[C++] Google Authenticator 算法实现

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class GoogleAuthenticator {
public:
    GoogleAuthenticator() {}
    // 生成随机密钥
    std::string GenerateSecret();
    // 设置密钥
    void SetSecret(const std::string& s, bool bNeedEndcode=true);
    // 获取密钥
    std::string GetSecret() const { return m_secret; }
    // 生成验证码
    std::string GenerateCodeForTimeSlice(long timeSlice);
    // 验证验证码（discrepancy 允许误差步长个数）
    bool ValidateCode(const std::string &inputCode, int discrepancy=1, long curTimeSlice=0);
    // 生成二维码 URL
    std::string GetQRCodeURL(const std::string& account, const std::string &title,
        int width = 200, int height = 200, const std::string &level = "M") const;
};

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// 生成验证码
std::string GoogleAuthenticator::GenerateCodeForTimeSlice(long timeSlice) {
    // 30 秒为一个时间步，kTimePeriod 是定义的时间段常量（通常为30秒）
    // 将传入的时间戳除以时间段，得到当前时间步
    long timestamp = timeSlice / kTimePeriod; 

    // 为 Base32 编码的密钥添加填充
    // 将原始密钥进行 Base32 填充，以便进行解码
    auto paddedSecret = AddBase32Padding(m_secret); 

    std::string key;
    // 创建一个字符串以存储解码后的密钥
    // 将填充后的 Base32 密钥解码成字节
    Base32Decode(paddedSecret, key); 

    // 确保计数器以大端序处理
    // 创建一个 8 字节的缓冲区以存储计数器
    unsigned char buf[8];
    // 将时间步编码为大端序的字节流
    EncodeCounterBigEndian(timestamp, buf);

    // 使用 HMAC-SHA1 生成哈希值
    // 使用解码后的密钥和编码的时间戳生成 HMAC-SHA1 哈希
    auto hmacResult = HmacSha1(key, std::string((char*)buf, 8));

    // 动态截断算法 (Dynamic Truncation)
    // 从 HMAC 结果的最后一个字节获取偏移量（最后一个字节的低 4 位）

    // 计算偏移量以确定截取位置
    int offset = hmacResult[hmacResult.size() - 1] & 0x0F;
    // 将 HMAC 中的 4 字节转换为二进制数字
    int binary = ((hmacResult[offset] & 0x7F) << 24) | // 取出偏移量位置的字节并左移
                 ((hmacResult[offset + 1] & 0xFF) << 16) | // 取下一个字节
                 ((hmacResult[offset + 2] & 0xFF) << 8) |  // 取下一个字节
                 (hmacResult[offset + 3] & 0xFF); // 取下一个字节

    // 生成 6 位 OTP
    // 使用取模运算生成 6 位的验证码（范围为 0 到 999999）
    int code = binary % 1000000;

    // 返回填充为 6 位的字符串
    // 创建一个字符串流用于格式化输出
    std::ostringstream oss;
    // 将验证码格式化为 6 位，不足的用 0 填充
    oss << std::setw(6) << std::setfill('0') << code;
    // 返回生成的验证码字符串
    return oss.str();
}

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// 校验验证码是否正确
bool GoogleAuthenticator::ValidateCode(const std::string &inputCode,
    int discrepancy, long curTimeSlice) {
    if (inputCode.length() != 6) {
        return false;
    }

    if (curTimeSlice == 0) {
        curTimeSlice = time(nullptr);
    }

    // 遍历时间漂移范围内的时间片 (-discrepancy 到 +discrepancy)
    for (int i = -discrepancy; i <= discrepancy; ++i) {
        // 使用带有时间片偏移量的时间戳生成验证码
        long timeSlice = curTimeSlice + i * kTimePeriod;
        auto generatedCode = GenerateCodeForTimeSlice(timeSlice);

        // 如果生成的验证码与输入验证码匹配，返回 true
        if (generatedCode == inputCode) {
            return true;
        }
    }

    // 如果在漂移范围内没有找到匹配的验证码，返回 false
    return false;
}

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// g++ -std=c++17 -o t main.cpp GoogleAuthenticator.cpp -lssl -lcrypto && ./t
int main() {
    GoogleAuthenticator ga;

    // 生成随机密钥
    auto secret = ga.GenerateSecret();
    // 设置固定密钥
    // auto secret = "5TE7J7TN4LJGMWPXCXD5CFAKDJJPQT3L";
    ga.SetSecret(secret);
    std::cout << "Old Secret: " << secret << std::endl
              << "New Secret: " << ga.GetSecret() << std::endl;

    // 生成二维码 URL
    auto title = "example";
    auto account = "test";
    auto qrCodeURL = ga.GetQRCodeURL(account, title);

    std::cout << "Title: " << title << std::endl;
    std::cout << "Account: " << account << std::endl;
    std::cout << "QR code url: " << qrCodeURL << std::endl;

    // 生成验证码
    auto code = ga.GenerateCodeForTimeSlice(time(nullptr));
    std::cout << GetNowTime() << ", Current code: " << code << std::endl;

    // 校验验证码
    bool isValid = ga.ValidateCode(code);
    std::cout << (isValid ? "Check code ok!" : "Check code fail!") << std::endl;
    
    int i = 0;
    while (++i <= 30) {
        code = ga.GenerateCodeForTimeSlice(time(nullptr));
        std::cout << GetNowTime() << ", Current code: " << code << std::endl;
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    }

    // 校验验证码（测试时间误差）
    std::cout << "Input code to check:" << std::endl;
    std::cin >> code;
    isValid = ga.ValidateCode(code);
    std::cout << GetNowTime() << ", "
              << (isValid ? "Check code ok!" : "Check code fail!")
              << std::endl;
    return 0;
}