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 %d\n", 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 %d\n", 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 %d\n", 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 %d\n", 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 %d\n", 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 %d\n", 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。