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两因素身份认证是如何工作的

从技术上讲，两(或多)因素身份认证是一个安全过程，用户必须提供两个或更多安全因素来让自己得到认证。也就是说，用户需要提供除密码以外的另一个标识符，例如：一次性密码、硬件令牌、生物特征(如：指纹)等。

该安全过程涉及到如下步骤：

• 用户输入电子邮件(用户名)和密码。
• 除了第一凭据，用户还要提交由认证应用生成的一次性代码。
• 应用程序在对电子邮件(用户名)和密码进行身份认证的同时，也使用在注册过程中颁发的用户密钥来认证一次性代码

由此可见，与使用短信传递口令代码相比，使用诸如Google Authenticator、Microsoft Authenticator、以及FreeOTP等身份认证应用，既能够避免SIM卡遭受攻击又能够无需蜂窝网络或互联网连接，进行正常认证。

应用示例

下面，我们将逐步构建一个使用两因素身份认证技术的简单REST API。该API要求用户提供电子邮件密码对，和由应用生成的短代码。该应用会用到JDK 11、Maven、以及用于存储用户个人信息的MongoDB。其项目组织结构如下图所示：

在此，我不会遍历地介绍每一个组成部分，而只会专注于AuthService、TokenManager和TotpManager。这些部分主要负责身份的认证流程。它们分别提供了以下功能：

AuthService –该组件主要用于存储、认证和授权所有的业务逻辑，其中包括：注册、登录和令牌认证。

TokenManager–该组件通过抽象代码，以生成和认证JWT令牌。它能够使得主要业务逻辑的实现与具体的JWT库相互独立。

TotpManager–作为另一种抽象，它能够将实现与基本逻辑相隔离。TotpManager既可被用于生成用户的密钥，又可以断言(assert，可以立即为验证)给出的短代码。

由于在此仅关注认证组件，因此我们将从用户的创建过程(注册)开始，同时涉及到密钥的生成和令牌的颁发。接着，我们将进入登录流程，涉及一个由用户提供的短代码的断言。

实现注册流程

下面，我们将完成一个注册的过程，其中涉及以下步骤：

• 从客户端获取注册请求。
• 检查该用户是否存在。
• 对密码进行哈希。
• 生成一个密钥。
• 将用户存储到数据库中。
• 颁发JWT。
• 返回带有用户ID、私钥和令牌的响应。

我将主要的业务逻辑(AuthServiceImpl)与令牌的生成，以及密钥的产生分离开来。

一般步骤

主要组件AuthServiceImpl会接受SignupRequest，并返回SignupResponse。在后台，它负责整个注册的逻辑。下面是具体的实现代码：

Java

1. @Override 2. public Mono<SignupResponse> signup(SignupRequest request) { 3. // generating a new user entity params 4. // step 1 5. String email = request.getEmail().trim().toLowerCase(); 6. String password = request.getPassword(); 7. String salt = BCrypt.gensalt(); 8. String hash = BCrypt.hashpw(password, salt); 9. String secret = totpManager.generateSecret(); 10. User user = new User(null, email, hash, salt, secret); 11. // preparing a Mono 12. Mono<SignupResponse> response = repository.findByEmail(email) 13. .defaultIfEmpty(user) // step 2 14. .flatMap(result -> { 15. // assert, that user does not exist 16. // step 3 17. if (result.getUserId() == null) { 18. // step 4 19. return repository.save(result).flatMap(result2 -> { 20. // prepare token 21. // step 5 22. String userId = result2.getUserId(); 23. String token = tokenManager.issueToken(userId); 24. SignupResponse signupResponse = new SignupResponse(); 25. signupResponse.setUserId(userId); 26. signupResponse.setSecretKey(secret); 27. signupResponse.setToken(token); 28. signupResponse.setSuccess(true); 29. 30. return Mono.just(signupResponse); 31. }); 32. } else { 33. // step 6 34. // scenario - user already exists 35. SignupResponse signupResponse = new SignupResponse(); 36. signupResponse.setSuccess(false); 37. 38. return Mono.just(signupResponse); 39. } 40. }); 41. return response;

下面，让我们逐步解读上述实现的过程。在逻辑判读中：如果当前用户是新用户，我们将对其进行注册;如果该用户已经存在于数据库之中，那么我们就必须拒绝该请求。具体步骤为：

• 我们根据请求数据创建一个新的用户实体，并生成一个相应的密钥。
• 如果该用户过去不存在，则将给出的新实体作为其默认实体。
• 检查存储库的调用结果。
• 将用户保存在数据库中，并获取其userId。
• 颁发JWT。
• 如果用户已经存在，则返回一个拒绝响应。

相比以漏洞和安全问题而闻名的SHA函数，我在此选用jBcrypt库，来产生各种安全的哈希和salt(盐)。

生成密钥

接下来，我们需要实现一个用来生成新的密钥的函数。它是由TotpManager.generateSecret()内部抽象而来。下面是它的代码：

Java：

1. @Override 2. public String generateSecret() { 3. SecretGenerator generator = new DefaultSecretGenerator(); 4. return generator.generate(); 5. }

测试

实现了注册逻辑之后，我们需要测试它是否能够按预期进行认证。首先，让我们调用signup端点以创建一个新的用户。其结果对象应当包含我们需要添加到应用生成器(如：Google Authenticator)的userId、令牌和密钥：

不过，我们应当禁止同一封电子邮件两次进行注册。在此，我们通过断言，以保证应用在创建新用户之前，去检查现有的电子邮件列表：

登录

下面，我们来讨论登录流程。该流程包括两个主要部分：认证电子邮件的密码凭据，以及认证由用户提供的一次性代码。和上一节一样，我们首先介绍登录所涉及的步骤：

• 从客户端获取登录请求。
• 在数据库中找到该用户。
• 使用请求中提供的密码进行断言。
• 断言一次性代码。
• 返回带有令牌的登录响应。

而JWT的生成过程与注册的过程比较类似。

一般步骤

作为该示例的功能重点，AuthServiceImpl.login将实现主要的业务逻辑。首先，我们需要通过在数据库中请求电子邮件，来查找用户;否则，我们需要提供带有空字段的默认值。也就是说，让user.getUserId() == null，以表示该用户并不存在，登录流程随即终止。

接着，我们需要断言密码的匹配。当我们将密码的哈希值存储在数据库中时，就需要使用存储的salt对请求中的密码进行哈希处理，进而断言这两个值。

如果密码匹配，我们需要使用之前存储的密钥值来认证提交的代码。认证成功与否的结果，将在产生JWT和创建LoginResponse对象后得出。以下便是此部分的最终源代码：

Java

1. @Override 2. public Mono<LoginResponse> login(LoginRequest request) { 3. String email = request.getEmail().trim().toLowerCase(); 4. String password = request.getPassword(); 5. String code = request.getCode(); 6. Mono<LoginResponse> response = repository.findByEmail(email) 7. // step 1 8. .defaultIfEmpty(new User()) 9. .flatMap(user -> { 10. // step 2 11. if (user.getUserId() == null) { 12. // no user 13. LoginResponse loginResponse = new LoginResponse(); 14. loginResponse.setSuccess(false); 15. 16. return Mono.just(loginResponse); 17. } else { 18. // step 3 19. // user exists 20. String salt = user.getSalt(); 21. String secret = user.getSecretKey(); 22. boolean passwordMatch = BCrypt.hashpw(password, salt).equalsIgnoreCase(user.getHash()); 23. if (passwordMatch) { 24. // step 4 25. // password matched 26. boolean codeMatched = totpManager.validateCode(code, secret); 27. if (codeMatched) { 28. // step 5 29. String token = tokenManager.issueToken(user.getUserId()); 30. LoginResponse loginResponse = new LoginResponse(); 31. loginResponse.setSuccess(true); 32. loginResponse.setToken(token); 33. loginResponse.setUserId(user.getUserId()); 34. 35. return Mono.just(loginResponse); 36. } else { 37. LoginResponse loginResponse = new LoginResponse(); 38. loginResponse.setSuccess(false); 39. return Mono.just(loginResponse); 40. } 41. } else { 42. LoginResponse loginResponse = new LoginResponse(); 43. loginResponse.setSuccess(false); 44. 45. return Mono.just(loginResponse); 46. } 47. } 48. }); 49. return response; 50. }

可见，后台的逻辑步骤为：

• 提供具有空字段的默认用户实体。
• 检查该用户是否确实存在。
• 从请求和salt处生成密码的哈希，并存储在数据库中。
• 断言密钥是否能够确实匹配。
• 认证一次性代码，并颁发JWT。

断言一次性代码

为了认证由应用生成的一次性代码，我们必须向TOTP库提供相应的代码和密钥，并将它们保存为用户实体的一部分。具体代码如下：

Java

1. @Override 2. public boolean validateCode(String code, String secret) { 3. TimeProvider timeProvider = new SystemTimeProvider(); 4. CodeGenerator codeGenerator = new DefaultCodeGenerator(); 5. CodeVerifier verifier = new DefaultCodeVerifier(codeGenerator, timeProvider); 6. return verifier.isValidCode(secret, code); 7. }

测试

最后，我们可以通过测试，以认证登录的过程是否如期运行。我们将由Google Authenticator生成的代码作为登录请求的负载，去调用login端点。

如下图所示，为了检查出密码错误的情况，我们需要将进程终止在密码断言阶段：

至此，我们已经创建了一个简单的REST API，它可以通过Spring Webflux的TOTP来提供两因素身份认证。如前文所述，为了更专注于身份认证的逻辑，我们省略了所有的其他部分。

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