Google Authenticator 原理及Java实现

作者：徐小花

链接：https://www.zhihu.com/question/20462696/answer/18731073

来源：知乎

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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：https://itunes.apple.com/cn/app/google-authenticator/id388497605

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：

<img src="https://pic1.zhimg.com/c2056261a0b106af19517697887c0b38_b.jpg" data-rawwidth="281" data-rawheight="398" class="content_image" width="281">


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：https://github.com/PHPGangsta/GoogleAuthenticator
。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。

示例url： https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/testuser@testhost%3Fsecret%3DIV5H5FGFJS6K4N2Y
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链接：http://blog.csdn.net/a623397674a/article/details/38336461

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[java]
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print?

//Google  Authenticator  
  
// 只从google出了双重身份验证后，就方便了大家，等同于有了google一个级别的安全，但是我们该怎么使用google authenticator (双重身份验证)，  
  
//下面是java的算法，这样大家都可以得到根据key得到公共的秘钥了,直接复制，记得导入JAR包：  
//  
//commons-codec-1.8.jar  
//  
//junit-4.10.jar  
  
  
//测试方法：  
//  
//1、执行测试代码中的“genSecret”方法，将生成一个KEY（用户为testuser），URL打开是一张二维码图片。  
//  
//2、在手机中下载“GOOGLE身份验证器”。  
//  
//3、在身份验证器中配置账户，输入账户名（第一步中的用户testuser）、密钥（第一步生成的KEY），选择基于时间。  
//  
//4、运行authcode方法将key和要测试的验证码带进去（codes，key），就可以知道是不是正确的秘钥了！返回值布尔  
  
//main我就不写了大家~~因为这个可以当做util工具直接调用就行了  
//  
  
package coin.util;  
  
import java.security.InvalidKeyException;  
import java.security.NoSuchAlgorithmException;  
import java.security.SecureRandom;  
  
import javax.crypto.Mac;  
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;  
  
import org.apache.commons.codec.binary.Base32;  
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;  
  
  
  
public class GoogleAuthenticator {  
      
    // taken from Google pam docs - we probably don't need to mess with these  
    public static final int SECRET_SIZE = 10;  
      
    public static final String SEED = "g8GjEvTbW5oVSV7avLBdwIHqGlUYNzKFI7izOF8GwLDVKs2m0QN7vxRs2im5MDaNCWGmcD2rvcZx";  
      
    public
f0a0
 static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";  
      
    int window_size = 3; // default 3 - max 17 (from google docs)最多可偏移的时间  
    
    public void setWindowSize(int s) {  
        if (s >= 1 && s <= 17)  
            window_size = s;  
    }  
      
   
      
    public static Boolean authcode(String codes, String savedSecret) {  
        // enter the code shown on device. Edit this and run it fast before the  
        // code expires!  
        long code = Long.parseLong(codes);  
        long t = System.currentTimeMillis();  
        GoogleAuthenticator ga = new GoogleAuthenticator();  
        ga.setWindowSize(15); // should give 5 * 30 seconds of grace...  
        boolean r = ga.check_code(savedSecret, code, t);  
        return r;  
    }  
    public static String genSecret() {  
        String secret = GoogleAuthenticator.generateSecretKey();  
        GoogleAuthenticator.getQRBarcodeURL("testuser",  
                "testhost", secret);  
        return secret;  
    }  
    public static String generateSecretKey() {  
        SecureRandom sr = null;  
        try {  
            sr = SecureRandom.getInstance(RANDOM_NUMBER_ALGORITHM);  
            sr.setSeed(Base64.decodeBase64(SEED));  
            byte[] buffer = sr.generateSeed(SECRET_SIZE);  
            Base32 codec = new Base32();  
            byte[] bEncodedKey = codec.encode(buffer);  
            String encodedKey = new String(bEncodedKey);  
            return encodedKey;  
        }catch (NoSuchAlgorithmException e) {  
            // should never occur... configuration error  
        }  
        return null;  
    }  
      
   
    public static String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {  
        String format = "https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s%%3Fsecret%%3D%s";  
        return String.format(format, user, host, secret);  
    }  
      
  
    public boolean check_code(String secret, long code, long timeMsec) {  
        Base32 codec = new Base32();  
        byte[] decodedKey = codec.decode(secret);  
        // convert unix msec time into a 30 second "window"  
        // this is per the TOTP spec (see the RFC for details)  
        long t = (timeMsec / 1000L) / 30L;  
        // Window is used to check codes generated in the near past.  
        // You can use this value to tune how far you're willing to go.  
        for (int i = -window_size; i <= window_size; ++i) {  
            long hash;  
            try {  
                hash = verify_code(decodedKey, t + i);  
            }catch (Exception e) {  
                // Yes, this is bad form - but  
                // the exceptions thrown would be rare and a static configuration problem  
                e.printStackTrace();  
                throw new RuntimeException(e.getMessage());  
                //return false;  
            }  
            if (hash == code) {  
                return true;  
            }  
        }  
        // The validation code is invalid.  
        return false;  
    }  
      
    private static int verify_code(byte[] key, long t) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {  
        byte[] data = new byte[8];  
        long value = t;  
        for (int i = 8; i-- > 0; value >>>= 8) {  
            data[i] = (byte) value;  
        }  
        SecretKeySpec signKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");  
        Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");  
        mac.init(signKey);  
        byte[] hash = mac.doFinal(data);  
        int offset = hash[20 - 1] & 0xF;  
        // We're using a long because Java hasn't got unsigned int.  
        long truncatedHash = 0;  
        for (int i = 0; i < 4; ++i) {  
            truncatedHash <<= 8;  
            // We are dealing with signed bytes:  
            // we just keep the first byte.  
            truncatedHash |= (hash[offset + i] & 0xFF);  
        }  
        truncatedHash &= 0x7FFFFFFF;  
        truncatedHash %= 1000000;  
        return (int) truncatedHash;  
    }  
}  

//Google  Authenticator

// 只从google出了双重身份验证后，就方便了大家，等同于有了google一个级别的安全，但是我们该怎么使用google authenticator (双重身份验证)，

//下面是java的算法，这样大家都可以得到根据key得到公共的秘钥了,直接复制，记得导入JAR包：
//
//commons-codec-1.8.jar
//
//junit-4.10.jar

//测试方法：
//
//1、执行测试代码中的“genSecret”方法，将生成一个KEY（用户为testuser），URL打开是一张二维码图片。
//
//2、在手机中下载“GOOGLE身份验证器”。
//
//3、在身份验证器中配置账户，输入账户名（第一步中的用户testuser）、密钥（第一步生成的KEY），选择基于时间。
//
//4、运行authcode方法将key和要测试的验证码带进去（codes，key），就可以知道是不是正确的秘钥了！返回值布尔

//main我就不写了大家~~因为这个可以当做util工具直接调用就行了
//

package coin.util;

import java.security.InvalidKeyException;
import java.security.NoSuchAlgorithmException;
import java.security.SecureRandom;

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;

import org.apache.commons.codec.binary.Base32;
import org.apache.commons.codec.binary.Base64;

public class GoogleAuthenticator {

// taken from Google pam docs - we probably don't need to mess with these
public static final int SECRET_SIZE = 10;

public static final String SEED = "g8GjEvTbW5oVSV7avLBdwIHqGlUYNzKFI7izOF8GwLDVKs2m0QN7vxRs2im5MDaNCWGmcD2rvcZx";

public static final String RANDOM_NUMBER_ALGORITHM = "SHA1PRNG";

int window_size = 3; // default 3 - max 17 (from google docs)最多可偏移的时间

public void setWindowSize(int s) {
if (s >= 1 && s <= 17)
window_size = s;
}

public static Boolean authcode(String codes, String savedSecret) {
// enter the code shown on device. Edit this and run it fast before the
// code expires!
long code = Long.parseLong(codes);
long t = System.currentTimeMillis();
GoogleAuthenticator ga = new GoogleAuthenticator();
ga.setWindowSize(15); // should give 5 * 30 seconds of grace...
boolean r = ga.check_code(savedSecret, code, t);
return r;
}
public static String genSecret() {
String secret = GoogleAuthenticator.generateSecretKey();
GoogleAuthenticator.getQRBarcodeURL("testuser",
"testhost", secret);
return secret;
}
public static String generateSecretKey() {
SecureRandom sr = null;
try {
sr = SecureRandom.getInstance(RANDOM_NUMBER_ALGORITHM);
sr.setSeed(Base64.decodeBase64(SEED));
byte[] buffer = sr.generateSeed(SECRET_SIZE);
Base32 codec = new Base32();
byte[] bEncodedKey = codec.encode(buffer);
String encodedKey = new String(bEncodedKey);
return encodedKey;
}catch (NoSuchAlgorithmException e) {
// should never occur... configuration error
}
return null;
}

public static String getQRBarcodeURL(String user, String host, String secret) {
String format = "https://www.google.com/chart?chs=200x200&chld=M%%7C0&cht=qr&chl=otpauth://totp/%s@%s%%3Fsecret%%3D%s";
return String.format(format, user, host, secret);
}

public boolean check_code(String secret, long code, long timeMsec) {
Base32 codec = new Base32();
byte[] decodedKey = codec.decode(secret);
// convert unix msec time into a 30 second "window"
// this is per the TOTP spec (see the RFC for details)
long t = (timeMsec / 1000L) / 30L;
// Window is used to check codes generated in the near past.
// You can use this value to tune how far you're willing to go.
for (int i = -window_size; i <= window_size; ++i) {
long hash;
try {
hash = verify_code(decodedKey, t + i);
}catch (Exception e) {
// Yes, this is bad form - but
// the exceptions thrown would be rare and a static configuration problem
e.printStackTrace();
throw new RuntimeException(e.getMessage());
//return false;
}
if (hash == code) {
return true;
}
}
// The validation code is invalid.
return false;
}

private static int verify_code(byte[] key, long t) throws NoSuchAlgorithmException, InvalidKeyException {
byte[] data = new byte[8];
long value = t;
for (int i = 8; i-- > 0; value >>>= 8) {
data[i] = (byte) value;
}
SecretKeySpec signKey = new SecretKeySpec(key, "HmacSHA1");
Mac mac = Mac.getInstance("HmacSHA1");
mac.init(signKey);
byte[] hash = mac.doFinal(data);
int offset = hash[20 - 1] & 0xF;
// We're using a long because Java hasn't got unsigned int.
long truncatedHash = 0;
for (int i = 0; i < 4; ++i) {
truncatedHash <<= 8;
// We are dealing with signed bytes:
// we just keep the first byte.
truncatedHash |= (hash[offset + i] & 0xFF);
}
truncatedHash &= 0x7FFFFFFF;
truncatedHash %= 1000000;
return (int) truncatedHash;
}
}

工程源码分享：
链接: http://pan.baidu.com/s/1eRUelqi 密码: xz25