アカウントセキュリティを強化：二要素認証（2FA）の導入とTOTPの仕組みを徹底解説

高額なインターネット料金にうんざりして、「隣人のセキュリティがザルなWi-Fiを勝手に使ってしまいたい」と思ったことはありませんか？それをためらわせていたのが、Honeybadgerの一要素認証フローだったという方に、朗報です。

ついに登場：二要素認証（2FA）

冗談はさておき、私たちはセキュリティを非常に真剣に考えています。ユーザーの皆様とそのデータをより安全に守るための重要なツールをご提供できることを、大変嬉しく思います。

単純に2FAの有効化手順だけを説明してもいいのですが、それでは面白くありません。そこで今回は、暗号技術の世界を軽やかに覗きながら、2FAがどのように動作するのかを一緒に見ていきましょう。

理論は苦手という方は、遠慮なく「有効化の手順」までスキップしてください。傷つきませんので。

⚠️ 注意：ここから少し理論の話

多くの2FA実装は、Time-Based One-Time Password（TOTP：時間ベースのワンタイムパスワード）と呼ばれるアルゴリズムを基盤としています。名前からして長ったらしいですね。

「ワンタイム」って何？

この方式の美しいところは、ログインのたびに同じ「パスワード」を送信する必要がない点です。認証アプリを使うと、一度限りの「パスワード」が生成され、短時間（通常30秒）のみ有効になります。これにより、中間者攻撃（man-in-the-middle attack）の効果は大きく損なわれます。

細部には複雑な部分もありますが、全体的な仕組みは比較的シンプルです。

共有秘密鍵（The Secret）

TOTPについて理解すべき鍵となるポイントは、サーバー（検証者/verifier）と認証アプリ（証明者/prover）が共有秘密鍵を持っている必要があるということです。これこそが本当の「パスワード」ですが、送信されるのは一度きりです（だからこれも「ワンタイム」と言えるかもしれませんね！）。

秘密鍵を受け取る推奨方法はQRコード経由です。スマートフォンでQRコードを読み取ると、秘密鍵は次のような標準URIにエンコードされています：

otpauth://totp/Honeybadger.io:inigo@honeybadger.io?secret=base32-secret-key

平文の秘密鍵を直接表示する代わりにQRコードを使うメリットはいくつかあります：

1. 32文字のコードを手打ちする時間なんて誰が持っているでしょうか？
2. 認証アプリがワンタイムパスワードに便利なラベルを付けてくれます（URI内のメールアドレスと発行者を参照）。複数のサービスで2FAを使っている場合に特に役立ちます。
3. ようやくQRコードを使う良い理由が見つかりました！

otpauthスキームには他にもいくつかのパラメータがあります（ほとんど無視されます）が、詳細は公式ドキュメントで確認できます。

MAC（Message Authentication Code）とは

秘密鍵の共有が完了したら🤝、どこかの時点でワンタイムパスワードの入力を求められます。ここからが本番です。

TOTPは、HMAC-Based One-Time Password（HOTP）という別のアルゴリズムの上に構築されており、HOTP自体はHash-based Message Authentication Code（HMAC）に基づいています。まるで暗号版マトリョーシカのような入れ子構造です。

TOTPとHOTPは、基本的に「どのメッセージをハッシュ化するか」のバリエーション違いです。そしてHMACこそが魔法の正体です。HMACはダイジェストを生成します。これはある値をハッシュアルゴリズムに通した出力結果です。Rubyコードで実際に見てみましょう：

OpenSSL::HMAC.digest("SHA1", "my-secret-key", "the-earth-is-flat")
=> "R\xABp\xCB\xEC\xFEJ\r#\x02\xC8\xAB\x96\xB68\v\xDA0\xD7z"

おっと、このバイナリ文字列を見てください！これがMessage Authentication Code（MAC：メッセージ認証コード）です。

ハッシュ関数にはSHA1を選択しました（TOTPの実装でも同様です）。選択肢は他にもたくさんあり、それぞれセキュリティやパフォーマンス特性が異なります。ハッシュアルゴリズムの素晴らしいところは、どんな入力に対しても、毎回同じ出力が得られることです！さらに、入力がわずかに変わるだけで、まったく異なる固有の出力が生成されます（ハッシュ関数によりますが、衝突についてはあまり心配しなくて大丈夫です）。

さて、これがメッセージ認証コードと呼ばれるのは、受信したメッセージが本物であることを証明できるからです。あなたと私が同じ秘密（my-secret-key）を知っていれば、私はメッセージthe-earth-is-flatとMACを一緒に送ることができます。受け取った側は、同じ入力でまったく同じダイジェスト関数を実行し、MACが一致すれば、そのメッセージは認証されたことになります！改ざんされておらず、私から来たものであることが分かるのです！

😎

タイムコード（Timecode）

では、話をTOTPに戻しましょう。そろそろ時間の話をします。TOTPでは、the-earth-is-flatのようなふざけたメッセージの代わりに、時間ステップ数（文字列に変換されたもの）を入力として使います。認証アプリを開いて、コードが切り替わるタイミングを観察すると、あるパターンに気づくかもしれません。そう、一緒に言ってみましょう：「30秒ごとに切り替わる」。その通りです。

これによりメッセージの計算が少し簡単になります。この場合、UNIX時間（いわゆるエポック秒）からの経過時間を30秒（タイムステップ）で割って切り捨てた値を使います。再びRubyで書くと：

Time.now.to_i / 30
=> 51772900

なるほど！これがメッセージです。

そこで認証アプリでは、頼れるダイジェスト関数を使って新しいHMACを取得します：

hmac = OpenSSL::HMAC.digest("SHA1", "avwe8aw71j2boib23jkbjk32", "51772900")
=> "H\x7F\xC1\xACL\xDA\xDB\xE7DQ\x91kE\x1C\xE3,c\nH\xA0"
get_otp_code(hmac)
=> "332204"

最後のステップは、このバイナリ文字列から数字コードを取り出すことです。ビット操作が必要になるため、今のところ匿名のget_otp_code関数の陰に隠れておきます。興味があれば、HOTP仕様でその動作について詳しく読むことができます。

コードをサーバーに送信すると、サーバーはまったく同じダイジェスト操作を実行してコードを比較します。一致すれば、ログイン成功です！時間を扱っているため、レイテンシ（通信遅延）も考慮要素になります。遅延への対策戦略はいくつかあります。その理解については、よろしければ宿題としておきます。

以上がTime-Based One-Time Passwordの仕組みの概要です！！🎉 この知識を活かして次のディナーパーティーの人気者になれたら、ぜひ感謝のメールをお送りください！

実装について

こうした仕組みを理解することは大切だと思いますが、暗号関連のものを自作することは強く非推奨です。Ruby/Railsエコシステムの素晴らしい点のひとつは、問題を解決してくれるgem（時には複数）を見つけられることが多いことです。

Honeybadgerではdeviseを使用しており、two_factor_authenticationという優れたdeviseプラグインがあります。2FAの実装はいくつかありますが、これを選んだ理由は以下の通りです：

• セットアップがシンプル（マイグレーション1つと、設定・イニシャライザを少々追加するだけ）
• ワンタイムコードを専用ページで入力できる（ユーザー名/パスワードの認証後）
• デフォルト設定が妥当でありながら、オーバーライドも簡単
• 最大ログイン試行回数チェック機能があり、これは仕様でも推奨されている

有効化の手順

設定は簡単です：「ユーザー設定 > 認証」ページに移動し、「Set Up Two Factor Authentication（二要素認証を設定）」を選択して、AuthyまたはGoogle Authenticator（またはその他の任意のTOTP対応アプリ）を使って秘密鍵を同期する手順に従ってください。

これだけです！次回ログイン時に、認証アプリのコード入力を求められます。コードを入力すれば、完全な安心感とともにお使いいただけます。🧘

セキュリティとシンプルさの両立？これ以上何を望みましょうか？

最後にもうひとつ：Pwned Passwordチェック

弱いパスワード派の皆さんに、ちょっとしたお知らせです。私たちはdevise-pwned_password gemとも統合しました。今後、パスワードが必要な操作を行う際に、入力されたパスワードが既知のデータ漏洩事件で流出していないかをチェックします。新しいパスワードを設定する際にチェックに失敗した場合は、そのパスワードは使用できません。

まだの方は、パスワードマネージャーの使用を強くお勧めします（えへん、1Passwordとか）。

Pwned Passwordの興味深い点のひとつは、サードパーティサービスのデータベースと照合している間も、パスワードの安全性が保たれる仕組みです。これはk-Anonymity（k-匿名性）と呼ばれる手法で、概要はこちらで確認できます。

今回は以上です。また次回お会いしましょう！👋