只要十分鐘，帶你看懂 TOTP 2FA 的密碼學原理
身為一個工程師，為了提高安全性，應該都會幫自己還有公司的帳號啟用 2FA（Two-Factor Authentication），不然帳號被盜是真的會出大事。
像去年就有一個案例是，npm 上有一個超熱門的 package 叫 UAParser.js 用來解析 User Agent 是什麼瀏覽器，每個禮拜的下載次數都接近一千萬。但去年作者的帳號被盜了之後，駭客在 npm 上發佈了好幾個含有挖礦程式的版本，造成不小的轟動，還好很快就發現了並且把那些版本撤銷掉。
所以說密碼真的要保管好，而且重要的服務像 Github、Google、Facebook 的帳號最好都上 2FA，才不會 Facebook 被盜，連帶用 Facebook 登入的 Instagram、蝦皮也被盜，那處理起來就真的很麻煩
Two-Factor Authentication
今天的主題是 2FA（Two-Factor Authentication）。這邊簡單介紹一下 ，一般來說我們都是使用帳號密碼來驗證身份，而 2FA 就是建立除了帳號密碼之外的第二個關卡。就算帳密不小心外洩了，也不至於馬上被盜用（但還是要定期改密碼啦XD）。而 2FA 又可以分成硬體跟軟體兩種形式
硬體型 2FA
像在 App Store 上買 App 時需要指紋辨識，或是前陣子很紅的 YubiKey，只有把那隻隨身碟帶在身上才能通過驗證，都算是硬體型的 2FA。
軟體型 2FA
而今天要講的 OTP（One-Time Password） 就是軟體型的 2FA。像大部分銀行在 App 轉帳時都會要求你輸入「簡訊驗證碼」、或是當你要從新電腦登入 Google 時，也會需要到手機上打開 Gmail 看驗證碼，這些都算是。
因為這些驗證碼每次都不一樣，所以我們把它稱為 One-Time 也就是一次性的 Password，每次都不一樣自然安全性也比較高。
所以像這樣用手機收簡訊驗證碼有什麼不好嗎？
雖然簡訊驗證碼每次都是隨機的，但其實簡訊在傳輸的過程中非常不安全。撇開簡訊不談，就算驗證碼是用 App、電子郵件來傳輸，只要每次你登入時，服務提供者試圖把驗證碼「傳」給你，那就有遭竊的可能。
ㄜ⋯⋯如果我登入時對方不把驗證碼「傳」給我，那我要怎麽拿到驗證碼？
雖然聽起來很神奇，但確實是可以靠密碼學做到的哦，那就是今天要介紹的主角 TOTP
Time-based One Time Password
TOTP 的全名是 Time-based One Time Password，看名字就知道他也是 OTP 的一種，只不過是藉由目前的時間來生出 OTP，因此天生就具有隨機性。因為直接看公式太硬了，這邊我用 Github 2FA 的例子來講解他的運作原理
如果你的 Github 還沒啟用 2FA 的話，可以跟著官方文件先設定好，等等看下面的講解才知道每個步驟在做什麼哦～
Step 1 — Server 生成帶有 secret key 的 QRCode
通常要啟用 TOTP 2FA 的第一步，都會讓你掃一個大大的 QRCode，而這個 QRCode 中就帶有 server 想要傳給你的 secret key
如果把上圖的 QRCode decode 出來會得到 otpauth://totp/GitHub:LarryLuTW?secret=X5CTBOMEYE3TXIIS 這一串鬼東西，意思是這串 URI 是由 Github 發行的，而後面的 secret=X5CTBOMEYE3TXIIS 就是 Github 想要傳給你的 secret key
因此當你用手機上的 Authentication App 去掃描時（我是用 Authy，還有很多其他 App 可以選），App 就會把這串 secret 存起來，以後就用這個 secret 生成 TOTP
Step 2 — 驗證兩邊生成相同的 TOTP
有了這串 secret 之後 App 要怎麼生出下面六碼 OTP 呢？答案就是把 secret 跟 現在時間 拿去做雜湊，然後取最後的六碼作為 OTP
如果不知道雜湊是什麼，可以先去看看我另外一篇「一次搞懂密碼學中的三兄弟」，再回來讀會比較順哦
譬如說我現在時間換算成 UNIX timestamp 是 1654994758（也就是從 1970 年 1 月 1 號，已經過了這麼多秒），然後 secret 是 X5CTBOMEYE3TXIIS
因為 App 希望每 30 秒產生出不同的 OTP，所以他會把 timestamp/30 的整數部分跟 X5CTBOMEYE3TXIIS 這兩個東西丟進去 HMAC 做雜湊，雜湊的結果轉成十進位取最後六碼，就可以得到這 30 秒的 OTP 是 017201 了～
而 30 秒後因為 timestamp/30 的結果又不一樣了，所以又會生出完全不同的 OTP（只要輸入值稍有不同，hash 的結果就會完全不一樣）
有了這六位數 OTP 後，你就在三十秒內到網站輸入 017201（三十秒後又是不同的 OTP）。如果 Github 那邊剛好也算出跟你一模一樣的結果，那他就知道你已經拿到正確 secret key。從此之後你跟 Github 就算是約定好 secret 了，Github 也會把這 secret 存在他們自家的資料庫裡面，
Step 3 — 登入時驗證 TOTP
設定好 2FA 後，以後你要登入時，Github 就會請你輸入 App 生出來的 OTP
因為雙方已經溝通好 secret 是 X5CTBOMEYE3TXIIS 了，這時你用不著收簡訊，甚至可以不需要網路，只要把 App 打開它就會幫你算出新的 OTP
而 Github 收到你輸入的 OTP 後，如果他那邊也算出一樣的結果，那就代表你是本人。如此一來，就實現了「每次登入時 Github 不用傳驗證碼給你，但你卻可以知道驗證碼」
安全性分析
總歸來說，使用 TOTP 來進行 2FA 的第一步就是藉由 QRCode 讓 Server 跟 Client（也就是 App）約定好一個 secret，之後就都用那個 secret 跟當下時間來進行 Hash。我們就按這個流程來評估每個步驟的安全性
secret 的傳輸安全嗎？
一開始要設定 TOTP 2FA 時 Github 會生出一個 QRCode 讓你掃，其中就帶有他想要給你的 secret key。如果這個 secret 在傳輸的過程中一不小心被駭客偷走，那他日後就可以用這個 secret 生出登入所需的 OTP
因此在設定 TOTP 時一定要記得檢查網站是否有 HTTPS 或是憑證過期的問題，或是看看有沒有人在你背後偷掃你的 QRCode。如果都沒有，那恭喜你！世界上應該只有你跟 Github 知道這組 secret，因此非常的安全
放 secret 的地方安全嗎？
App 收到 secret key 幫你存起來後，接下來要考慮的就是 App 安全嗎？譬如說他會不會偷偷把你的 secret 拿去賣錢，或是他有沒有支援雲端備份的功能，一不小心就會外洩出去。
像我自己用的 Authy 就有支援雲端備份，但我是不怕 secret 不見，也不太擔心手機突然爆掉，所以就沒有啟用。大家可以根據自己的情況去評估看看
OTP 會不會被猜到
如果駭客拿不到 secret，那他能不能暴力破解猜到六位數的 OTP 呢？這邊簡單試算一下：因為 OTP 有六位數所以有 一百萬 種可能性，而且每 30 秒就換一個。如果你想要在 30 秒內猜出來，那每秒就需要進行超過 三萬 次登入
但實際上只要連續失敗個幾次，Github 就會暫時把你擋下來（其他網站也是），而你下次要試的時候驗證碼又不一樣了，所以完全不可能暴力破解
因此總的來說，除非你的 secret key 一開始就被偷走，不然使用 TOTP 來做 2FA 絕對是足夠安全的
總結
好久沒有寫密碼學相關的東西了。這次介紹的 TOTP 2FA 除了原理簡單、安全性高之外，我個人覺得最方便的就是 TOTP 是在我手機上產生的、打開 App 就能看到，所以終於不會再收不到簡訊了XDD
尤其我之前住在台北市的邊陲地帶，簡訊要重送個兩三次才會送到，有時候甚至會一次來兩則，害我一不小心又輸入錯，拜託我只是想登入而已啊！！是有這麼困難嗎？
至於要用哪個 App，我個人是覺得 Authy 不錯，不過大家也可以看看 The Best 2FA Apps 2022 評估一下，選一款最適合自己的～
