基于RSA和密鑰的二維碼加密編碼的研究

安吉旺，徐凱宏

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

二維碼(Two dimensional Barcode)是在一維碼的基礎(chǔ)上，在垂直和水平兩個方向上進(jìn)行的編碼和解碼。QR碼(Quick Response Code)作為矩陣式二維條碼的典型代表，是在一個矩形空間中通過不同黑、白像素的矩陣分布進(jìn)行編碼。與其他二維碼相比，QR碼除了具有信息容量大、可靠性強(qiáng)，可表示漢字及圖像等多種文字信息等優(yōu)點(diǎn)外，還可全方位識讀且識讀速度快[1]。因此，QR碼在各行各業(yè)中得到普遍應(yīng)用。

一些領(lǐng)域，QR碼所包含信息不方便被無關(guān)組織、機(jī)構(gòu)和個人隨意識讀，這就要求其在傳輸和存儲前進(jìn)行相應(yīng)的加密處理。在密碼學(xué)中，信息加密有很多種方法：序列密碼、分組密碼、公鑰密碼、哈希函數(shù)等[2]，但在二維碼編碼技術(shù)中的應(yīng)用卻很少，如用Rinjdael算法分別對信息原文、密鑰加密編碼得到二維碼A、B，A、B非功能區(qū)異或編碼得到二維碼C[3]；QR碼二值圖像DES加密將原有規(guī)律排列的黑白相間區(qū)域變成雜亂無章的黑白區(qū)域，破壞了QR碼平面結(jié)構(gòu)使無法識讀信息[4]；結(jié)合編碼規(guī)則，先用PBE(Password Based Encryption)方法對數(shù)據(jù)信息加密再把密文編碼[5]。

本文結(jié)合RSA加密算法和編碼規(guī)則，通過改進(jìn)加密過程在VC上實(shí)現(xiàn)對信息的雙重加密。

1 QR編碼規(guī)則

QR碼是由編碼區(qū)域和功能圖形組成一個正方形陣列。QR版本7符號結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 QR碼符號的結(jié)構(gòu)

QR編碼共分七個步驟：①數(shù)據(jù)分析：分析所輸入的數(shù)據(jù)流，確定要進(jìn)行編碼的字符的類型。②數(shù)據(jù)編碼：針對不同數(shù)據(jù)模式將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制位流，經(jīng)碼字轉(zhuǎn)化最終形成碼字位流。③糾錯編碼：根據(jù)選定的符號標(biāo)識和糾錯等級，將一組給定的數(shù)據(jù)碼字分成數(shù)據(jù)塊并計算相應(yīng)數(shù)據(jù)塊的糾錯碼字。④構(gòu)造最終信息：依次將每一塊的數(shù)據(jù)碼字和糾錯碼字裝配成最終序列碼字。最終編碼信息排放如圖2所示。⑤在矩陣中布置模塊：將上圖功能圖區(qū)的各個模塊一起加入矩陣。⑥掩模：將數(shù)據(jù)及糾錯碼區(qū)域內(nèi)滿足條件的模塊定義為深色。⑦格式和版本信息：根據(jù)編碼格式和版本型號生成QR碼符號[1]。

圖2 編碼信息排放

QR編碼算法公開且編、譯碼軟件應(yīng)用普遍，未加密的QR碼很容易被識別。將加密引入到二維碼技術(shù)中，對于食品安全、票務(wù)管理、貴重物品防偽等方面都有很大的幫助，這也促進(jìn)了二維碼技術(shù)的普及。

2 RSA算法

RSA密碼體制是由Rivest，Shamir，Adleman于1978年提出的基于數(shù)論理論的公鑰密碼體制，是目前應(yīng)用最廣泛的公鑰密碼體制。加密體制如下：

密鑰生成：用戶任意選取兩個大素數(shù)(大于500比特)p、q，計算公式：

n=pqφ(n)=(p-1)(q-1)。

(1)

隨機(jī)選取一個整數(shù)e：1≤e<φ(n)且e與φ(n)互質(zhì)。通常先選定e，再找出并確定p，q。求解私鑰d：1

for(i=0；i

{

j=i*e%k；

if(j==1)

{

printf(“%d”i)；

printf(“ ”)；

}

}

其中，n為運(yùn)算模數(shù)，e為加密指數(shù)，d為解密指數(shù)。在編碼過程中為可公示密鑰。為非公開的私鑰，信息接收端若要獲取加密信息必須申請私鑰。

加密算法：首先將明文分組，每組長度小于log2n。使用公鑰對每個分組m加密生成密文c：c=memodn。

解密算法：在知道私鑰k的情況下解密密文c得到明文m：m=cdmodn。

3 密令Key算法

此算法是采用輸入密鑰k加密明文m使其轉(zhuǎn)化成可視字符的算法。算法規(guī)則如下：

加密算法：獲取明文m、密鑰k，明文和密鑰是以字符型輸入。將明文m按密鑰k的字符長度分段成，m1，m2，…，mn，若不能整除則加入填充符“ ”。分別自密鑰k和每段數(shù)據(jù)符mi的首字節(jié)開始提取字節(jié)數(shù)值k1、k2。通過Ci=((k1+k2+512)mod 95)+32(實(shí)驗證明漢字字符字節(jié)提取值為負(fù)值)運(yùn)算將明文字符mi轉(zhuǎn)化成ASCⅡ碼表中32～126之間的可視字符c1,c2,…cn。加密過程中(k1+k2+512)/95的值加32同樣轉(zhuǎn)化成ASCⅡ碼表中32-126之間的可視字符q1,q2,…qn，最后得到密文

c=c1,q1,c2,q2,…cn,qn。

解密算法：解密是加密的逆過程，獲取密文c、輸入正確的密鑰k，明文和密鑰是以字符型輸入。先提取密文c中的q1,q2,…qn，將密文剩余信息密鑰k的字符長度分段成c1,c2,…cn(此時密文c必被整除)。分別自密鑰k和每段數(shù)據(jù)符ci的首字節(jié)開始提取字節(jié)數(shù)值k1、k2。通過mi=k2+95*Q[n]-512-k1(Q[n]中存放加密過程中qi-32的值；i=1，2，…，n)運(yùn)算最后得到明文m=mi,m2,…mn[2]。

4 雙重加密編碼編程實(shí)現(xiàn)

4.1 加密流程

圖3 雙重加密流程

為了不破壞QR碼的符號結(jié)構(gòu)、降低糾錯能力及識讀效率，本文將加密算法作用于QR碼編解碼步驟中“數(shù)據(jù)編碼”步驟前，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，之后再將密文進(jìn)行“數(shù)據(jù)編碼”直至生成QR符號。解碼則是編碼的逆過程。QR碼信息的雙重密算法流程為：

(1)獲取要加密的明文信息(漢字、圖像、數(shù)字等)，并將信息進(jìn)行字符轉(zhuǎn)換，輸入加密口令。

(2)將明文信息字符采用加密口令Key進(jìn)行密文C1；

(3)對密令進(jìn)行RSA算法加密生成C2；

(4)設(shè)置密碼標(biāo)志位，將密碼C2填充到C1當(dāng)中形成最終密文C。

(5)對密文C進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)編碼，形成數(shù)據(jù)位流。

(6)對數(shù)據(jù)位流進(jìn)行糾錯、掩膜等后續(xù)處理直至生成加密QR碼。

4.2 QR碼加密實(shí)現(xiàn)

QR碼雙重加密解密的實(shí)現(xiàn)是采用C++語言編寫，在已有開源項目和基礎(chǔ)函數(shù)庫的基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開發(fā)。本文在開源項目QR碼的編碼過程中編寫函數(shù)進(jìn)行加密操作。

(1)提取明文信息。明文的形式有很多種，其中，最主要的是文本信息和圖像。加密所需的明文必須采用的字符串的格式，這就要求對所獲取的明文進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換。對于文本內(nèi)容來說其本身就是字符串形式得，加密前只需獲取文本信息即可。對于圖像信息來說，加密編碼前需要對其進(jìn)行圖形調(diào)整以達(dá)到相應(yīng)的規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)。

①文本信息提取：

CString strFilter= “TXT

Files(*.txt)|*.txt|All

Files(*.*)|*.*||”；

CString strCon=“(TXT file)*.txt”；

…

m_strTxtFileName=fDlg.GetPathName()；

②圖像信息提取：

strFilter=“Bitmap Files(*.bmp)|*.bmp|All Files(*.*)|*.*||”；

strCon=“(Bitmap file)*.bmp”；

…

m_strBmpFileName=fDlg.GetPathName()；

…

sprintf(ss，“%s”，m_strBmpFileName.GetBuffer(256))；

SizeDIB(ImgFileName，100，100)；//調(diào)整圖像

(2)雙重加密。

①口令key加密：將上面提取的文本信息TxtFile-

Name、圖像信息ImgFileName，作為加密明文Source，在輸入口令Key的前提下進(jìn)行加密。

CString CEncryptDlg∷Encrypt_Key(CString Source，CString Key)

{

…

k1=pKey[j-1]；

k2=pSource[j-1]；

intk=k1+k2+512；

div_Result=div(k，ENCRYPT_KEY)；

k=div_Result.rem；

m=div_Result.quot；

pMid[j-1]=k；

strTarget[n]=k；

DstrTarget[n]=m；

n++；

…

i=0；x=0；

for(j=0；j<2*n；j++)

{

if(j%2==0)

sstrTarget[j]=strTarget[i++]+32；

else

sstrTarget[j]=DstrTarget[x++]+32；

}

…

}

②RSA加密：對口令Key加密，將Key作為RSA加密算法的輸入m_Source

wsprintf(pSource，“%s”，m_Source)；

iLen=m_Source.GetLength()；

for(i=0；i

{

div_t div_Result；

dw1=Exp(pSource[i]，e，r)；

div_Result=div(dw1，r)；

pTarget[i]=div_Result.rem；

//獲取密文

}//加密算法最關(guān)鍵是引用Exp()函數(shù)，是RAS加密的核心算法。

DWORD Exp(intk，inte，intr)

{DWORD dwResult；

div_tdiv_Result；

dwResult=k；

div_Result=div(dwResult，r)；

dwResult=div_Result.rem；

for(inti=1；i

{dwResult*=k；

div_Result=div(dwResult，r)；dwResult=div_Result.rem；}

return(dwResult)；

(3)編碼函數(shù)

QR編碼只需在獲取加密密文后調(diào)用Qr_code編碼動態(tài)鏈接庫EnCodeQr.dll

void BarCodeDlg：：EnCoding()

{…

SetQrConFile(m_strConFileName)；//設(shè)置QR配置文件

if(imgLen<1)

…

barname=EnQrText(m_strInfo)；//將信息生成QR碼不含編碼信息結(jié)構(gòu)

else

…

barname=MakeQrCode(TxtFileName，ImgFileName，“”)；//將文本、圖形和其他信息合成生成QR碼，含編碼結(jié)構(gòu)信息。}

5 實(shí)驗及分析

本文采用漢字模式下“東北林業(yè)大學(xué)”為加密原文，編碼QR圖像如圖4所示，其中圖4(a)未加密，能夠采用普通識別軟件讀取，而圖4(b)、(c)、圖4(d)分別采用RSA、密令Key、RSA改進(jìn)算法加密QR碼，必須采用專用識別軟件才能正確識讀。

圖4 不同加密方式下生成的二維碼

從QR碼加解密測試數(shù)據(jù)(見表1)可以看出，加解密軟件可正確識讀加密和未加密QR碼，而普通的識讀軟件對加密QR碼的正確識別率為0%。本實(shí)驗中若對“東北林業(yè)大學(xué)”進(jìn)行單一RSA算法加密且公鑰e=101，其中求余運(yùn)算1 224次、加法運(yùn)算1 212次。采用本文的改進(jìn)算法加密：求余運(yùn)算417次、加法運(yùn)算457次。通過對運(yùn)算次數(shù)和加、解密時間的分析，新加密方法效率更高，安全性更強(qiáng)。另外新的加密方法：加密口令簡單、靈活，且由用戶掌握。對比加密前后的QR碼符，其結(jié)構(gòu)并未改變，不影響QR碼的適度效率。

表1 QR碼加解密測試數(shù)據(jù)

6 結(jié)束語

RSA算法是基于分解大整數(shù)的困難性的加密，在管理密鑰方面算法優(yōu)越，加密時公鑰更新容易，對外只需保密私鑰。但RSA算法計算復(fù)雜，其模正整數(shù)次冪運(yùn)算需消耗大量時間，當(dāng)進(jìn)行大信息量加密時將嚴(yán)重影響加解密的執(zhí)行效率。本文研究了QR碼編解碼規(guī)則和RSA改進(jìn)加密算法，針對QR碼信息加密的缺陷，提出采用輸入口令加密原文信息、RSA算法加密口令的算法。通過實(shí)驗證明，本方法在未知私鑰的情況下采用普通識別軟件對QR碼的正確識別率為0%，既保證了信息的安全性又提高了加密的靈活性和提高了效率，具有很強(qiáng)的實(shí)用性，可得到廣泛應(yīng)用。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1] 中國物品編碼中心，二維碼技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：中國計量出版社，2007.

[2] 鄭 東，李祥學(xué)，黃 征.密碼學(xué)——密碼算法與協(xié)議[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 任勇金.基于Rijndeal和異或運(yùn)算的QR二維碼雙重加密研究[J].華章，2012(29)：338.

[4] 劉彥偉，王根英，劉 云.QR碼信息加密的研究與實(shí)現(xiàn)[J].推廣與應(yīng)用，2012，21(11)：37-41.

[5] 李 東.基于加密和解密的二維條形碼的實(shí)現(xiàn)[J].科學(xué)傳播，2010，(7)：114-115.