4. 基于HMAC的一次性令牌设备认证

HMAC 一次性令牌的认证模型

本方案的核心是：设备与服务端共享一个预置密钥 K，设备在每次连接时用当前时间戳 ts 和随机数 nonce 构造消息，计算 HMAC-SHA256(K, deviceId | ts | nonce) 作为一次性令牌。服务端用同一密钥重算并比对，同时检查时间戳窗口与 nonce 是否已使用，从而同时实现身份认证与防重放。

令牌生成与校验的关键实现

设备端使用预置密钥对 deviceId|ts|nonce 拼接串计算 HMAC-SHA256，输出十六进制字符串作为令牌。服务端收到请求后，先检查时间戳是否在允许窗口内（建议 ±30 秒），再检查 nonce 是否已被使用（可用 Redis 的 SETNX 配合过期时间实现），最后用相同密钥重算 HMAC 并做常量时间比较。

import hmac, hashlib, time, os, json

# 设备端：生成一次性令牌
def generate_token(device_id: str, secret: bytes) -> dict:
    ts = int(time.time())
    nonce = os.urandom(16).hex()
    msg = f"{device_id}|{ts}|{nonce}".encode()
    token = hmac.new(secret, msg, hashlib.sha256).hexdigest()
    return {"deviceId": device_id, "ts": ts, "nonce": nonce, "token": token}

# 服务端：校验令牌
def verify_token(payload: dict, secret: bytes, used_nonces: set, window: int = 30) -> bool:
    device_id = payload["deviceId"]
    ts = payload["ts"]
    nonce = payload["nonce"]
    token = payload["token"]

    # 1. 时间窗口检查
    if abs(int(time.time()) - ts) > window:
        return False

    # 2. Nonce 去重检查
    if nonce in used_nonces:
        return False

    # 3. HMAC 重算比对（常量时间比较）
    msg = f"{device_id}|{ts}|{nonce}".encode()
    expected = hmac.new(secret, msg, hashlib.sha256).hexdigest()
    if not hmac.compare_digest(expected, token):
        return False

    used_nonces.add(nonce)
    return True

参数选择与安全边界