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。