OTP一次性动态密码工具Java实现

一次性密码（英语：One Time Password，简称OTP），又称动态密码或单次有效密码，是指计算器系统或其他数字设备上只能使用一次的密码，有效期为只有一次登录会话或交易。OTP 避免了一些与传统基于（静态）密码认证相关系的缺点；一些实现还纳入了双因素认证，确保单次有效密码需要访问一个人有的某件事物（如内置 OTP 计算器的小钥匙挂件设备）以及一个人知道的某件事物（如 PIN）。

1.原理

动态密码的产生方式，主要是以时间差作为服务器与密码产生器的同步条件。在需要登录的时候，就利用密码产生器产生动态密码，OTP一般分为计次使用以及计时使用两种，计次使用的OTP产出后，可在不限时间内使用；计时使用的OTP则可设置密码有效时间，从30秒到两分钟不等，而OTP在进行认证之后即废弃不用，下次认证必须使用新的密码，增加了试图不经授权访问有限制资源的难度。

2.优势

动态密码的解决方案有以下几个优点：

解决用户在密码的记忆与保存上的困难性。
由于密码只能使用一次，而且因为是动态产生，所以不可预测，也只有一次的使用有效性，可以大为提升使用的安全程度。

3.形式

OTP从技术来分有三种形式，时间同步、事件同步、挑战/应答。

时间同步
原理是基于动态令牌和动态口令验证服务器的时间比对，基于时间同步的令牌，一般每60秒产生一个新口令，要求服务器能够十分精确的保持正确的时钟，同时对其令牌的晶振频率有严格的要求，这种技术对应的终端是硬件令牌。
事件同步
基于事件同步的令牌，其原理是通过某一特定的事件次序及相同的种子值作为输入，通过HASH算法中运算出一致的密码。
挑战/应答
常用于的网上业务，在网站/应答上输入服务端下发的挑战码，动态令牌输入该挑战码，通过内置的算法上生成一个6/8位的随机数字，口令一次有效，这种技术目前应用最为普遍，包括刮刮卡、短信密码、动态令牌也有挑战/应答形式。
主流的动态令牌技术是时间同步和挑战/应答两种形式。

4.OTP实现源码

import javax.crypto.Mac;
import javax.crypto.spec.SecretKeySpec;
import java.lang.reflect.UndeclaredThrowableException;
import java.math.BigInteger;
import java.security.GeneralSecurityException;
import java.text.DateFormat;
import java.text.SimpleDateFormat;
import java.util.Date;
import java.util.TimeZone;/*** @author yuangang.lyg* @version TOTP.java, v 0.1 2022年01月11日 10:30 AM yuangang.lyg*/
public class TOTP {private static final int[] DIGITS_POWER// 0 1  2   3    4     5      6       7        8= {1, 10, 100, 1000, 10000, 100000, 1000000, 10000000, 100000000};/*** This method generates a TOTP value for the given* set of parameters.** @param key:          the shared secret, HEX encoded* @param time:         a value that reflects a time* @param returnDigits: number of digits to return* @return: a numeric String in base 10 that include truncationDigits digits*/public static String generateTOTP(String key, String time, String returnDigits) {return generateTOTP(key, time, returnDigits, "HmacSHA1");}/*** This method generates a TOTP value for the given* set of parameters.** @param key:          the shared secret, HEX encoded* @param time:         a value that reflects a time* @param returnDigits: number of digits to return* @return: a numeric String in base 10 that includes truncationDigits digits*/public static String generateTOTP256(String key, String time, String returnDigits) {return generateTOTP(key, time, returnDigits, "HmacSHA256");}/*** This method generates a TOTP value for the given* set of parameters.** @param key:          the shared secret, HEX encoded* @param time:         a value that reflects a time* @param returnDigits: number of digits to return* @return: a numeric String in base 10 that includes truncationDigits digits*/public static String generateTOTP512(String key, String time, String returnDigits) {return generateTOTP(key, time, returnDigits, "HmacSHA512");}/*** This method generates a TOTP value for the given* set of parameters.** @param key:          the shared secret, HEX encoded* @param time:         a value that reflects a time* @param returnDigits: number of digits to return* @param crypto:       the crypto function to use* @return: a numeric String in base 10 that includes truncationDigits digits*/public static String generateTOTP(String key, String time, String returnDigits, String crypto) {int codeDigits = Integer.decode(returnDigits);StringBuilder result;// Using the counter// First 8 bytes are for the movingFactor// Compliant with base RFC 4226 (HOTP)StringBuilder timeBuilder = new StringBuilder(time);while (timeBuilder.length() < 16) {timeBuilder.insert(0, "0");}time = timeBuilder.toString();// Get the HEX in a Byte[]byte[] msg = hexStr2Bytes(time);byte[] k = hexStr2Bytes(key);byte[] hash = hmac_sha(crypto, k, msg);// put selected bytes into result intint offset = hash[hash.length - 1] & 0xf;int binary = ((hash[offset] & 0x7f) << 24) |((hash[offset + 1] & 0xff) << 16) |((hash[offset + 2] & 0xff) << 8) |(hash[offset + 3] & 0xff);int otp = binary % DIGITS_POWER[codeDigits];result = new StringBuilder(Integer.toString(otp));while (result.length() < codeDigits) {result.insert(0, "0");}return result.toString();}private TOTP() {}/*** This method uses the JCE to provide the crypto algorithm.* HMAC computes a Hashed Message Authentication Code with the* crypto hash algorithm as a parameter.** @param crypto:   the crypto algorithm (HmacSHA1, HmacSHA256,*                  HmacSHA512)* @param keyBytes: the bytes to use for the HMAC key* @param text:     the message or text to be authenticated*/private static byte[] hmac_sha(String crypto, byte[] keyBytes, byte[] text) {try {Mac hmac;hmac = Mac.getInstance(crypto);SecretKeySpec macKey = new SecretKeySpec(keyBytes, "RAW");hmac.init(macKey);return hmac.doFinal(text);} catch (GeneralSecurityException gse) {throw new UndeclaredThrowableException(gse);}}/*** This method converts a HEX string to Byte[]** @param hex: the HEX string* @return: a byte array*/private static byte[] hexStr2Bytes(String hex) {// Adding one byte to get the right conversion// Values starting with "0" can be convertedbyte[] bArray = new BigInteger("10" + hex, 16).toByteArray();// Copy all the REAL bytes, not the "first"byte[] ret = new byte[bArray.length - 1];System.arraycopy(bArray, 1, ret, 0, ret.length);return ret;}public static void main(String[] args) {// import org.apache.commons.lang3.RandomStringUtils// Seed for HMAC-SHA1 - 20 bytesString seed = RandomStringUtils.randomNumeric(40);// Seed for HMAC-SHA256 - 32 bytesString seed32 = RandomStringUtils.randomNumeric(64);// Seed for HMAC-SHA512 - 64 bytesString seed64 = RandomStringUtils.randomNumeric(128);long T0 = 0;long X = 30;String returnDigits = "6";long[] testTime = {59L, 1011217109L, 1121151171L, 1234567890L, 2008000000L, 20000700000L};StringBuilder steps;DateFormat df = new SimpleDateFormat("yyyy-MM-dd HH:mm:ss");df.setTimeZone(TimeZone.getTimeZone("UTC"));try {System.out.println("+------------------seed:" + seed);System.out.println("+------------------seed32:" + seed32);System.out.println("+------------------seed64:" + seed64);System.out.println("+---------------+-----------------------+" + "------------------+--------+--------+");System.out.println("|  Time(sec)    |   Time (UTC format)   " + "| Value of T(Hex)  |  TOTP  | Mode   |");System.out.println("+---------------+-----------------------+" + "------------------+--------+--------+");for (long l : testTime) {long T = (l - T0) / X;steps = new StringBuilder(Long.toHexString(T).toUpperCase());while (steps.length() < 16) {steps.insert(0, "0");}String fmtTime = String.format("%1$-11s", l);String utcTime = df.format(new Date(l * 1000));System.out.print("|  " + fmtTime + "  |  " + utcTime + "  | " + steps + " |");System.out.println(generateTOTP(seed, steps.toString(), returnDigits, "HmacSHA1") + "| SHA1   |");System.out.print("|  " + fmtTime + "  |  " + utcTime + "  | " + steps + " |");System.out.println(generateTOTP(seed32, steps.toString(), returnDigits, "HmacSHA256") + "| SHA256 |");System.out.print("|  " + fmtTime + "  |  " + utcTime + "  | " + steps + " |");System.out.println(generateTOTP(seed64, steps.toString(), returnDigits, "HmacSHA512") + "| SHA512 |");System.out.println("+---------------+-----------------------+" + "------------------+--------+--------+");}} catch (final Exception e) {System.out.println("Error : " + e);}}
}

5.OTP实现结果

+------------------seed:2572881420313506239229572394774390734264
+------------------seed32:7171838149487408940176086224127987212200599631352550591232454712
+------------------seed64:19880891091630914017193921493157236846471588454806106066014992004427631493340197961710656590274688793505864460624254023701200446
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
|  Time(sec)    |   Time (UTC format)   | Value of T(Hex)  |  TOTP  | Mode   |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
|  59           |  1970-01-01 00:00:59  | 0000000000000001 |131174| SHA1   |
|  59           |  1970-01-01 00:00:59  | 0000000000000001 |692965| SHA256 |
|  59           |  1970-01-01 00:00:59  | 0000000000000001 |819515| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
|  1011217109   |  2002-01-16 21:38:29  | 00000000020254E4 |120935| SHA1   |
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|  1011217109   |  2002-01-16 21:38:29  | 00000000020254E4 |686186| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
|  1121151171   |  2005-07-12 06:52:51  | 00000000023A3F39 |000140| SHA1   |
|  1121151171   |  2005-07-12 06:52:51  | 00000000023A3F39 |353761| SHA256 |
|  1121151171   |  2005-07-12 06:52:51  | 00000000023A3F39 |419397| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
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|  1234567890   |  2009-02-13 23:31:30  | 000000000273EF07 |314083| SHA256 |
|  1234567890   |  2009-02-13 23:31:30  | 000000000273EF07 |207428| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
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|  2008000000   |  2033-08-18 17:46:40  | 0000000003FD5255 |885322| SHA256 |
|  2008000000   |  2033-08-18 17:46:40  | 0000000003FD5255 |691781| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+
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|  20000700000  |  2603-10-19 14:00:00  | 0000000027BCE1D0 |808290| SHA512 |
+---------------+-----------------------+------------------+--------+--------+

参考引用rfc6238:TOTP: Time-Based One-Time Password Algorithm

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