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架构师必备：MFA 了解一下

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1. 引言

还记得 2023 年 GitHub 强制推行多因子认证（MFA）的那一刻吗？从 3 月开始，GitHub 分阶段要求用户启用 MFA，并在年底前全面完成覆盖，这让全球开发者不得不重新审视身份安全的重要性。

现在我们登录 Github ，除了要输入密码，还需要完成一个额外的验证步骤，比如输入手机上的动态验证码，或者通过手机上的身份验证器（Authenticator App）确认登录。这种看似繁琐的体验已经成为各大云厂商产品的标配。不仅是 GitHub，像 AWS、阿里云、腾讯云等云厂商也几乎都要求在敏感操作时使用多因子认证（MFA），以确保账户安全。

这种举措不仅保护了平台上的代码和账户安全，更体现了现代身份管理技术的趋势，今天，我们就从 GitHub 强制 MFA 的案例切入，了解 MFA 及 Google Authenticator 的实现原理。

2. 什么是 MFA/2FA

在探讨 MFA 之前，我们需要理解身份验证的本质。身份验证是确认某人或某物的身份是否属实的过程。无论是通过密码登录 Gmail，还是刷身份证进入火车站，身份验证的核心都是确保「你是你自称的那个人」。

然而，传统的基于密码的身份验证模式存在诸多隐患：

  • 密码过于简单：许多人使用诸如“123456”或“password”这样的弱密码。
  • 密码重复使用：用户往往将同一个密码应用于多个网站，一旦一个账户泄露，其它账户也岌岌可危。
  • 钓鱼攻击和暴力破解：黑客通过欺骗或技术手段轻易获取用户密码。
  • 中间人攻击：在不安全的网络环境中，密码可能被拦截。

这些问题导致密码的安全性备受质疑，因此需要额外的保护层，MFA 由此应运而生。

2.1 MFA：不是多一个步骤，而是多一层防护

MFA，Multi-Factor Authentication，多因子认证，是一种身份验证方法，要求用户提供多个独立的身份验证因素来完成登录或访问。传统的身份认证只依赖单一密码，MFA 则通过引入额外的验证步骤，极大地提升了账户安全性。

在 MFA 中，通常会结合以下三类验证因素：

  • 你知道的东西：密码、PIN 码、答案问题等。
  • 你拥有的东西：动态验证码（通过手机或硬件设备生成）、安全令牌、智能卡、U 盾等。
  • 你自身的特征：生物特征验证，如指纹、面部识别、虹膜扫描等。

MFA 的意义在于，即便攻击者获得了你的密码，由于缺少额外的验证因素，他们依然无法轻易访问你的账户。例如，登录 GitHub 时，即使密码被泄露，攻击者若没有你的手机或安全密钥，仍然无法完成登录。

毕竟，密码泄露已经成为网络攻击中最常见的手段，而 MFA 则为用户的账户增加了第二道甚至第三道锁。

2.2 2FA

2FA 是MFA 的一种特殊形式，它仅使用两种不同的验证因素来完成认证。简单来说，2FA 是 MFA 的一个子集。

例如：

  • 登录时输入密码（第一个验证因素：你知道的东西）。
  • 然后输入手机上的动态验证码（第二个验证因素：你拥有的东西）。

值得注意的是，两种不同的验证因素是类别的不同，像以前有一种策略是需要提供密码和安全问题答案，这是单因素身份验证，因为这两者都与「你知道的东西」这个因素有关。

在大多数应用中，2FA 已经足够满足安全需求，因此它是目前最常见的多因子认证实现方式。

3. 为什么 MFA 如此重要？

1. 密码不再安全

随着技术的进步，密码破解的门槛越来越低。攻击者可以通过以下方式轻松破解密码：

  • 暴力破解：通过快速尝试各种可能的密码组合。
  • 数据泄露：黑客通过暗网购买被泄露的用户名和密码。
  • 钓鱼攻击：通过伪装成合法网站诱骗用户输入密码。

在这种背景下，仅靠密码保护账户变得极为不可靠。MFA 通过引入多层保护，从根本上提升了安全性。

2. 提高攻击成本

MFA 的最大优势在于，它大幅提高了攻击者的攻击成本。例如，攻击者即便成功窃取了用户密码，也需要物理接触用户的手机或破解生物特征才能完成登录。这种额外的复杂性往往会使攻击者放弃目标。

3. 应对多样化的威胁

MFA 可以有效抵御多种网络威胁，包括：

  • 凭证填充攻击：即使用泄露的密码尝试登录多个账户。
  • 中间人攻击：即便密码在传输中被窃取，攻击者仍需第二个验证因素。
  • 恶意软件：即使恶意软件记录了用户输入的密码，也无法破解动态验证码。

4. MFA/2FA 的工作过程和形式

4.1 MFA 验证的形式

MFA 形式多样，主要有如下的一些形式：

  1. 基于短信的验证：用户在输入密码后，会收到一条包含验证码的短信。虽然方便，但短信验证并非绝对安全，因为短信可能被拦截或通过 SIM 卡交换攻击（SIM Swapping）被窃取。
  2. 基于 TOTP（时间同步一次性密码）的验证：像 Google Authenticator 这样的应用程序可以生成基于时间的动态密码。这种方式更安全，因为动态密码仅在短时间内有效，且无需网络传输。
  3. 硬件令牌：硬件令牌是专门生成动态密码的物理设备。例如银行常用的 USB 令牌，用户需要插入电脑才能完成验证。
  4. 生物特征验证：指纹、面部识别和视网膜扫描是最常见的生物特征验证方式。这种验证方式非常直观，但存在用户数据隐私的争议。
  5. 基于位置的验证：通过 GPS 或 IP 地址限制用户只能在特定位置登录。
  6. 基于行为的验证：通过分析用户的打字节奏、鼠标移动轨迹等行为特征来确认身份。

4.2 2FA 如何工作？

双因素身份验证的核心理念是：即使攻击者获得了用户的密码，他仍然需要通过第二道验证关卡才能访问账户。以下是 2FA 的典型工作流程：

  1. 第一道验证：用户输入用户名和密码：用户通过密码证明「知道的内容」，这是第一道验证因素。
  2. 第二道验证：动态代码或生物特征识别：系统会向用户发送一个一次性验证码（如短信、电子邮件或 Google Authenticator 生成的代码），或者要求用户提供指纹或面部识别。这是「拥有的东西」或「自身的特征」的验证。
  3. 验证成功，授予访问：如果两道验证都通过，用户即可成功登录。

如当你登录阿里云时，输入密码后需要打开阿里云的 APP，输入 MFA 的验证码。

5. MFA 的局限性

尽管 MFA 极大地提高了账户安全性，但它并非万能。有如下的一些局限性：

  1. 用户体验问题：对于技术不熟练的用户来说，设置和使用 MFA 应用程序门槛比较高。此外，每次登录需要额外的验证步骤，也可能降低用户体验。

  2. 成本问题：企业需要支付额外的费用来实施 MFA。例如短信验证需要支付短信发送费用，而硬件令牌的采购和分发也需要额外开支。

  3. 并非百分百安全：MFA 虽然有效，但并非无懈可击。例如：

    • 短信验证可能被攻击者通过 SIM 卡交换攻击破解。
    • 恶意软件可能会窃取动态密码。
    • 高级攻击者甚至可能通过社会工程学手段获取验证码。

在了解了概念后，我们看一下我们常用的一个 MFA 验证应用 Google Authenticator 的实现原理。

6. Google Authenticator 的实现原理

在使用 Google Authenticator 进行 2FA 的过程中，验证的过程可以分为以下两个主要阶段：初始化阶段 和验证阶段。

6.1 初始化阶段：共享密钥生成与分发

这是用户首次启用双因素身份验证时发生的过程。在此阶段，服务端生成共享密钥（Secret Key）并通过安全的方式分发给用户的 Google Authenticator 应用。

  1. 服务端生成共享密钥：

    • 服务端为用户生成一个随机的共享密钥K（通常是 16~32 个字符的 Base32 编码字符串，例如JBSWY3DPEHPK3PXP）。
    • 该密钥会作为后续动态密码生成的核心，必须对外保密。

  2. 生成二维码：

    • Example: 服务提供方的名称。
    • username@example.com: 用户的账户。在 github 的场景中这个字段是没有的。
    • SECRET=JBSWY3DPEHPK3PXP: 共享密钥。
    • issuer=Example: 服务提供方名称（用于显示在 Google Authenticator 中）。

    • 服务端将共享密钥和其他元信息（如站点名称、用户账户）打包成一个 URL，符合otpauth:// 协议格式，例如：

      otpauth://totp/Example:username@example.com?secret=JBSWY3DPEHPK3PXP&issuer=Example

      其中：

    • 该 URL 会被编码为一个二维码，供用户扫描。

  3. 用户扫描二维码：

    • 用户使用 Google Authenticator 应用扫描二维码，应用会解析出共享密钥（K）以及站点相关信息，并将其安全存储在手机本地。
    • 共享密钥在手机端不会传回服务端，所有计算均在本地完成。

  4. 初始化完成：

    • 用户的 Google Authenticator 应用现在可以基于共享密钥K 和当前时间生成动态密码。
    • 服务端同时将该共享密钥K 绑定到用户账户，并妥善保存以便后续验证使用。

6.2 验证阶段：动态密码的生成与验证

这是用户登录时的验证过程。在此阶段，客户端和服务端基于相同的共享密钥K 和时间步长计算动态密码，并进行验证。

6.2.1 客户端生成动态密码

  1. 获取当前时间：

    • Google Authenticator 应用从设备的系统时间中获取当前的 Unix 时间戳（以秒为单位）。

  2. 将时间戳转换为时间步长：

    • 将时间戳除以时间步长（通常为 30 秒），并取整：

      T = floor(currentUnixTime / timeStep)

      例如，当前时间是1697031000 秒，时间步长为 30 秒，则：

      T = floor(1697031000 / 30) = 56567700

  3. 计算 HMAC-SHA-1 哈希值：

    • Google Authenticator 将时间步长T 转换为 8 字节的 Big-endian 格式（例如0x00000000056567700）。
    • 使用共享密钥K 和时间步长T 作为输入，计算 HMAC-SHA-1 哈希值：

      HMAC = HMAC-SHA-1(K, T)

      结果是一个 20 字节（160 位）的哈希值。

  4. 截断哈希值：

    • 根据 HMAC 的最后一个字节的低 4 位，确定一个偏移量offset。
    • 从 HMAC 中偏移量开始，提取连续 4 个字节，生成动态二进制码（Dynamic Binary Code，DBC）。
    • 对提取的 4 字节数据按无符号整数格式解释，并将最高位（符号位）置零，确保结果为正整数。

  5. 取模生成动态密码：

    • 对动态二进制码取模10^6，生成 6 位数字密码：

      OTP = DBC % 10^6

      例如，计算结果为123456。

  6. 显示动态密码：

    • Google Authenticator 将生成的 6 位动态密码显示给用户，该密码有效时间为一个时间步长（通常为 30 秒）。

6.2.3 服务端验证动态密码

  1. 服务端获取当前时间：

    • 服务端同样获取当前的 Unix 时间戳，并计算对应的时间步长T。

  2. 计算候选动态密码：

    • 服务端使用用户账户绑定的共享密钥K 和当前时间步长T，通过与客户端相同的 TOTP 算法计算动态密码。
    • 为了容忍客户端和服务端的时间差异，服务端通常会计算当前时间步长T 以及前后几个时间步长（例如T-1 和T+1）的动态密码，形成候选密码列表。

  3. 验证动态密码：

    • 如果匹配成功，则验证通过，用户被允许登录。
    • 如果所有候选密码都不匹配，则验证失败，拒绝用户登录。
    • 服务端将用户提交的动态密码与候选密码列表逐一比对：

6.3 关键数据的传递过程

在整个验证过程中，关键数据的传递和使用如下：

6.3.1初始化阶段

  • 服务端 → 客户端：
    • 共享密钥（K）：通过二维码或手动输入传递给 Google Authenticator。
    • 站点信息：站点名称、账户名等信息也通过二维码传递。

6.3.2验证阶段

  • 客户端：

    • 本地保存的共享密钥K 和当前时间计算动态密码。
    • 用户将动态密码（6 位数字）手动输入到登录页面。

  • 客户端 → 服务端：

    • 用户提交动态密码（6 位数字）和其他常规登录凭据（如用户名、密码）。

  • 服务端：

    • 使用同样的共享密钥K 和时间步长计算候选动态密码。
    • 对比用户提交的动态密码与计算结果，完成验证。

整个过程有如下的一些关键点：

  1. 共享密钥的安全性：

    • 共享密钥K 是整个验证过程的核心，必须在初始化阶段通过安全的方式传递，并在客户端和服务端妥善保存。
    • 密钥不会在验证阶段传输，只有动态密码被提交。

  2. 时间同步：

    • 客户端和服务端的时间必须保持同步，否则计算的时间步长T 会不一致，导致动态密码验证失败。
    • 为了适应设备的时间漂移，服务端通常允许一定的时间步长偏移（如 ±1 步长）。

  3. 动态密码的短生命周期：

    • 动态密码的有效时间通常为一个时间步长（30 秒），即使密码被窃取，也很快失效。

  4. 离线生成：

    • 动态密码的生成完全依赖共享密钥和时间，无需网络连接，增强了安全性。

7. 小结

通过 GitHub 强制推行 MFA 的案例，我们可以清晰地看到，MFA 已经成为现代身份管理的重要基石。密码本身的弱点让账户安全长期处于威胁之下，而 MFA 的引入不仅为用户增加了一层甚至多层防护，更在技术上为身份验证树立了一个全新的标准。

尽管 MFA 并非完美，还存在用户体验、实施成本和一定的攻击风险，但它在密码安全性危机中提供了一种强有力的解决方案。无论是个人用户还是企业，采用 MFA 已经成为抵御网络威胁的必要手段。

未来，随着技术的进一步发展，多因子认证可能会越来越多地融合生物特征、行为分析和人工智能技术，为用户提供更安全且更便捷的身份验证体验。而对于每一位开发者和用户来说，理解和使用这些技术，不仅是保护自身数字资产的关键，更是应对日益复杂的网络安全形势的必修课。

以上。