Одноразовый пароль на основе времени: объяснение TOTP

Пользователям Интернета регулярно приходится вводить пароли — например, при входе в социальные сети, при совершении покупок в Интернете или при использовании интернет-банкинга. Пароли предотвращают доступ третьих лиц к конфиденциальным данным. Однако многие пользователи недостаточно тщательно следят за безопасностью в Интернете: профессионалы могут взломать простые пароли за считанные секунды. Другие люди создают хорошие пароли, но не хранят их надежно, оставляя тем самым дверь открытой для преступников. Кроме того, слабые места в сервисах, на которые подписаны пользователи, также не являются мелочью. Если такие сервисы не обеспечивают надлежащую защиту паролей, данные тысяч пользователей могут оказаться под угрозой.

Одним из способов минимизации риска является использование двухфакторной или многофакторной аутентификации. Вместо использования только пароля требуется еще как минимум одно средство аутентификации. Пользователи данной технологии получают этот дополнительный фактор аутентификации через смартфон или специальное аппаратное устройство (так называемый «токен»). Общим моментом между большинством этих дополнительных факторов является то, что они уникальны и действуют только в течение короткого времени — другими словами, генерируется одноразовый пароль, основанный на времени. Давайте рассмотрим, как это работает.

Обычные пароли — какими бы сложными пользователь их ни делал — имеют недостаток: если кто-то другой знает строку символов, безопасность уже не гарантирована. Одним из решений является регулярная смена паролей, но даже самые образцовые пользователи не делают этого каждый час. Решением является TOTP: пароль, который действителен только в течение короткого времени, после чего срок его действия истекает. Рабочая группа по разработке Интернета (IETF) опубликовала алгоритм одноразового пароля в 2011 году в RFC 6238 для повышения безопасности в Интернете.

Одноразовые пароли в основном используются как часть многофакторной аутентификации — системы безопасности, которая требует от пользователей, входящих в веб-сервис, сначала ввести свой личный статический пароль, а затем ограниченный по времени пароль, сгенерированный специально для этого входа. Второй пароль пользователь получает через приложение или специальный аппаратный маркер.

После использования одноразового пароля или если он не был использован по истечении определенного времени, срок его действия истекает. Поэтому преступникам очень сложно получить второй фактор, так как даже если они знают статический пароль, им очень сложно получить и TOTP, тем более что у них практически нет времени на его взлом.

В основе TOTP лежит хэш-функция — криптографическая процедура, при которой секретный ключ и метка времени объединяются в зашифрованную символьную строку. И пользователь, и сервер знают секретный ключ. Временная метка указывается в Unix-времени.

TOTP фактически является дальнейшим развитием HOTP, что расшифровывается как одноразовый пароль на основе HMAC. Как и HOTP, TOTP основан на процедуре HMAC — операции хэширования в фоновом режиме. И устройство пользователя, и сервер генерируют хэш-значение, комбинируя секретный ключ со счетчиком. Эти два значения идентичны, так работает аутентификация.

Сама хэш-функция не определена; на практике часто используется SHA-1 (в том числе, например, в Google Authenticator). SHA-1 генерирует 160-битное хэш-значение. Для удобства это значение усекается с помощью функции сжатия. В итоге получается короткое число (например, шесть цифр), которое пользователь может легко использовать для входа в веб-службу.

Для второй части функции HOTP использует счетчик, который совместно используется сервером и пользователем. Проблема заключается в том, что сгенерированный код остается действительным до тех пор, пока его не используют. TOTP ограничивает это: сгенерированный код может быть использован только в течение определенного периода времени. Как это работает?

Для алгоритма одноразового пароля, основанного на времени, есть три важные формулы:

TOTP = HOTP(SecretKey,CurrentTime).

Эта основная формула просто определяет, что TOTP — это процедура HOTP с двумя параметрами — SecretKey и CurrentTime:

• SecretKey: Случайно сгенерированный пароль, известный как серверу, так и клиенту.
• CurrentTime: текущее время в Unix.

Однако это значение времени меняется каждую секунду, что не оставляет пользователю достаточно времени для ввода сгенерированного кода. Другими словами, через секунду TOTP уже недействителен, поскольку сервер уже сгенерировал новое хэш-значение. Поэтому требуется дополнительная формула:

CurrentTime = floor((unixtime(now) — unixtime(T0))/T1).

Параметр CurrentTime определяется следующим образом:

• unixtime(now): Текущее время в Unix-времени
• unixtime(T0): Время Unix в T0, точке, от которой отсчитываются шаги времени — в большинстве случаев полночь 1 января 1970 года (=0).
• T1: Период, в течение которого будет действовать TOTP (обычно 30 секунд).
• floor: Функция округления для округления вычисленного значения до целого числа.

Эффект деления и округления заключается в том, что результат меняется через определенные промежутки времени.

Далее сгенерированное хэш-значение усекается, чтобы сделать его более удобным для пользователя.

Результат = TOTPmod10^d

Операция модуло генерирует контрольную сумму:

• mod 10: Модуло с делителем = 10
• d: Желаемое количество цифр TOTP

Другими словами, основание (10) увеличивается до желаемого количества цифр, затем TOTP делится на это значение и извлекается остаток.

Предположим, что мы хотим сгенерировать TOTP, действительный в течение 30 секунд. Мы можем начать с вычисления CurrentTime и определить, на какое время будет гарантирована действительность. Для значения unixtime(now) возьмем 1548322860, то есть 10:41 утра 24 января 2019 года. Если мы разделим это значение на 30, то получим ровно 51610762. Поскольку это уже целое число, округление даст тот же результат. Однако если мы установим CurrentTime на 15 секунд позже (т.е. 1548322875), то после деления получим 51610762,5. После округления значение, как и раньше, равно 51610762. Таким образом, CurrentTime остается неизменным. Следующая таблица показывает, что новое значение генерируется только каждые 30 секунд.

Таким образом, наше текущее время установлено (51610762). Теперь мы используем генератор паролей для получения SecretKey: >cHSB_UQ#O5m;~b

HMAC (с SHA-1) объединяет секретный ключ и текущее время для получения хэш-значения (в шестнадцатеричном формате): c0 62 37 94 dd 37 7a 3a f0 91 22 08 1f 21 6f 9b 17 4b 17 45. Это 160-битное (20 байт) значение усекается до 31 бита с помощью так называемого динамического усечения. При этом выполняются следующие шаги: Сначала рассматриваются последние 4 бита. В нашем примере это число 0x5, которое также можно записать как 5 в десятичной системе счисления. Это дает значение смещения, которое будет использоваться для динамического усечения, и означает, что, начиная с байта с индексом 5, мы должны извлечь четыре байта (читать слева, начиная с 0): 0x377a3af0. В этом примере наше значение уже начинается с бита, равного 0. Если это не так, то его нужно соответствующим образом изменить. Таким образом, 31-битное значение имеет вид: 0x377a3af0, или 930757360.

Чтобы сократить эту 9-значную строку до 6 цифр, мы используем операцию модуляции, при необходимости дополняя результат ведущими нулями: 930757360 mod (10⁶) = 757360. Теперь это TOTP, который действителен в течение 30 секунд. В сочетании с другим фактором это делает процедуру входа в систему достаточно безопасной.