# 第十章：多因素认证（MFA）

> "密码是安全的最薄弱环节，MFA 是加固它的最有效手段。"

```{mermaid}
mindmap
  root((多因素认证))
    认证三要素
      你知道的
      你拥有的
      你是谁
    密码安全
      bcrypt
      Argon2
      scrypt
    MFA 方式
      TOTP
      FIDO2/WebAuthn
      Passkey
      推送通知
    高级
      自适应认证
      MFA 疲劳攻击
```

## 10.1 认证三要素

多因素认证基于三类不同的认证因素：

| 因素 | 类型 | 示例 | 优点 | 缺点 |
|------|------|------|------|------|
| 你知道的 | 知识因素 | 密码、PIN、安全问题 | 简单、成本低 | 可被猜测、钓鱼、泄露 |
| 你拥有的 | 持有因素 | 手机、硬件密钥、智能卡 | 物理持有难以远程窃取 | 可丢失、被盗 |
| 你是谁 | 生物因素 | 指纹、面部、虹膜 | 难以伪造 | 隐私问题、无法更换 |

**MFA = 使用两种或以上不同类型的因素**

```
单因素认证（不安全）：
用户 ──▶ [密码] ──▶ 通过 ✅

双因素认证（2FA）：
用户 ──▶ [密码] ──▶ [TOTP 验证码] ──▶ 通过 ✅
         知识因素      持有因素

三因素认证：
用户 ──▶ [密码] ──▶ [硬件密钥] ──▶ [指纹] ──▶ 通过 ✅
         知识因素    持有因素      生物因素
```

## 10.2 密码认证的问题

### 常见攻击方式

| 攻击方式 | 描述 | 防御 |
|---------|------|------|
| 暴力破解 | 尝试所有可能的密码组合 | 账户锁定、速率限制 |
| 字典攻击 | 使用常见密码列表 | 密码复杂度要求 |
| 撞库攻击 | 用泄露的密码尝试其他网站 | 密码唯一性教育 |
| 钓鱼攻击 | 伪造登录页面骗取密码 | FIDO2/WebAuthn |
| 彩虹表 | 预计算哈希值反查密码 | 加盐哈希 |
| 键盘记录 | 恶意软件记录键盘输入 | 硬件密钥 |

### 密码存储

**永远不要明文存储密码！** 使用专门的密码哈希函数：

```python
# ❌ 错误：明文存储
password_db["user1"] = "my_password"

# ❌ 错误：普通哈希（太快，容易暴力破解）
import hashlib
password_db["user1"] = hashlib.sha256(b"my_password").hexdigest()

# ✅ 正确：使用 Argon2（现代首选）
from argon2 import PasswordHasher

ph = PasswordHasher(
    time_cost=3,        # 迭代次数
    memory_cost=65536,  # 内存使用 64MB
    parallelism=4,      # 并行线程数
)

# 存储
hashed = ph.hash("my_password")
# $argon2id$v=19$m=65536,t=3,p=4$...

# 验证
try:
    ph.verify(hashed, "my_password")
    print("密码正确 ✅")
    # 检查是否需要重新哈希（参数升级时）
    if ph.check_needs_rehash(hashed):
        new_hash = ph.hash("my_password")
except Exception:
    print("密码错误 ❌")
```

### 密码哈希函数对比

| 算法 | 年份 | 特点 | 推荐 |
|------|------|------|------|
| MD5/SHA | — | 通用哈希，太快 | ❌ 禁止 |
| bcrypt | 1999 | 经典，CPU 密集 | ✅ 遗留系统 |
| scrypt | 2009 | CPU + 内存密集 | ✅ 可用 |
| Argon2id | 2015 | 竞赛冠军，最安全 | ✅ 首选 |

## 10.3 TOTP — 基于时间的一次性密码

TOTP（Time-based One-Time Password，RFC 6238）是最常用的 MFA 方式：

```
TOTP 工作原理：
┌──────────┐                    ┌──────────┐
│  服务端   │                    │  客户端   │
│          │  1. 共享密钥        │ (手机App) │
│  secret ─┼───────────────────▶│  secret  │
│          │  (注册时，通过二维码) │          │
│          │                    │          │
│  当前时间 │                    │  当前时间 │
│     │    │                    │     │    │
│     ▼    │                    │     ▼    │
│  HMAC-SHA1(secret, time/30)  │  HMAC-SHA1(secret, time/30)
│     │    │                    │     │    │
│     ▼    │                    │     ▼    │
│  6位数字  │  2. 用户输入验证码  │  6位数字  │
│  验证 ◀──┼────────────────────│  显示    │
│          │                    │          │
└──────────┘                    └──────────┘
```

```python
import pyotp
import qrcode

# 1. 生成密钥
secret = pyotp.random_base32()
print(f"密钥: {secret}")

# 2. 生成二维码 URL（用于 Google Authenticator 等）
totp = pyotp.TOTP(secret)
uri = totp.provisioning_uri(
    name="walter@example.com",
    issuer_name="MyApp"
)
print(f"URI: {uri}")

# 生成二维码图片
qr = qrcode.make(uri)
qr.save("totp_qr.png")

# 3. 生成当前验证码
current_code = totp.now()
print(f"当前验证码: {current_code}")

# 4. 验证用户输入的验证码
user_input = "123456"
is_valid = totp.verify(user_input, valid_window=1)  # 允许前后 30 秒
print(f"验证结果: {is_valid}")
```

## 10.4 FIDO2/WebAuthn — 无密码认证

FIDO2 是下一代认证标准，由 W3C WebAuthn 和 FIDO CTAP 组成：

```
FIDO2 架构：
┌─────────────────────────────────────────────┐
│                  FIDO2                       │
├──────────────────┬──────────────────────────┤
│    WebAuthn      │        CTAP              │
│  (浏览器 API)    │  (客户端到认证器协议)      │
│  W3C 标准        │  FIDO Alliance 标准       │
└──────────────────┴──────────────────────────┘
```

### 注册流程

```
┌──────────┐    ┌──────────┐    ┌──────────────┐
│  用户     │    │  浏览器   │    │  服务器       │
│          │    │          │    │ (Relying Party)│
└────┬─────┘    └────┬─────┘    └──────┬───────┘
     │               │                │
     │               │  1. 请求注册    │
     │               │───────────────▶│
     │               │  2. 返回挑战    │
     │               │  (challenge +  │
     │               │   user info)   │
     │               │◀───────────────│
     │  3. 提示用户   │                │
     │  验证身份      │                │
     │◀──────────────│                │
     │  4. 生物识别   │                │
     │  或 PIN       │                │
     │──────────────▶│                │
     │               │  5. 创建密钥对  │
     │               │  发送公钥+签名  │
     │               │───────────────▶│
     │               │  6. 存储公钥    │
     │               │  注册成功 ✅    │
     │               │◀───────────────│
```

### Passkey

Passkey 是 FIDO2 的消费者友好版本：

| 特性 | 传统密码 | TOTP | Passkey |
|------|---------|------|---------|
| 防钓鱼 | ❌ | ❌ | ✅ |
| 防重放 | ❌ | ✅ | ✅ |
| 用户体验 | 差 | 中等 | 优秀 |
| 跨设备 | ✅ | 需同步 | ✅（云同步） |
| 无密码 | ❌ | ❌ | ✅ |

## 10.5 MFA 疲劳攻击与防御

MFA 疲劳攻击（MFA Fatigue / MFA Bombing）：攻击者反复触发 MFA 推送通知，直到用户烦躁地点击"批准"。

```
攻击流程：
1. 攻击者获取用户密码（通过钓鱼或泄露）
2. 反复尝试登录，触发 MFA 推送
3. 用户收到大量推送通知
4. 用户疲劳，误点"批准" → 攻击成功

防御措施：
┌─────────────────────────────────────────┐
│  ✅ 使用号码匹配（Number Matching）      │
│     用户必须输入屏幕上显示的数字          │
│  ✅ 限制推送频率                         │
│  ✅ 显示登录上下文（IP、位置、设备）      │
│  ✅ 使用 FIDO2 替代推送通知              │
│  ✅ 异常检测：短时间内多次 MFA 请求告警   │
└─────────────────────────────────────────┘
```

## 10.6 自适应认证

根据风险等级动态调整认证强度：

```python
from dataclasses import dataclass
from enum import Enum

class RiskLevel(Enum):
    LOW = "low"
    MEDIUM = "medium"
    HIGH = "high"
    CRITICAL = "critical"

@dataclass
class LoginContext:
    ip_address: str
    device_id: str
    location: str
    timestamp: float
    user_agent: str

def assess_risk(user_id: str, context: LoginContext) -> RiskLevel:
    """评估登录风险"""
    risk_score = 0.0

    # 检查 IP 是否已知
    if not is_known_ip(user_id, context.ip_address):
        risk_score += 0.3

    # 检查设备是否已知
    if not is_known_device(user_id, context.device_id):
        risk_score += 0.3

    # 检查地理位置异常（不可能旅行）
    if is_impossible_travel(user_id, context.location, context.timestamp):
        risk_score += 0.4

    # 检查是否在异常时间
    if is_unusual_time(user_id, context.timestamp):
        risk_score += 0.1

    if risk_score < 0.2:
        return RiskLevel.LOW
    elif risk_score < 0.5:
        return RiskLevel.MEDIUM
    elif risk_score < 0.8:
        return RiskLevel.HIGH
    else:
        return RiskLevel.CRITICAL

def get_required_auth(risk: RiskLevel) -> list[str]:
    """根据风险等级决定认证要求"""
    requirements = {
        RiskLevel.LOW: ["password"],
        RiskLevel.MEDIUM: ["password", "totp"],
        RiskLevel.HIGH: ["password", "totp", "email_verification"],
        RiskLevel.CRITICAL: ["password", "fido2", "admin_approval"],
    }
    return requirements[risk]
```

## 10.7 小结

- **MFA** 通过组合多种认证因素大幅提升安全性
- **Argon2id** 是密码哈希的现代首选
- **TOTP** 是最普及的 MFA 方式，但无法防钓鱼
- **FIDO2/Passkey** 是无密码认证的未来，天然防钓鱼
- **自适应认证** 根据风险动态调整认证强度，平衡安全与体验
- 警惕 **MFA 疲劳攻击**，使用号码匹配等防御措施