(shù)器得到相匹配的口令，驗(yàn)證通過(guò)。

2）計(jì)數(shù)器不同步情況 當(dāng)出現(xiàn)客戶端生成了口令但用戶輸入滯后、客戶端時(shí)間發(fā)生漂移，或由于網(wǎng)絡(luò)延遲等問(wèn)題，都將導(dǎo)致Ccltent與Cserver不同步。

3）下一次驗(yàn)證 在Ccltent與Cserver不同步的情況下，客戶端生成動(dòng)態(tài)口令后發(fā)送到服務(wù)端進(jìn)行驗(yàn)證，此時(shí)服務(wù)端根據(jù)計(jì)數(shù)器得到的口令與客戶端不匹配，可設(shè)置1個(gè)時(shí)間窗口，分別向前和向后進(jìn)行探測(cè)，在探測(cè)偏移量不超過(guò)Tc時(shí)，若計(jì)算得到相匹配的口令時(shí)返回驗(yàn)證通過(guò)，否則返回驗(yàn)證失敗。

4）異常行為 在第3種情況下，若返回驗(yàn)證失敗時(shí)，客戶端仍能夠再次提交口令并發(fā)起驗(yàn)證申請(qǐng)，此時(shí)服務(wù)端重復(fù)上1步的驗(yàn)證過(guò)程。為了避免惡意用戶（無(wú)有效的計(jì)數(shù)器）采用暴力方式破解，算法設(shè)置累計(jì)探測(cè)次數(shù)的閾值S，若探測(cè)次數(shù)N大于S，則認(rèn)定為異常行為。

2.2.2 HOPT算法

在計(jì)數(shù)器不同步的情況下，服務(wù)端生成的口令與客戶端發(fā)送的口令不匹配。此時(shí)Cserver自增，繼續(xù)向前探測(cè)（N≤S），若能夠匹配則返回成功（此時(shí)計(jì)數(shù)器已同步），否則返回失敗。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 身份認(rèn)證流程

基于TOTP算法實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)終端應(yīng)用的雙因子身份認(rèn)證，其核心流程如圖3所示。

圖3 身份認(rèn)證流程

3.1.1 用戶注冊(cè)

用戶通過(guò)手機(jī)進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)時(shí)提交包含人臉和聲紋的基本信息到服務(wù)端。此時(shí)服務(wù)端將產(chǎn)生并保存1個(gè)用于生成一次性口令的唯一密鑰，并將該密鑰返回給移動(dòng)終端應(yīng)用，保存在手機(jī)中。

3.1.2 用戶身份驗(yàn)證

用戶身份驗(yàn)證分為生物特征識(shí)別和動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)雙因子身份認(rèn)證。

1）生物特征識(shí)別 首先通過(guò)用戶ID獲取用戶的基本信息，并提取服務(wù)端存儲(chǔ)的用戶人臉和聲紋信息；然后通過(guò)移動(dòng)終端錄制1段不超過(guò)10s的視頻（基于Android提供的MediaRecorder實(shí)現(xiàn)視頻錄制以及壓縮）。錄制視頻時(shí)，要求用戶讀出1段指定的隨機(jī)文本，并對(duì)視頻中的人臉圖像進(jìn)行采集（基于Android提供的統(tǒng)一接口MediaMetadataRe?triever實(shí)現(xiàn)視頻文件的解析并獲取幀和元數(shù)據(jù)，得到指定時(shí)間點(diǎn)的截圖）、預(yù)處理以及特征提取，同時(shí)對(duì)聲紋特征進(jìn)行提??；最后采用指定的模式匹配算法對(duì)人臉和聲紋進(jìn)行比對(duì)。

2）動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證 每次認(rèn)證時(shí)分別在移動(dòng)端和服務(wù)端基于OTP算法生成動(dòng)態(tài)口令，并進(jìn)行一致性比對(duì)：在移動(dòng)端，首先從手機(jī)中讀取預(yù)先存儲(chǔ)的OTP密鑰，然后基于手機(jī)的當(dāng)前時(shí)間戳生成相應(yīng)的Dclient并顯示在用戶界面中，最后用戶根據(jù)提示的Dclient進(jìn)行輸入并提交；在服務(wù)端，首先根據(jù)用戶請(qǐng)求（含用戶ID與填寫(xiě)的動(dòng)態(tài)口令）獲取動(dòng)態(tài)口令密鑰，其次根據(jù)密鑰務(wù)器當(dāng)前時(shí)間生成相應(yīng)的Dserver，最后將Dserver與Dclient進(jìn)行比對(duì)，并返回驗(yàn)證結(jié)果到客戶端進(jìn)行顯示。

3.2 動(dòng)態(tài)口令算法

1）基于時(shí)間的一次性口令生成算法 假設(shè)系統(tǒng)支持hmac-sha1加密算法，且服務(wù)端與客戶端已保存相同的密鑰；輸入為共享密鑰、當(dāng)前時(shí)間、動(dòng)態(tài)口令長(zhǎng)度；輸出為動(dòng)態(tài)口令。

2）動(dòng)態(tài)口令驗(yàn)證算法 假設(shè)服務(wù)端與客戶端已保存相同的密鑰；輸入為共享密鑰、服務(wù)端當(dāng)前時(shí)間、用戶輸入的動(dòng)態(tài)口令、時(shí)間窗口、探測(cè)偏移量、動(dòng)態(tài)口令長(zhǎng)度；輸出為是否驗(yàn)證通過(guò)。

3.3 運(yùn)行結(jié)果

移動(dòng)終端運(yùn)行界面如圖4所示。用戶首先錄制不超過(guò)10s的視頻并讀出1段隨機(jī)文本，程序從中截取人臉和聲紋信息；驗(yàn)證通過(guò)后輸入手機(jī)上顯示的6位動(dòng)態(tài)口令，并發(fā)送到服務(wù)端進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了“生物特征+動(dòng)態(tài)口令”的雙因子驗(yàn)證過(guò)程。

圖4 身份認(rèn)證界面

4 結(jié)論

文中提出“生物特征+動(dòng)態(tài)口令”的雙因子身份認(rèn)證方法。采用人臉和聲紋的組合方式進(jìn)行生物特征驗(yàn)證，基于TOTP算法生成動(dòng)態(tài)口令進(jìn)行二次驗(yàn)證，提高了系統(tǒng)的安全性。文中提出的TOTP同步處理機(jī)制中，探測(cè)時(shí)間窗口設(shè)置偏大可能給惡意用戶暴露了更大的攻擊時(shí)間窗口，設(shè)置偏小則可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)正常情況下的身份認(rèn)證，后續(xù)將根據(jù)具體情況在安全性和可用性之間進(jìn)行權(quán)衡。