FIDO U2F设备的HID协议
FIDO概述
FIDO(Fast IDentity Online)联盟成立于2012年,FIDO联盟通过定义出一套开放、可扩展、可协同的技术规范,来改变现有在线认证方式,减少认证用户时对密码(password)的依赖。FIDO有两套规范:U2F和UAF。
无密码的UAF(Universal Authentication Framework)
- 用户携带含有UAF的客户设备
- 用户出示一个本地的生物识别特征或者PIN
- 网站额可以选择是否保存密码
用户选择一个本地的认证方案(例如按一下指纹、看一下摄像头、对麦克说话,输入一个PIN等)把他的设备注册到在线服务上去。只需要一次注册,之后用户再需要去认证时,就可以简单的重复一个认证动作即可。用户在进行身份认证时,不在需要输入他们的密码了。UAF也允许组合多种认证方案,比如指纹+PIN。
第二因子的U2F(Universal 2nd Factor)
- 用户携带U2F设备,浏览器支持这个设备
- 用户出示U2F设备
- 网站可以使用简单的密码(比如4个数字的PIN)
FIDO U2F认证,国内的文章一般翻译成FIDO两步认证。U2F是在现有的用户名+密码认证的基础之上,增加一个更安全的认证因子用于登录认证。用户可以像以前一样通过用户名和密码登录服务,服务会提示用户出示一个第二因子设备来进行认证。U2F可以使用简单的密码(比如4个数字的PIN)而不牺牲安全性。
U2F出示第二因子的形式一般是按一下USB设备上的按键或者放入NFC。
U2F HID协议
UAF先放一边,U2F的工作流程比较简单,具体的可以看FIDO联盟官网。下面主要说下U2F HID协议。
首先要明确一下U2FHID协议不是U2F的应用层协议,是描述U2F的消息如何通过HID传输的底层协议,U2F应用层的协议在U2F Raw Message中定义。U2FHID协议可以支持在大多数平台上直接使用而不需要安装驱动,可以支持多应用并发访问设备。
并发和通道
U2FHID设备处理多客户端,比如多个应用通过HID栈访问单个资源,每个客户端都可以和U2FHID设备通过一个逻辑通道(logical channel)进行通讯,每个客户端都使用一个唯一的32bit通道ID来判断用途。通道ID由U2F设备来进行分配,确保唯一。产生通道ID的算法由U2FHID设备的厂商规范定义,FIDO的U2FHID协议中不进行定义。
通道ID 0是保留的,0xFFFFFFFF也是保留给广播命令的。
消息和包结构
包(Packets)分为两类,初始化包(initialization packets)和附加包(continuation packets)。就像initialization packets这个名字一样,每个应用层消息的第一包都是initialization packet,也是一个事物的开始。如果整个应用层消息不能通过一个包下发,就需要一个或者多个continuation packet来发送了,直到把所有消息发完。
一个应用层消息从主机发送到设备叫做请求(request),从设备返回给主机的叫做响应(response)。请求和响应消息是相同的结构,一个事勿从一个请求的initialization packet开始,截止于一个响应的最后一个包。包的长度永远是固定的大小,一个包中的有的字节并没有被使用到,没有使用的字节需要设置为0。
初始化包的定义
偏移 | 长度 | 名称 | 描述 |
---|---|---|---|
0 | 4 | CID | 通道ID |
4 | 1 | CMD | 命令ID |
5 | 1 | BCNTH | 发送数据长度的高位 |
6 | 1 | BCNTL | 发送数据长度的低位 |
7 | (s-7) | DATA | 发送数据(s等于包的固定长度) |
附加包的定义
偏移 | 长度 | 名称 | 描述 |
---|---|---|---|
0 | 4 | CID | 通道ID |
4 | 1 | SEQ | 包的顺序,0x00..0x7F |
5 | (s-5) | DATA | 发送数据(s等于包的固定长度) |
如果一个应用层消息长度小于等于s-7,那么一个包就可以发完,如果一个比较大的应用层消息,需要拆分成一个或者多个附加包,第一个附加包的SEQ为0,每次附加包的SEQ值增加1,最大到0xFF。 USB全速设备的包长度的最大值是64字节,这样最大的一个应用层消息可以发送的长度就是,64-7+128*(64-5)=7609字节。
下面是一个初始化包和附加包的C的定义
typedef struct { uint32_t cid; // Channel identifier union { uint8_t type; // Frame type - b7 defines type struct { uint8_t cmd; // Command - b7 set uint8_t bcnth; // Message byte count - high part uint8_t bcntl; // Message byte count - low part uint8_t data[HID_RPT_SIZE - 7]; // Data payload } init; struct { uint8_t seq; // Sequence number - b7 cleared uint8_t data[HID_RPT_SIZE - 5]; // Data payload } cont; }; } U2FHID_FRAME;
同步
搞USBKEY就不能不说到同步,U2FHID也一样,一个事务永远分为三个阶段:消息从主机发送到设备,设备处理消息,响应从设备返回到主机,U2FHID的事务必须是原子的,一个事务一旦开始,不能被其他应用中断。
U2FHID 命令
还是要明确一下,下面介绍的是U2FHID协议中的命令,不是U2F应用层的命令,U2F应用层的命令在U2F Raw Message中定义,并使用U2F_MSG命令发送。
1.U2FHID_MSG
这个指令是用来发送U2F应用层消息的到FIDO设备的指令,数据域data中的值就是U2F的应用层指令。
2.U2FHID_INIT
这个指令是应用请求FIDO设备分配一个唯一的32bit的CID,这个CID将会在应用剩下的时间中使用到。请求FIDO设备分配一个新的逻辑通道,请求的应用需要使用广播通道U2FHID_BROADCAST_CID,设备会使用广播通道在响应中重新返回一个通道ID。
3.U2FHID_PING
用来调试用的,发送一个事务到设备。
4.U2FHID_ERROR
只用于响应消息。
5.U2FHID_WINK
这个指令是可选的,如果设备有LED灯,可以让灯闪一下或者其他类似的行为,主要是用于提示用户。
可以看出来,U2FHID协议最基本的就是使用上面的U2FHID_FRAME这个结构来和FIDO设备进行通讯,下面这个函数就是把不同的U2FHID指令和数据域封装成U2FHID_FRAME的格式下发到USB设备中。
u2fh_rc u2fh_sendrecv (u2fh_devs * devs, unsigned index, uint8_t cmd, const unsigned char *send, uint16_t sendlen, unsigned char *recv, size_t * recvlen) { int datasent = 0; int sequence = 0; struct u2fdevice *dev; if (index >= devs->num_devices || !devs->devs[index].is_alive) { return U2FH_NO_U2F_DEVICE; } dev = &devs->devs[index]; while (sendlen > datasent) { U2FHID_FRAME frame = { 0 }; { int len = sendlen - datasent; int maxlen; unsigned char *data; frame.cid = dev->cid; if (datasent == 0) { frame.init.cmd = cmd; frame.init.bcnth = (sendlen >> 8) & 0xff; frame.init.bcntl = sendlen & 0xff; data = frame.init.data; maxlen = sizeof (frame.init.data); } else { frame.cont.seq = sequence++; data = frame.cont.data; maxlen = sizeof (frame.cont.data); } if (len > maxlen) { len = maxlen; } memcpy (data, send + datasent, len); datasent += len; } { unsigned char data[sizeof (U2FHID_FRAME) + 1]; int len; data[0] = 0; memcpy (data + 1, &frame, sizeof (U2FHID_FRAME)); if (debug) { fprintf (stderr, "USB send: "); dumpHex (data, 0, sizeof (U2FHID_FRAME)); } len = hid_write (dev->devh, data, sizeof (U2FHID_FRAME) + 1); if (debug) fprintf (stderr, "USB write returned %dn", len); if (len < 0) return U2FH_TRANSPORT_ERROR; if (sizeof (U2FHID_FRAME) + 1 != len) return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } } { U2FHID_FRAME frame; unsigned char data[HID_RPT_SIZE]; int len = HID_RPT_SIZE; int maxlen = *recvlen; int recvddata = 0; short datalen; int timeout = HID_TIMEOUT; int rc = 0; while (rc == 0) { if (debug) { fprintf (stderr, "now trying with timeout %dn", timeout); } rc = hid_read_timeout (dev->devh, data, len, timeout); timeout *= 2; if (timeout > HID_MAX_TIMEOUT) { rc = -2; break; } } sequence = 0; if (debug) { fprintf (stderr, "USB read rc read %dn", len); if (rc > 0) { fprintf (stderr, "USB recv: "); dumpHex (data, 0, rc); } } if (rc < 0) { return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } memcpy (&frame, data, HID_RPT_SIZE); if (frame.cid != dev->cid || frame.init.cmd != cmd) { return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } datalen = frame.init.bcnth << 8 | frame.init.bcntl; if (datalen + datalen % HID_RPT_SIZE > maxlen) { return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } memcpy (recv, frame.init.data, sizeof (frame.init.data)); recvddata = sizeof (frame.init.data); while (datalen > recvddata) { timeout = HID_TIMEOUT; rc = 0; while (rc == 0) { if (debug) { fprintf (stderr, "now trying with timeout %dn", timeout); } rc = hid_read_timeout (dev->devh, data, len, timeout); timeout *= 2; if (timeout > HID_MAX_TIMEOUT) { rc = -2; break; } } if (debug) { fprintf (stderr, "USB read rc read %dn", len); if (rc > 0) { fprintf (stderr, "USB recv: "); dumpHex (data, 0, rc); } } if (rc < 0) { return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } memcpy (&frame, data, HID_RPT_SIZE); if (frame.cid != dev->cid || frame.cont.seq != sequence++) { fprintf (stderr, "bar: %d %d %d %dn", frame.cid, dev->cid, frame.cont.seq, sequence); return U2FH_TRANSPORT_ERROR; } memcpy (recv + recvddata, frame.cont.data, sizeof (frame.cont.data)); recvddata += sizeof (frame.cont.data); } *recvlen = datalen; } return U2FH_OK; }
这个函数搞定,基本上U2FHID协议中定义的命令就都可以搞定了。下一篇暂定写U2F Raw Message中定义的U2F应用层的协议。
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