用户身份认证

传统的静态密码安全性之低，使其不能用在一些对安全要求很高的领域。

目前主流的身份认证方式有几种，OTP(One Time Password)方式的身份认证，基于PKI的身份认证以及基于生物特征的认证等。

OTP

OTP一般采用OATH标准的TOTP或HOTP算法。算法基于使用HMAC(hash message authentication code)的摘要算法，两端共享密钥，添加动态因子，防止重放攻击。

HTOP的算法为
HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))

K为共享密钥，C为计数器。HTOP用于计数同步型的口令牌。

TOTP算法则基于时间动态因子，服务器和口令牌在相同的时间窗口内基于共享密钥分别进行计算，在允许的时间窗口内计算结果一致即为认证成功。对服务器和令牌的时钟要求比较高。TOTP用于时间型口令牌。

OTP有这么几种常见的方式：

• 口令矩阵卡
  这是成本很低，也比较简陋的OTP认证方式。每次认证使用不同坐标组合的口令，简单有效。但是很容易被复制而无法觉察，现在已经很少使用。
• 动态口令牌
  非接触式，采用独立硬件的动态口令牌。共享密钥当面分发，口令牌的密钥内置其硬件中，密钥设计为无法从外部读取，口令牌本身无法拆解，暴力拆解会无法使用，通过这些方式来加强其口令牌的安全性。动态口令牌的安全性依赖于其密钥的安全性，一般采用位数较长的密钥。

由于采用非接触式使用方式，可以完全杜绝PC恶意程序的攻击。还可以采用PIN(Personal Identification Number)码对令牌进一步加强保护。

但是动态口令卡无法防止中间人攻击(man in the middle)，这可以通过使用SSL/HTTPS来防止中间人攻击。这种情况下，如果有人伪造证书，浏览器是会有警告的。还有一种迷惑性很强的欺骗方式，注册一个与真实站点域名十分相近的域名，然后申请真正的数字证书，网站做的与真实站点一模一样。如果被诱导到此种网站，后果就严重了，再强大的加密算法都于事无补。

• 手机动态口令
  由于独立硬件的令牌成本比较高，而手机的普及率又很高，因此又出现了手机动态口令这种认证方式。其实手机正好符合非接触式，独立硬件的条件，只不过不是专用的硬件而已。手机动态口令不受网络信号的影响，手机端与服务器认证端也是独立同步运算的。

手机动态口令的密钥分发要保证安全，因为是软件实现方式，与手机其他软件一起运行，因此有可能会受手机恶意软件的影响，如果在手机端直接使用动态口令进行认证登录，还是存在一些风险。PC登录与手机动态口令分开的话会比较安全。

• 短信随机密码
  这种方式依赖于移动网络，每次需要身份认证时，会发一个随机密码到绑定的手机上。这种方式也有弱点，比如有人伪造机主身份证件恶意补卡，GSM短信被截获等。手机动态口令使用短信绑定时，也有短信被劫持的风险存在。

PKI认证方式

PKI的基本原理为基于大数因数分解的难度，生成一对密钥，公钥(public key)和私钥(private key)。使用公钥加密的信息，只能使用私钥来解密，反之亦然。

公钥可以公开发布，而私钥必须要小心的保管，以防泄漏。但是公钥发布时也存在一个问题，如何保证公钥就是发布者宣称的那个人的公钥，所以就有了数字证书。

CA(Certificate Authority)是大家都认可的机构，CA的公钥是周知的，一般浏览器里都带有很多CA的根证书，里面就有CA的公钥。

用户申请数字证书时，CA会验证用户的身份，并将用户的身份信息与其公钥绑定在一起进行数字签名，这就是用户的数字证书。有了数字证书后，用户可以用其进行数字签名，保证数据的完整性和不可抵赖。这是一个信任链，如果CA私钥泄漏，则整个信任链就垮塌了。

公钥的认证也可以采用公认的公钥服务器的形式，比如GPG使用的方式。

数字签名的流程为,将要发送的信息计算摘要并使用私钥加密，然后与正文信息一起发送。接收者受到信息后，用相同的算法计算正文的摘要，然后使用签名者的公钥解密作者发送过来的加密后的摘要，如果二者一致则证明信息是完整的，没有被篡改的，也是不能抵赖的。

数字证书就是CA将用户的公钥和验证过的身份信息使用CA的私钥进行数字签名而来的，可以使用CA根证书中的公钥来验证数字证书的真伪。

然后用户又可以拿自己的数字证书来进行数字签名，这是一个完整的链条。而CA的数字证书是拿自己的私钥自签的，所以CA并不神秘，但是浏览器内置了其自签的数字证书，并称之为CA根证书。

HTTPS服务器也是使用数字证书来表名自己的身份，其数字证书会绑定域名和所有者及其组织的相关信息。也可以在HTTPS协议上使用双向认证。

常见的PKI身份认证方式:
其实无论是数字证书还是USB KEY，都是使用非对称加密PKI(公钥和私钥对)来进行用户认证，只是密钥的保存方式有些区别而已。

• CA数字证书
  早期需要高级别安全的领域，使用数字证书来认证，比如网上银行。银行为用户颁发个人数字证书，个人持有私钥和公钥，银行持有个人的公钥。登录认证时，银行会发送一个challenge随机码，又叫挑战或冲击，客户使用自己的私钥加密收到的challenge,然后发送到银行服务端，银行服务器使用客户的公钥解密客户发回的加密信息，又叫应答或响应，如果解密后的结果与银行发给客户的挑战码一致，则可以说明是正确的用户。
  如果客户持有银行的公钥，这个认证过程也可以是双向的，让客户端也确认是连接到正确的银行网站。

但是因为木马病毒等恶意程序横行，客户的私钥很容易被窃取，因此这种方式逐渐被淘汰了，现在应该没有人用了。

• USB KEY
  这种方式直接将用户私钥存储在key的受保护数据区，私钥是不可读取的，所有的加密都在key内部进行，电脑端无法看到加密的过程，只能输入需要加密的数据和接收加密后的数据，因此安全性大大提高。服务器端发来的挑战随机码被送入key内部，key加密完成后将结果送到PC端，然后传输给服务器。一般USB KEY会有pin码保护，只有用户输入正确的pin码才可以使用,而且多次输入错误的密码，key会被锁定。
  虽然木马等恶意程序已经无法再获取到用户的私钥，但是如果用户将key插到电脑上，而且已经输入了正确的pin码，离开时忘记将key拔出，则木马等恶意程序仍然可以通过用户的电脑获得非法的身份认证。所以有些USB KEY设计了物理实体按键，每次认证需要按KEY上的物理键确认操作才可以，木马等恶意程序也就无能为力了。

总体来讲，基于PKI非对称密钥的认证方式是更安全的。动态口令牌采用共享密钥同步计算的方式来认证。不过挑战/应答型的动态口令牌也可以采用PKI认证方式，这种口令牌会有一个输入键盘，客户端电脑上显示服务器端发来的挑战随机码，用户将挑战码输入口令牌，口令牌使用内部的私钥计算出加密后的应答码，然后用户将应答码通过PC返回给服务端。这种口令牌也可以用于数字签名。如果口令牌内存放服务端的公钥，也可以进行双向认证。

采用PKI认证方式加pin码保护的挑战/应答型动态口令牌是十分安全的，只是使用起来可能有些繁琐。

References:
[1]身份验证的 2 步验证

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[erq]