Как работают одноразовые пароли

в 16:22, , рубрики: hmac, otp, sha-1, двухэтапная аутентификация, информационная безопасность, криптография, одноразовые пароли, хэш-функция, метки: , , , , ,

Как работают одноразовые пароли

Вступление

Как показывает практика, существует определенное непонимание принципов работы одноразовых паролей (это те самые, которые используются в GMail, в спец. токенах платежных систем и так далее).

Прочитав эту небольшую статью, Вы разберетесь в принципе работы одноразовых паролей на основе хэшей, а заодно напишете на Python небольшую программу, которая умеет вычислять пароли для двухэтапной аутентификации Google.

Хэш-функция

Хэш-функция позволяет взять любые данные любой длины и построить по ним короткий «цифровой отпечаток пальца». Длина значения хэш-функции не зависит от длины исходного текста; например, в случае популярного алгоритма SHA-1 длина этого отпечатка составляет 160 бит.

Чтобы понять, почему значение всегда имеет одинаковую длину и не зависит от исходного текста, можно упрощенно представить хэш-функцию в виде кодового замка с колесиками. Вначале мы выставляем все колесики в «ноль», затем идем по тексту и для каждой буквы прокручиваем колесики в соответствии с некоторыми правилами. То число, которое окажется на замке в конце, и есть значение хэш-функции. Примерами таких функций являются MD5, SHA-1, ГОСТ_Р_34.11-94.

Не придумывайте свои хэш-функции, используйте стандартные реализации (например, в случае Python):

import hashlib
print hashlib.sha1("Hello, Bob!").hexdigest()

Результат: 88192e3e2e83243887410897efd90287b8e453a7

Идея хэш-функции в том, что она работает только в одном направлении: ее очень легко подсчитать для «Войны и мира», но практически невозможно по уже готовому значению хэш-функции найти документ, который даст такое же значение. Даже если изменить в документе всего одну букву, хэш изменится полностью:

import hashlib
print hashlib.sha1("Hello, Bob?").hexdigest()

Результат: cbad4b0e05703acf2e8572be7438830fe7f8ddf5

В связи с этим возникает естественное желание использовать хэш-функцию для контроля целостности сообщений, которые Алиса посылает Бобу: Алиса подсчитывает для каждого своего сообщения значение SHA-1 и вкладывает его в конверт; Боб, самостоятельно подсчитав SHA-1 текста, может сравнить свой результат с Алисиным и удостовериться, что сообщение не было изменено где-то по дороге.

Однако мы забыли о Меллори, который находится где-то между Алисой и Бобом, перехватывает их переписку и вскрывает конверты! Он вполне может изменить сообщение, после чего подсчитать для него SHA-1 и приложить к письму; Боб сверит значения и ничего не заметит.

Проверка подлинности

Подумав, Алиса и Боб при встрече договариваются, что при подсчете SHA-1 они будут временно дописывать к тексту секретное слово, например, «Secret» (конечно, в реальности Алиса и Боб решили использовать куда более длинное слово, чтобы его было сложно подобрать). Меллори не знает это слово, а следовательно, даже если изменит сообщение, то не сможет скорректировать его электронную подпись.

Пример:

import hashlib
print hashlib.sha1("Secret" + "Hello, Bob").hexdigest()

Результат: 99beeff3ef1971d2cb1be129f986739f6bcba8cc

К сожалению, тут есть проблемы. Да, Меллори не может изменить тело сообщения, но (раз он знает хэш от текущего текста) он всегда может дописать в конце «P.S. На самом деле все это чушь, нам пора расстаться, Боб» и просто досчитать хэш от остатка (вспомним аналогию с кодовым замком).

Чтобы защититься от этого, мы немного усложним нашу функцию:

print hashlib.sha1("Secret" + hashlib.sha1("Hello, Bob").hexdigest()).hexdigest()

Результат: 3f51e9fc540676bc3ce54367fd3e467f3299c743

Теперь дописывание чего-либо в конец сообщения полностью изменит исходные данные для «внешнего» вызова SHA-1 и Меллори остается вне игры.

Алиса и Боб только что придумали то, что называется HMAC (или hash-based message authentication code): основанный на хэш-функции код проверки подлинности сообщений. В реальности HMAC, принятый как стандарт RFC2104 выглядит чуть-чуть сложнее за счет выравнивания длины ключа и пары XOR'ов внутри, но суть не меняется.

Не придумывайте свои реализации HMAC, используйте стандартные реализации, например, HMAC-SHA1:

import hmac
import hashlib
print hmac.new(key="Secret", msg="Hello, Bob", digestmod=hashlib.sha1).hexdigest()

Одноразовые пароли

Что такое "одноразовый пароль"? Это пароль, который бесполезно перехватывать с помощью кейлоггера, подглядывания через плечо или прослушивания телефонной линии — т.к. этот пароль используется ровно один раз.

Как можно было бы реализовать эту схему? Например, Алиса может сгененировать сотню случайных паролей и отдать копию Бобу. Когда Боб позвонит в следующий раз, он продиктует самый верхний пароль в списке, Алиса сверит его со своим, после чего оба вычеркнут его. При следующем звонке они используют очередной пароль и так далее, пока они не закончатся. Это не очень удобно: хранение списков, генерация новых паролей и так далее.

Лучше реализовать эту схему в виде алгоритма. Например, паролем является его номер по порядку, умноженный на секретное число. Пусть Алиса и Боб договорились, что секретным числом является 42; тогда первым паролем будет 42, вторым 84, третьим 106 и так далее. Меллори, не знающий алгоритма и секретного числа, никогда не догадается, какой пароль будет следующим!

Конечно, алгоритм лучше выбрать посложнее. Алиса вспоминает про HMAC и предлагает Бобу считать пароль номер N по формуле: HMAC(«Secret», номер-пароля). После этого им нужно договориться о ключе (в данном случае это «Secret»), зато потом Бобу нужно только помнить, какой по счету пароль он генерирует (например, двадцатый):

import hmac
import hashlib
print hmac.new(key="Secret", msg="20", digestmod=hashlib.sha1).hexdigest()

Результат: 393e9efaae1a687bc2dcc257c8e9e2a61f26fe4b

Впрочем, Бобу совсем не улыбается каждый раз диктовать такой длинный пароль. Они с Алисой договариваются, что будут использовать только его часть, например, последние 6 символов.

Некоторое время все идет хорошо. До момента, пока Бобу и Алисе не надоедает вести подсчет, какой по счету пароль они используют. Кто-то подсказывает им, что в качестве аргумента HMAC() вместо номера можно использовать все, к чему Алиса и Боб имеют одновременный доступ… например, текущее время!

Наши герои синхронизируют свои часы и договариваются, что будут в качестве аргумента HMAC() использовать unix time — количество секунд, прошедших с момента наступления эпохи UNIX (в UTC). Чтобы вводить пароль не торопясь, они решают разделить время на 30 секундные «окна»; таким образом, на протяжении 30 секунд действует один и тот же пароль. Естественно, Алиса, проверяющая пароли, в течение 30 секунд не позволяет использовать пароль повторно (просто запоминая его) и тем самым оставляет его по-настоящему «одноразовым».

Теперь пароль вычисляется по следующей формуле: HMAC(«Secret», unix_timestamp / 30).

Мы получили одноразовые пароли на основе текущего времени. Сгенерировать и проверить эти пароли может только тот, кто обладает ключом («Secret» в примере выше); иначе говоря, сервер и пользователь.

Следует отметить, что одноразовые пароли могут считаться и по другим алгоритмам; главное, чтобы алгоритм и секрет были известны обеим сторонам. Но т.к. у нас есть стандарт, дальше мы будем говорить именно о нем

OATH, TOTP, HOTP, RFC… WTF?

Итак, мы только что описали основные идеи, лежащие в основе:

1) HMAC, hash-based message authentication code: RFC2104
2) HOTP, hash-based one-time password: RFC4226
3) TOTP, time-based one-time password: RFC6238

Эти идеи — один из краеугольных камней инициативы Initiative For Open Authentication (OATH), направленной на стандартизацию методов аутентификации.

Двухэтапная аутентификация Google

Одноразовые пароли, основанные на времени (и подсчитываемые на основе алгоритма TOTP RFC 6238) используются также компанией Google в приложении Google Authenticator, которое можно установить на iOS, Android, BlackBerry. Это приложение автоматически генерирует одноразовые пароли раз в 30 секунд (в дополнение к основному паролю на Google Account). Это означает, что даже если Ваш основной пароль кто-то подглядит или перехватит, без очередного одноразового пароля в систему войти будет невозможно. Удобно.

ВНИМАНИЕ: Я НЕ НЕСУ НИКАКОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТИ ЗА ВАШИ ДЕЙСТВИЯ С ВКЛЮЧЕНИЕМ И ВЫКЛЮЧЕНИЕМ ДВУХЭТАПНОЙ АУТЕНТИФИКАЦИИ GOOGLE; ВЫ СОГЛАСНЫ, ЧТО ВЫ ВЫПОЛНЯЕТЕ ИХ НА СВОЙ СТРАХ И РИСК.

На самом деле там нет ничего страшного (есть инструкции, есть trusted-компьютеры, есть резервные коды и т.д.), но если от души постараться, бездумно нажимая на кнопки, то вполне можно лишиться доступа к своему аккаунту. И все же: если не готовы экспериментировать, не трогайте Gmail; просто скачайте приложение Google Authenticator на телефон, вручную добавьте «ключ по времени» (например, «a abc def abc def abc» или просто отсканируйте QR-код ниже).

Для начала нам нужно получить секретный ключ, который используется для создания одноразового пароля. Его можно посмотреть на странице добавления Google Authenticator'а в настройках аккаунта, он находится под QR-кодом:

Как работают одноразовые пароли

Обратите внимание, что если двухэтапная аутентификация уже включена, то старый ключ узнать нельзя: придется удалить старый и сгенерировать новый. Это несложно; главное, не забыть сразу обновить ключ и в Google Authenticator, если Вы им пользуетесь.

Ключ закодирован в Base32 (для удобства уберите пробелы и переведите буквы в верхний регистр).

Программа, которая подсчитывает текущий одноразовый пароль:

import time
import hmac
import hashlib
import base64

### TOTP-key (get it from Google)
secret = base64.b32decode("AABCDEFABCDEFABC")

### Calc counter from UNIX time (see RFC6238) 
counter = long(time.time() / 30)

### Use counter as 8 byte array
bytes=bytearray()
for i in reversed(range(0, 8)):
  bytes.insert(0, counter & 0xff)
  counter >>= 8

### Calculate HMAC-SHA1(secret, counter)
hs = bytearray(hmac.new(secret, bytes, hashlib.sha1).digest())

### Truncate result (see RFC4226)
n = hs[-1] & 0xF
result = (hs[n] << 24 | hs[n+1] << 16 | hs[n+2] << 8 | hs[n+3]) & 0x7fffffff

### Print last 6 digits
print str(result)[-6:]

Теперь можно положить рядом запущенный Google Authenticator и сравнить значения.

Выводы

  1. Одноразовые пароли — это несложно.
  2. Стандарты — это хорошо.
  3. При желании их можно встроить и в свое приложение (используйте готовые библиотеки).

Автор: vk2

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля