使用 Golang 实现基于时间的一次性密码 TOTP

什么是一次性密码 OTP ？

一次性密码（One Time Password），简称 OTP，是只能使用一次的密码。每次做身份认证时都会生成一个新的密码，在使用一次之后立即失效，不能重复使用。这种密码只能使用一次，因此即使攻击者能够窃取到密码，也无法再次使用该密码进行身份认证。

一次性密码的优点

• 安全性高，一次性密码只能使用一次，所以即使攻击者能够截获密码，也无法再次使用该密码进行第二次认证。
• 易于使用，一次性密码通常是通过短信、电子邮件或专用的身份验证应用程序发送给用户的，通常是4到8位的数字、字母或数字字母组合，用户只需要输入收到的密码并且很方便输入。
• 无需记忆，与传统的静态密码不同，用户不需要记住一次性密码，降低了用户的认知负担，并减少了因忘记密码而导致的问题。

接下来看一下一次性密码实现的几种方式。

基于时间的一次性密码（Time-based One-Time Password，TOTP）

密码的有效性依赖当前的时间，每个密码都有一个固定的有效期，例如30秒或60秒。在这个时间窗口结束后，密码会自动失效，系统会生成一个新的密码。

这种方法的优点是不依赖于网络连接，因此即使在没有网络连接的情况下，用户也可以生成密码。这种方法的缺点是对时间的同步要求较高，需要客户端和服务器之间的时间保持精确同步，并且用户必须在指定的时间窗口内输入密码，否则密码就会失效。

基于哈希的一次性密码（Hash-based One-Time Password，HOTP）

密码的生成依赖一个密钥和一个计数器。每当用户请求一个新的密码时，计数器就会增加，然后使用哈希函数和密钥生成一个新的密码。这种方法的优点是不依赖时间，因此用户可以在任何时间输入密码。相应的缺点是如果计数器的值在服务器和用户设备之间不同步，就可能导致问题。

基于短信的一次性密码（SMS-based One-Time Password，SOTP）

密码需要通过短信发送给用户，当用户需要进行身份认证时，系统会发送一个密码到用户的手机。这种方法的优点是很方便直观，相应的缺点是依赖手机网络，如果用户没有手机信号或者手机被盗，就无法接收密码。此外，这种方法也容易受到短信劫持的攻击。

基于电子邮件的一次性密码（Email-based One-Time Password，EOTP）

密码通过电子邮件发送给用户。与基于短信的一次性密码类似，这种方法的优点是很容易理解和使用。相应的缺点是依赖电子邮件，如果用户无法访问自己的电子邮件，就无法接收密码。此外，这种方法也容易受到电子邮件劫持的攻击。

理论上来说，一次性密码是最安全的。但目前还没有理想的一次性密码的实现方式，大多数情况下，一次性密码的使用场景还是用于辅助身份认证。

因为 TOTP 是标准化的协议并且被广泛采用，所以有很多对应的移动应用或者 web 应用实现，被称为身份验证器应用，例如 Google Authenticator、Microsoft Authenticator 等。Golang 也有很多优秀的三方库可以帮助我们快速实现 TOTP 的服务端实现，其中比较有代表性的是 pquerna/otp 库，接下来就使用这个库来演示一下 TOTP 的服务端实现流程。

为用户生成 TOTP Key

用户开启双因子认证时，为用户生成 TOTP Key，用于生成 TOTP 密码。将这个密码保存在数据库或者秘钥管理系统中，生成 key 的关键代码如下：

key, err := totp.Generate(totp.GenerateOpts{
		Issuer:      "Github",
		AccountName: "user@example.com",
		Period:      30,
		Digits:      otp.DigitsSix,
    Algorithm: otp.AlgorithmSHA1,
	})

这几个参数的意思如下：

• Issuer 意思是应用名称，例如 Github。
• AccountName 意思要给哪个用户生成 key。
• Period 意思是 TOTP 密码的有效时间，也是不同 TOTP 密码的生成时间间隔，一般为 30 秒。
• Digits 意思是生成的密码长度，一般为 6 位。
• Algorithm，用于 HMAC 签名的算法，默认是 SHA1。

把密钥和密码生成规则分享给用户

通常是将秘钥和密码规则信息以二维码的形式展示给用户，用户使用身份验证器应用扫描二维码保存相关信息并且生成密码。二维码中的内容格式一般如下：

otpauth://totp/Github:user@example.com?algorithm=SHA1&digits=6&issuer=Github&period=30&secret=5RLOAFJOB6LRV7WOKFIMDZ5IESZ7L3JM

为用户提供“恢复码” Recovery Codes

生成“恢复码” Recovery Codes （使用随机生成的字符串即可）存储到数据库或者秘钥管理系统中。当用户不能访问自己的 TOTP 设备（例如将 TOTP 应用中的 TOTP 秘钥删除了、将 TOTP 应用卸载了、手机丢失了等）时，就无法登录自己的帐户了。因为这种情况比较常见，所以很多网站都会给用户提供“备份代码”或“恢复代码”，并且每个只能使用一次，可以临时用来代替 TOTP 密码。

校验用户输入的 TOTP 密码

用户再次登录后，触发双因子认证，要求用户输入 TOTP 密码，服务端检验这个密码。校验的关键代码如下：

// 验证一次性密码
isValid := totp.Validate(passcode, key.Secret())

模拟生成密钥、校验密码的代码

package main

import (
	"fmt"
	"time"

	"github.com/pquerna/otp"
	"github.com/pquerna/otp/totp"
)

func main() {
	// 生成密钥
	key, err := totp.Generate(totp.GenerateOpts{
		Issuer:      "Github",
		AccountName: "user@example.com",
		Period:      30,
		Digits:      otp.DigitsSix,
		Algorithm:   otp.AlgorithmSHA1,
	})
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	fmt.Println("Secret URL: ", key.URL())

	// 模拟生成一个一次性密码
	now := time.Now()
	passcode, err := totp.GenerateCode(key.Secret(), now)
	if err != nil {
		panic(err)
	}

	// 验证一次性密码
	valid := totp.Validate(passcode, key.Secret())
	if valid {
		fmt.Println("Valid passcode!")
	} else {
		fmt.Println("Invalid passcode!")
	}
}