Authentication Security（安全的身份驗證）

是什麼？

Authentication Security 涵蓋三大核心領域：

Password Hashing — 用單向雜湊函數將密碼轉為不可逆的雜湊值儲存
Multi-Factor Authentication（MFA） — 結合多種驗證因子確認使用者身份
Session Management — 管理使用者的登入狀態，控制存取期限與安全性

ℹ️驗證三因子

Something you know（密碼）+ Something you have（手機/硬體金鑰）+ Something you are（指紋/臉部辨識）。MFA 至少結合其中兩種。

核心觀念

Password Hashing

| 演算法 | 安全性 | 說明 | |--------|--------|------| | MD5 / SHA-1 | 已淘汰 | 速度太快，容易被暴力破解 | | bcrypt | 推薦 | 內建 salt，可調整 cost factor | | Argon2 | 最推薦 | 2015 Password Hashing Competition 冠軍，抗 GPU 攻擊 | | scrypt | 推薦 | 記憶體密集，抗 ASIC 攻擊 |

關鍵原則：密碼雜湊必須是慢的 — cost factor 設定目標為每次雜湊耗時 250ms 以上。

Session 管理要點

Session ID 長度至少 128 bits，使用 CSPRNG 產生
登入後必須更換 Session ID（防 Session Fixation）
設定合理的 idle timeout（15-30 分鐘）和 absolute timeout（8-24 小時）
Cookie 設定：HttpOnly、Secure、SameSite=Strict

常見誤區

⚠️致命錯誤

用 SHA-256 直接 hash 密碼（沒有 salt，容易被 rainbow table 攻擊）
自己實作加密演算法（永遠使用經過驗證的函式庫）
Session ID 放在 URL query string 中（會被 Referer header 洩漏）
MFA 的備用碼（Recovery Code）以明文儲存

執行流程

使用者註冊

收到密碼後立即用 Argon2/bcrypt 雜湊，只儲存雜湊值

使用者登入

比對輸入密碼的雜湊值與資料庫中的雜湊值

MFA 驗證

密碼正確後要求第二因子（TOTP / WebAuthn）

建立 Session

產生安全的 Session ID，設定 Cookie 屬性

持續驗證

每次請求檢查 Session 有效性，定期強制重新驗證

流程解讀：安全的身份驗證是一條完整的鏈，從密碼儲存到 Session 維護每一環都不能出錯。密碼在收到的第一時間就必須雜湊，明文密碼不能出現在 log 或任何持久化儲存中。MFA 作為第二道防線，即使密碼洩漏也能擋下攻擊者。Session 管理則確保驗證後的狀態安全且有時效性。

程式碼範例

C# 版本

csharp

using BCrypt.Net;
using System.Security.Cryptography;
 
// Password Hashing with bcrypt
public class PasswordService
{
    // 註冊時：雜湊密碼
    public string HashPassword(string password)
    {
        // workFactor: 12 表示 2^12 = 4096 次迭代
        return BCrypt.Net.BCrypt.HashPassword(password, workFactor: 12);
    }
 
    // 登入時：驗證密碼
    public bool VerifyPassword(string password, string hashedPassword)
    {
        return BCrypt.Net.BCrypt.Verify(password, hashedPassword);
    }
}
 
// Session ID 產生
public class SessionService
{
    public string GenerateSessionId()
    {
        var bytes = new byte[32]; // 256 bits
        using var rng = RandomNumberGenerator.Create();
        rng.GetBytes(bytes);
        return Convert.ToBase64String(bytes);
    }
}

TypeScript 版本

typescript

import bcrypt from "bcrypt";
import crypto from "crypto";
 
// Password Hashing
async function hashPassword(password: string): Promise<string> {
  const saltRounds = 12;
  return bcrypt.hash(password, saltRounds);
}
 
async function verifyPassword(
  password: string,
  hash: string
): Promise<boolean> {
  return bcrypt.compare(password, hash);
}
 
// Session ID 產生
function generateSessionId(): string {
  return crypto.randomBytes(32).toString("hex"); // 256 bits
}
 
// TOTP 驗證（使用 otpauth 函式庫）
import { TOTP } from "otpauth";
 
const totp = new TOTP({
  secret: "JBSWY3DPEHPK3PXP",
  digits: 6,
  period: 30,
});
 
function verifyTotp(token: string): boolean {
  const delta = totp.validate({ token, window: 1 });
  return delta !== null;
}

Python 版本

python

import bcrypt
import secrets
import pyotp
 
# Password Hashing
def hash_password(password: str) -> bytes:
    salt = bcrypt.gensalt(rounds=12)
    return bcrypt.hashpw(password.encode("utf-8"), salt)
 
def verify_password(password: str, hashed: bytes) -> bool:
    return bcrypt.checkpw(password.encode("utf-8"), hashed)
 
# Session ID 產生
def generate_session_id() -> str:
    return secrets.token_hex(32)  # 256 bits
 
# TOTP 驗證
def setup_totp(user_email: str) -> str:
    secret = pyotp.random_base32()
    totp = pyotp.TOTP(secret)
    uri = totp.provisioning_uri(name=user_email, issuer_name="MyApp")
    return secret, uri
 
def verify_totp(secret: str, token: str) -> bool:
    totp = pyotp.TOTP(secret)
    return totp.verify(token, valid_window=1)

結構圖

User

credentials→

Auth Service

hash & verify→

Password Hasher (bcrypt/Argon2)

store hash→

MFA Provider (TOTP/WebAuthn)

→

Session Store (Redis)

→

User Database

圖中 User 將憑證（帳號密碼）送給 Auth Service。Auth Service 透過 Password Hasher 雜湊並比對密碼，通過後交由 MFA Provider 進行第二因子驗證。驗證完成後 Auth Service 在 Session Store（通常是 Redis）中建立 Session。整個流程中明文密碼只存在於記憶體中的極短時間，資料庫只儲存雜湊值。

面試常見問題

Q: 為什麼不能用 SHA-256 hash 密碼？bcrypt 和 Argon2 差在哪？

A: SHA-256 設計目標是「快」，GPU 每秒可算數十億次，攻擊者可以快速暴力破解。bcrypt/Argon2 設計目標是「慢」且消耗資源。bcrypt 用 cost factor 控制 CPU 時間；Argon2 額外控制記憶體用量，能抵擋 GPU/ASIC 平行攻擊，是目前最推薦的選擇。

Q: JWT 和 Session-based Authentication 各自的優缺點？

A: Session-based 將狀態存在 server 端，可以隨時撤銷，但需要 Session Store 且不利於水平擴展。JWT 是 stateless，利於微服務架構，但 token 一旦簽發就無法撤銷（除非搭配黑名單機制）。高安全需求場景優先用 Session-based；微服務架構中可用短期 JWT + Refresh Token 搭配。

Q: TOTP 和 WebAuthn 哪個更安全？

A: WebAuthn（FIDO2）更安全。TOTP 的 shared secret 儲存在 server 和 client 兩端，server 洩漏就會被攻破，且容易被釣魚。WebAuthn 使用公私鑰架構，private key 永遠不離開使用者裝置，且綁定 origin 無法被釣魚。

理解測驗

🤔 為什麼密碼雜湊演算法要設計成「慢」的？

🤔 Session Fixation 攻擊的防禦方式是什麼？

🤔 MFA 的三種驗證因子中，以下何者屬於 Something you have？

重點整理

💡一句話記住

Authentication Security = 慢雜湊 + 多因子 + 安全 Session。 口訣：「密碼要慢 hash，登入要雙重，Session 要短命」

| 概念 | 說明 | |------|------| | Password Hashing | 用 bcrypt/Argon2 慢速雜湊，不用 MD5/SHA | | Salt | 每個密碼獨立的隨機值，防 rainbow table | | MFA | 至少兩種驗證因子，TOTP 或 WebAuthn | | Session 安全 | HttpOnly + Secure + SameSite，登入換 ID | | 核心原則 | 永遠不儲存明文密碼，永遠不自己造輪子 |