动态令牌之 OTP,HOTP,TOTP 的基本原理 Python

名词解释和基本介绍：

OTP 是 One-Time Password的简写，标识一次性密码
HOTP 是HMAC-based One-Time Password的简写，表示基于HMAC算法加密的一次性密码。是事件同步，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算法运算出一致的密码。（基于事件）
TOTP 是Time-based One-Time Password的简写，表示基于时间戳算法的一次性密码。是时间同步，基于客户端的动态口令和动态口令验证服务器的时间比对，一般每60秒产生一个新口令，要求客户端和服务器能够十分精确的保持正确的时钟，客户端和服务端基于时间计算的动态口令才能一致。

原理介绍

OTP基本原理

计算OTP串的公式：OTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))
其中，
K表示秘钥串；

C是一个数字，表示随机数；
HMAC-SHA-1表示使用SHA-1做HMAC；
Truncate是一个函数，就是怎么截取加密后的串，并取加密后串的哪些字段组成一个数字。

对HMAC-SHA-1方式加密来说，Truncate实现如下：

HMAC-SHA-1加密后的长度得到一个20字节的密串；
取这个20字节的密串的最后一个字节，取这字节的低4位，作为截取加密串的下标偏移量；
按照下标偏移量开始，获取4个字节，按照大端方式组成一个整数；
截取这个整数的后6位或者8位转成字符串返回。

HOTP基本原理

知道了OTP的基本原理，HOTP只是将其中的参数C变成了随机数HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C)) 即：C作为一个参数，获取动态密码。
HOTP的python代码片段：

class HOTP(OTP):def at(self, count):"""Generates the OTP for the given count@param [Integer] count counter@returns [Integer] OTP"""return self.generate_otp(count)

一般规定HOTP的散列函数使用SHA2，即：基于SHA-256 or SHA-512 [SHA2] 的散列函数做事件同步验证；

TOTP基本原理

TOTP只是将其中的参数C变成了由时间戳产生的数字。
TOTP(K,C) = HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))
不同点是TOTP中的C是时间戳计算得出。
C = (T - T0) / X;

T 表示当前Unix时间戳
T0一般取值为 0.
X 表示时间步数，也就是说多长时间产生一个动态密码，这个时间间隔就是时间步数X，系统默认是30秒；

例如:

T0 = 0;

X = 30;

T = 30 ~ 59, C = 1; 表示30 ~ 59 这30秒内的动态密码一致。

不同厂家使用的时间步数不同；

阿里巴巴的身份宝使用的时间步数是60秒；
Google的身份验证器的时间步数是30秒；
腾讯的Token时间步数是60秒；

TOTP的python代码片段：

class TOTP(OTP):def __init__(self, *args, **kwargs):"""@option options [Integer] interval (30) the time interval in secondsfor OTP This defaults to 30 which is standard."""self.interval = kwargs.pop('interval', 30)super(TOTP, self).__init__(*args, **kwargs)def now(self):"""Generate the current time OTP@return [Integer] the OTP as an integer"""return self.generate_otp(self.timecode(datetime.datetime.now()))def timecode(self, for_time):i = time.mktime(for_time.timetuple())return int(i / self.interval)

代码说明

self.interval 是时间步数X

datetime.datetime.now()为当前的Unix时间戳

timecode表示(T - T0) / X，即获取获取动态密码计算的随机数。

TOTP 的实现可以使用HMAC-SHA-256或者HMAC-SHA-512散列函数；

python的otp实现

https://pypi.python.org/pypi/pyotp
https://github.com/pyotp/pyotp

基于pyotp的简单应用

>>> import base64
>>> base64.b32encode('This is my secret key')
'KRUGS4ZANFZSA3LZEBZWKY3SMV2CA23FPE======'
>>> secretKey = base64.b32encode('This is my secret key')
>>> import pyotp
>>> totp = pyotp.TOTP(secretKey)
>>> totp.now()
423779

程序的简单说明

加载base64的模块，将我的秘钥做一下base32的加密，加载pyotp模块，otp使用base32加密后的秘钥传作为种子，生成随机数字验证的。

可以使用pyotp和expect一起实现基于google authenticator的自动登录（免去每次双认证，输入密码和动态密码）。

pyotp的TOTP的使用说明（官网）

totp = pyotp.TOTP('base32secret3232')
totp.now() # => 492039# OTP verified for current time
totp.verify(492039) # => True
time.sleep(30)
totp.verify(492039) # => False

pyotp的HOTP的使用说明（官网）

hotp = pyotp.HOTP('base32secret3232')
hotp.at(0) # => 260182
hotp.at(1) # => 55283
hotp.at(1401) # => 316439# OTP verified with a counter
hotp.verify(316439, 1401) # => True
hotp.verify(316439, 1402) # => False

使用场景

服务器登录动态密码验证（如阿里云ECS登录，腾讯机房服务器登录等）；
公司VPN登录双因素验证；
网络接入radius动态密码；
银行转账动态密码；
网银、网络游戏的实体动态口令牌；
等动态密码验证的应用场景。

市面上基于HOTP的产品

宁盾令牌
阿里巴巴的身份宝
Google的身份验证器（google-authenticator）

Google基于TOTP的开源实现

https://github.com/google/google-authenticator
RFC6238中TOTP基于java代码的实现。

golang的一个otp做的不错的实现

https://github.com/gitchs/gootp

RFC参考

RFC 4226 One-Time Password and HMAC-based One-Time Password.
RFC 6238 Time-based One-Time Password.
RFC 2104 HMAC Keyed-Hashing for Message Authentication.