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密钥管理工具调研

2024/06/04 PUF 共 4612 字，约 14 分钟
闷骚的程序员

密钥管理工具

目前市面上的密钥管理工具有Google密钥管理工具、Microsoft 电子钱包、Passkeys等，都是基于FIDO标准的。

FIDO

FIDO(Fast IDentity Online,线上快速身份验证)是一种在线验证用户身份的技术规范，旨在改变目前的主流在线验证的方式（使用密码作为主要验证手段），消除或减弱用户对密码的依赖。

FIDO协议

FIDO协议分为两大类：UAF和U2F。

  • UAF: Universal Authentication Framework protocol.
    UAF 支持指纹、语音、虹膜、脸部识别等生物身份识别方式。无需用户密码（Passwordless）介入，直接进行验证交易。用户在注册阶段，根据服务器支持的本地验证方式，选择一种验证方式，如：指纹识别，人脸识别，语音识别，等等，服务器也可保留密码验证方式，将密码和生物识别相结合，增强账户安全性。

  • U2F: Universal Second Factor (U2F) protocol. 
    U2F类似国内的二代U盾的保护机制，使用双因子（密码和能与用户交互的设备）保护用户账户和隐私。用户在注册阶段，使用服务器支持的加密设备，将账户和设备绑定。当进行登录验证操作时，服务器在合适的时候，提示用户插入设备并进行按键操作，加密设备对数据签名，发送给服务器，服务器做验证，如果验证成功，用户则可登录成功。由于有了第二因子（加密设备）的保护，用户可以选择不设置密码或者使用一串简单易记的4位密码。

FIDO工作原理

FIDO协议使用标准的非对称公私钥对来提供安全保障。确切的说，FIDO草案中使用的是ECDSA。

  • 当用户登录服务器注册信息时，用户的加密设备产生一对非对称密钥对，私钥在加密设备中保留，黑客无法读取，公钥传给服务器，服务器将此公钥和用户对应的账户相关联。
  • 当用户登录服务器验证信息时，用户使用设备中的私钥对服务器的挑战数据做签名，服务器使用对应的公钥做验证。用户的设备中的私钥，必须经过用户解锁（如按键，按下指纹等），才能被用来做签名操作

U2F协议

  1. U2F注册

    1. 用户在网站上注册，输入用户名和密码，提交给服务器。

    2. 服务器组织注册数据

      Registration Data {
        DOMString Version;//
        DOMString challenge;//
        DOMString app_id;//
        DOMString sessionId;//
}

    3. 浏览器组织注册数据，给U2F设备发送注册指令，注册数据为SHA2(Client Data) + SHA2(app_id)。

      Client Data {           
        DOMString typ;//
        DOMString challenge;//
        DOMString origin;//
        DOMString or JwKey cid_pubkey//
}

    4. U2F设备产生一对密钥对，用私钥对SHA2(Client Data) + SHA2(app_id) 做签名， 返回的数据：公钥+Key Handle+X509证书+签名值。

    5. 浏览器将U2F返回的值，Client Data等信息传给服务器。

    6. 服务器验证证书有效性，使用对应的公钥做验签操作，验签成功，服务器将账户信息和公钥，Key Handle等信息关联在一起,组织签名数据.

      Sign Data {                                               
    DOMString Version;    
    DOMString challenge;
    DOMString app_id;
    DOMString keyHandle;
    DOMString sessionId;
}

  2. U2F登录

    1. 用户输入用户名，点击”登陆”，提交给服务器。

    2. 服务器组织认证数据Sign Data{}。

    3. 组织认证数据，给U2F发送认证指令。主要认证数据为：

      SHA2(Client Data) + SHA2(app_id)+Key Handle

    4. U2F设备验证Key Handle是否存在设备中，Key Handle和 application id 是否匹配。如果验证成功，通过Key Handle对应的私钥对指定数据做签名，对应密钥对的引用计数器加一，返回值中数据包括引用计数和签名值。

    5. 浏览器将U2F返回的值，Client Data等信息传给服务器。

    6. 服务器验证引用计数，判断设备是否被克隆，验证Client Data数据合法性，组织签名数据，使用对应的公钥做验签操作，验签成功，服务器将账户的引用计数更新为最新的引用计数。服务器允许用户登录

U2F设备要求

  1. 私钥保护：U2F的设备允许是一个低廉的设备，但必须能保证密钥的安全。Key Handle可以不是U2F设备上一个私钥的索引，相反，Key Handle可以用来存储私钥和服务器相关信息，这些信息可以被加密保存到一个Key Handle中。（例如使用AES加密私钥和服务器信息）。

  2. 可验证真伪：服务器需要一种方式，来确定用户使用的设别是服务器所授权和允许使用的，这里使用的证书体系。

  3. 防止设备克隆：U2F协议中，使用了计数器。在用户注册完设备后，服务器会初始化计数器（从0开始），设备内部，对应的密钥对也有一个计数器。用户每验证一次，设备内计数器加一，此计数会传给服务器，服务器比对服务器上的计数器和设备的计数器，如果服务器的计数器小于等于设备的计数器，属于正常操作，服务器验证成功后，将计数器更新为设备当前的计数器。如果服务器的计数器大于设备的计数器，说明U2F设备已被克隆。例如，用户注册完一次后，并登陆，服务器的计数器更新为1，U2F设备也为1.下次用户再次登陆，服务器和设备都跟新为2. 如果U2F设备被克隆，其它人使用该设备登陆，服务器计数器会随着恶意使用者的登陆，计数器会递增。假设，恶意用户登陆了两次，服务器的技术则为4。当真正的用户登陆时，它的计数器加1，变为3，传给服务器。服务器发现它的计数比服务器上的小，服务器就会给用户发出警告信息，警告用户设备已被克隆。但这种技术有个滞后的弊端，如果用户不再登陆，或者很长时间都没有登陆，用户是无法发现被克隆的。即便是很快发现了，估计也为时已晚，黑客不可能等你发现了再去窃取你的隐私。

使用流程

当用户需要使用U2F做验证操作时，服务器产生挑战数据，使用U2F设备做签名，此时服务器将Key Handle和服务器信息通过浏览器传给U2F设备，U2F设备使用Key Handle，寻找对应的密钥对，如果密钥对存在，检验密钥对应的服务器信息是否和传入的服务器信息匹配，如果不匹配，说明服务器是伪造或者不正确的。如果正确，U2F设备等待用户按键确认，用户按键后，U2F设备对挑战数据做签名，签名值返回给服务器，服务器验证签名值，如果签名正确，说明此公钥对应的唯一私钥是正确的，表面用户拥有合法U2F设备，如果签名不正确，说明此用户正在伪造身份登录。可见，U2F验证身份是双向的，U2F验证服务器的真伪，服务器验证U2F的真假。

WebAuthn

WebAuthn 标准是 FIDO 联盟指导下的 FIDO2 项目的核心组成部分。在 WebAuthn 标准下，网站和应用程序能够调用用户设备上的身份认证器，直接使用指纹识别、面部识别、虹膜识别、声音识别等方式对用户身份进行验证。由于这些用户信息都是保存在用户设备本地的，不会发送到应用或网站后台上。

注册流程

  • user：准备进行注册或登录的用户。

  • client：网页或者应用

  • server：实现WebAuth标准的服务提供方，网页或应用的后端。

  • Authenticator：指纹识别、面部识别等用户设备上的身份认证模块，负责对用户的身份进行验证。

0.client请求注册，将请求数据发送给server。

  1. server生成challenge以及其他必要信息，返回给client。

  2. client收到消息后，将challenge、server信息、user信息发送给Authenticator，并提示用户进行验证。

  3. Authenticator验证用户身份，验证成功后生成一对公钥-私钥，存储私钥、用户信息以及请求登录的域名。之后，Authenticator使用私钥对challenge进行签名。

  4. Authenticator将签名、公钥、加密算法、加密数据等数据发送给client。

  5. client将Authenticator的数据发送给server。

  6. server使用公钥验证签名，如果challenge一致的话，存储公钥及用户信息，完整注册。

登录流程

0.client向server发送登录请求。

  1. server生成challenge以及其他必要信息，返回给client。

  2. client将challenge、server信息及user信息发送给Authenticator。

  3. Authenticator根据user信息和server信息查找之前存储的私钥，用私钥对challenge进行签名，返回给client。

  4. client将签名后的数据发送给server。

  5. server接收到数据后，使用存储的公钥进行解密，解密出来的challenge一致的话，则验证通过。

特点

对用户来说，真正做到了无密码。

基于FIDO标准的应用

Google密钥管理工具

Google密码管理器的主要功能之一是安全的存储密码，用户可以直接在Google账户中保存登录凭据，无需记住多个用户名和密码。

功能

  • 提供自动填充的功能，可以减少手动输入的时间。

  • 包含密码生成功能，可以为不用的网站和平台创建强大的、独特的密码。

  • 提供安全检查功能，可帮助用户识别弱密码或受损密码。

查看密码

使用了Windows提供的API，只要登录了自己的windows账号，就可以查看密码。

安全性

由于Windows账户密码是一个常量，并不是只有Chrome才能读取“主密码”，其他外部工具也能获取加密数据，同样也可以解密加密数据。用ChromePass工具就可以读取密码。

根据软件的提示，找到了Google存储密码的文件Login Data。打开后发现为密文数据，加密密钥为windows账号密码。

换了个windows账号，设置了不同的登录密码。再用ChromePass工具读取密码时，发现读不到了。

所以，Google的密钥管理工具并不安全。

Microsoft 电子钱包

与Google相同。

Passkey

苹果在2022年的WWDC大会上宣布了在iOS设备上可以使用一种名叫Passkey的无密码登录，苹果把它翻译成“通行密钥”，并随后又在macOS上支持它。谷歌和微软随后也宣布在Android和Windows系统上支持通行密钥。

Passkey与前面的密钥管理工具一样，都是贯彻无密码的体系，Google和Microsoft的密码管理工具在使用上，只是帮助填充密码，省去了输入密码的步骤，所以我认为并不能认为是无密码，而是少密码。而Passkeys是基于WebAuthn标准的。

Passkey原理

Passkey的核心技术就是使用非对称密钥，通过签名完成认证的。

在使用Passkey登录时，网站存储了用户的公钥，而私钥存储在本地设备。通过给服务器发送私钥签名，服务器验证签名无误，即登录成功。

Passkey使用过程

拿谷歌来举例。

从上图能够看到，谷歌可以选择两种登录方式，一种传统的密码，一种是passkey。

  1. 首先需要先注册一个passkey。

  1. 与windows账号相关联后，passkey就创建完成了。

  2. 有了passkey，可以直接使用passkey进行登录，在验证windows账号后，成功登录google账号。

华为密码保险箱

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