MFA
什么是MFA，他是Multi-Factor Authentication的缩写，中文翻译为多因素认证。所谓的认证，就是证明你是你！在网络世界里，通常通过密码来证明自己的身份。而密码就是其中一种因素，MFA要求用户同时使用多个因素来验证身份，如密码、短信验证码、人脸识别等，来提高安全性。
每增加一个因素，就如同增加了一把锁，安全性自然会提高，同时也会带来很多的麻烦。比如开发运营成本会增加，更重要的是用户体验也会变差。因此需要做个权衡，并非越多因素越好，正因为如此，我们经常会听到2FA，也就是双因素认证，普遍认为两个因素能在安全性和用户体验上都获得比较好的效果。我们经常碰到的MFA实现是密码+OTP。尤其是在一些企业里面，许多关键系统除了需要密码外，还需要额外输入一个令牌（token），那个令牌就是OTP。
OTP
那么什么是OTP，OTP（One Time Password）即一次性密码，也是一种认证方式。它通过一个算法生成一个动态的密码，用户只需要在登录时输入这个密码即可完成认证。
顾名思义，这种密码是一次性的，用过后就无效了，也就不用再担心泄露了。因此他是比较有效的防止重放攻击的手段。OTP的另一个特点是时效性，即使没有使用，过了一定的时间也会自动失效，或者30秒或者5分钟后就会失效，从而可以防止暴力破解。
一次性密码确实挺好，但是有个问题，这个密码一直在变，认证双方如何同步呢？最简单的一个方法是认证方告诉被认证方当前的密码，那怎么样告诉被认证方呢？我们可以通过其他渠道通知被认证方，比如短信、邮件、电话等，这就是我们经常碰到的短信验证码，邮件验证码，电话验证码等。
而短信、邮件、电话有可能被劫持，导致密码泄露，那既然这么说了，肯定有更好的办法了。
HOTP和TOTP
这就是HOTP和TOTP。HOTP和TOTP都是一次性密码的实现方式。这两种方式跟前面提到的短信验证码，邮件验证码的区别在于，这两种方式提供了一个机制，使得认证方和被认证方不需要每次都要通知对方。接下来我们看看，这两种机制是如何实现不需要通知对方，还能保持同步的。
HOTP是HMAC-based One Time Password，基于HMAC的一次性密码，也有些地方说是基于计数的一次性密码，其实都没错。生成公式是：
HOTP = HMAC-SHA1(K, C)[截断]
这里有两个关键要素用于生成HOTP一次性密码，第一个是密钥K，这是认证双方事先约定好的，需要安全保管，一旦泄露，由其生成的一次性密码也就泄露了；第二个是计数C，这是为什么HOTP也叫基于计数的一次性密码，通过递增计数来生成跟上次不一样的密码。然后利用哈希函数SHA-1，将K和C进行运算，得到一个20位的二进制数，最后通过截断算法，将这个20位的二进制数截取为6位，即为HOTP的密码。关于截断算法，如果大家有兴趣，我们可以另外出一个视频来介绍。
认证的过程中，双方都持有密钥K，并从计数0开始，各自生成一个6位密码，如果一致则认证通过，否则认证失败。
所以聪明的各位应该已经意识到，这里的关键是如何保证认证双方的计数C是同步的。因为如果计数不同步，双方各自生成的密码就会不同，从而导致认证失败。
在实际应用中，计数C不同步的情况非常常见，所以认证方往往会依次验证C、C+1、C+2、C+3、C+4对应的密码，只要有一个密码正确，则认证通过。这一定程度上降低了认证失败的概率，但并没有完全解决这个问题。
由此，引出了TOTP（Time-based One Time Password），我们知道正常情况下我们的时钟是始终保持同步的，那么基于时钟的计数自然也是始终保持同步的。
我们继续使用HOTP的公式，不同的是计数C来自于时间，当前时间减去一个起始时间，这个起始时间就是我们设定的，一般我们设定为0，也就是从1970年1月1日0时0分0秒开始。
C = (当前时间 - T0) / 时间窗
这样只要我们的设备获取到正确的时间，就可以计算出正确的密码。从而解决了认证双方计数不同步的问题。公式中的时间窗默认是30秒，也就是每30秒生成一个新的密码。当然认证双方也可以约定其他的时间窗，比如60秒、90秒等。
这里也有个特殊情形，就是被认证方生成的密码是基于上一个时间窗，但是认证方收到密码，开始验证已经是下个时间窗，为了能很好的处理这种场景，认证方往往会同时结算上个时间窗的密码，只要有一个匹配上了，就认为成功。
应用示例
我们经常碰到的MFA，通常是TOTP，比如GitHub、Google、Facebook等。初次设置MFA的时候，网站会提供一个二维码，我们通过手机App微软的Authenticator或者Google Authenticator扫描二维码，然后手机App会生成一个动态密码，这个动态密码可用于跟网站做认证，从而实现MFA。
而这个二维码包含了用于生成TOTP的关键要素，密钥K，时间窗大小，以及一次性密码的长度，默认长度为6位。
实现
在Python中，我们可以使用Python库pyotp来生成一次性密码。以下是一个简单的示例：
1 | import pyotp |