一次性密碼 (OTP) 是如何運作的？

隨著互聯網的發展，我們使用各種線上服務來滿足幾乎所有的需求。使用這些服務的第一步通常是註冊和登入。儘管自從無法連接網際網路的獨立桌面電腦時代過去已有三十多年，使用者 ID 和密碼驗證依然廣泛使用。

過去，我們可能只需記住電郵帳號的密碼，但現在我們經常使用數十、甚至數百個線上服務，而且不能為所有這些服務使用相同的密碼（如果一個帳號的密碼被洩露，所有使用相同密碼的帳號都會面臨風險）。因此，無密碼登入正在變得越來越流行，並逐漸成為主流方法。

有許多不同的無密碼認證方法，包括但不限於社交登入、電子郵件/電話 + 驗證碼、與動態密碼的認證應用程式。後兩種方法可以歸類為一次性密碼 (OTPs)。

什麼是一次性密碼 (OTP)？#

一次性密碼是一段自動生成的字符序列，只對單次登入會話或短時間內有效。因為一次性密碼只能使用一次，所以可以防止憑證洩露的風險，例如密碼丟失或被盜。

理論上，一次性密碼可以是某個長度的隨機字符字符串，包括大寫和小寫字母，甚至特殊符號。但為了提升用戶體驗，大多數服務在使用一次性密碼時使用純數字。

電子郵件 / 電話 + 驗證碼#

許多網站要求你通過向你註冊的電子郵件或電話號碼發送驗證碼（或通行碼）來驗證你的身份。

想像一下，傑克和喬在玩一個猜數字的遊戲，傑克想了一個 0 到 999 之間的數字，並給喬三次機會在一分鐘內猜出數字。除了知道數字的範圍，喬沒有其他資訊。

我們都知道，喬在一分鐘內只能通過三次嘗試幾乎不可能正確猜出數字。

電子郵件 / 電話 + 驗證碼的工作原理是相同的：驗證碼通常只在極短時間內有效，通常不超過 10 分鐘（類似於傑克給喬 "一分鐘" 來猜數字）。此外，用於驗證驗證碼的 API 或方法通常設有速率限制以防止暴力破解通行碼（像傑克只給喬 "三次機會"）。

對潛在攻擊者來說，幾乎不可能破解這種方法。然而，系統通過可信賴的渠道（電子郵件或電話）告訴使用者驗證碼，使使用者能夠直接驗證。

動態碼#

動態碼，也稱為基於時間的一次性密碼 (TOTP)，因為它會隨時間的變化而改變而被稱為 "動態"。通常，如果一個 web 應用程式使用 TOTP，就會遵循 RFC6238 - TOTP: 基於時間的一次性密碼算法。

基於散列的一次性密碼#

在介紹 TOTP 前，我們需要簡單解釋 RFC4226 - HOTP: 基於 HMAC 的一次性密碼算法（HMAC 是一種 散列算法）。HOTP 算法的工作原理如下：

1. 秘密：HOTP 需要一個共享的密鑰 K，伺服器和客戶端是相同的。

2. 計數器：HOTP 的核心是一個計數器 C，每次生成一個新密碼時都會遞增。

3. HMAC 計算：

   • 使用 HMAC-SHA-1（或其他哈希函數）來計算認證碼：

     

   • 這裡，H 是一個 160 位的哈希值。

4. 截斷：提取哈希值 H 的一部分以生成 OTP。假設我們需要一個 6 位的 OTP，流程如下：

   • 提取 H 的最後一個字節作為截斷偏移量 O。
   • 從 O 開始提取 4 個字節並將它們轉換為一個整數 T。
   • 取 T 的最後 d 位數字，即 OTP = T 模 10^d。

綜上所述，HOTP 公式為：

其中 d 是所需的 OTP 長度（通常為 6-8 位數字）。

基於時間的一次性密碼#

TOTP 是 HOTP 的一種擴展，在這裡計數器被時間步長替代。它使用當前時間生成動態驗證碼，因此 OTP 會隨時間自動過期。其工作原理如下：

1. 時間步長：TOTP 使用當前時間 T 替代 HOTP 計數器 C。時間步長是一個固定的時間間隔（通常為 30 秒）。

   • 例如，假設時間步長為 30 秒，而當前 Unix 時間戳為 T。TOTP 計數器計算為：T' = T / time_step
   • 其中 T' 是時間步長計數器，單位為 30 秒。

2. 生成 OTP：將 T' 替入 HOTP 算法以生成 OTP：

   

3. 動態更新：因為 TOTP 基於時間步長，所以 OTP 隨時間改變，只要 OTP 在有效時間窗口內，伺服器就可以驗證其有效性。

總結來說，TOTP 公式為：

根據我們使用認證應用程式的經驗，我們可以通過掃描 QR 碼或直接複製粘貼來同步設備和伺服器之間的秘密值，然後需要輸入當前動態碼一次以確保秘密值相同。

在移動設備早期的使用過程中，我們可能會發現不同設備上的時間不一致，並需要定期手動調整設備時間。近年來，幾乎所有設備都使用網路時間服務 (NTP) 來定期同步更新設備時間。即使設備的時鐘不完全準確，頻繁的更新也能確保不同設備上的時間基本一致。基於這個假設，即使設備離線，動態碼仍然可以使用，而在離線狀態下接收驗證碼會比較困難。

結尾#

在這篇文章中，我們介紹了兩種不同的一次性密碼方法：電子郵件/電話 + 驗證碼和動態碼。

電子郵件/電話 + 驗證碼依賴於通信基礎設施和第三方電子郵件或短訊服務 (SMS) 實施；動態碼不依賴外部服務和通信設施，並且可以在離線環境中使用。

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