二维码知识介绍

一、二维码的分类

二维码，从字面上看就是用两个维度（水平方向和垂直方向）来进行数据的编码，条形码只利用了一个维度（水平方向）表示信息，在另一个维度(垂直方向)没有意义，所以二维码比条形码有着更高的数据存储容量。

从形成方式上，二维码可以分为两类，

1、堆叠式二维码：在一维条形码的基础上，将多个条形码堆积在一起进行编码，常见的编码标准有PDF417等

                          图1 PDF417码示例

2、矩阵式二维码:在一个矩阵空间中通过黑色和白色的方块进行信息的表示，黑色的方块表示1，白色的方块表示0，相应的组合表示了一系列的信息，常见的编码标准有QR 码，汉信码等

                   

       图2 QR码示例                                  图3 汉信码示例

PDF417由美国研发，在美国地区使用广泛

汉信码由中国自主研发，目前已在政府相关领域得到初步的使用。

QR码由日本研发，目前很多的应用都是用QR码进行编码，译码

目前使用最广的是QR码，所以接下来的内容会对QR码进行讲解，下文中提到的二维码，指的就是QR码

QR码分为40个版本，版本1由21x21个方块组成，每个版本增加4个方块，版本40由177x177个方块组成。每增加一个版本，QR码可储存的信息数量也随之增多。

版本1的二维码最多可以储存25个字符或41个数字，而版本40的二维码最多可以储存4296个字符或7089个数字

二、二维码的结构

一个二维码可以分为两个部分，功能图形和编码区域

                                         图4

功能图形起到定位的作用

位置探测图形：由三个黑白相间的大正方形嵌套组成，分别位于二维码左上角、右上角、左下角，目的是为了确定二维码的大小和位置。

定位图形       ：由两条黑白相间的直线组成，便于确定二维码的角度，纠正扭曲。

校正图形       ：仅在版本2以上存在，由三个黑白相间的小正方形嵌套组成，便于确定中心，纠正扭曲。

数据区记录了具体的数据信息，纠错信息与版本信息。

数据和纠错码：记录了数据信息和相应的纠错码，纠错码的存在使得当二维码的数据出现允许范围内的错误时，也可以正确解码。

版本信息       ：仅在版本7以上存在，记录具体的版本信息。

格式信息       ：记录使用的掩码和纠错等级。

此外二维码的外围还留有一圈空白区，主要是为了便于识别而存在。

三、数据编码与实例

针对不同的数据，QR码设计了不同的数据编码编码方式，我们可以根据数据的种类选择合适的编码方式进行编码。

数字编码（Numeric）        ：可编码0-9，10个数字，如果需要编码的数字的个数不是3的倍数，最后剩下的1或2位数会被转成4或7bits，其它的每3位数字会根据不同版本被编成 10，12，14bits

字符编码（Alphanumeric) ：可编码0-9,大写的A-Z,以及9个其他的字符(space $ % * + – . / :);

8位字节模式(8-bit Byte)     ：可编码JIS X 0201的8位Latin/Kana字符集

除此之外，QR还提供了其他的编码方式，每一个编码方式都有其独有的id进行标识，这些标识会记录在数据区的前端，使得解码器可以根据二维码使用的编码方式对数据进行解码

     

                                  图5   一些编码方式及其标识

纠错码

二维码存在4个级别的纠错等级，每个纠错级别可修正的错误与标识见图6，纠错级别越高，可以修正的错误就越多，需要的纠错码的数量也变多，相应的可储存的数据就会减少，版本1的二维码在L级别下可储存25个字符，在H级别下只能储存10个字符。

         

                             图6

下面给一个01234567在版本1下用数字编码(Numeric)，选择的纠错级别是M的示例

第一步，将定位图案放到二维码中

     

                         图7

第二步：进行数据编码

根据图8，版本1下，采用Numeric Mode编码时，每三个数字需要10个bits进行标示

                                            图8

012 ->0000001100

345 ->0101011001

67 ->1000011

组合起来为

0000001100 0101011001 1000011

 

在数据的头尾加上一些标准要求的信息

头

数字个数 (8) = 0000001000

编码格式      =0001

尾

终止符         =0000

组合起来为

0000001100 0101011001 1000011->

0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011 0000

 

按8bit一组重新排列，末尾不足的补零

0001 0000001000 0000001100 0101011001 1000011 0000->

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001 10000000

 

不足最大bit的添加补齐码（11101100 00010001），版本1 M下需要128bits

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001

10000000->

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001

10000000 11101100 00010001 11101100 00010001

11101100 00010001 11101100 00010001 11101100

00010001

第三步：添加纠错码

纠错码根据数据利用RS算法来进行计算，篇幅所限，这里就不具体讲解了，最终的结果如下：

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001

10000000 11101100 00010001 11101100 00010001

11101100 00010001 11101100 00010001 11101100

00010001->

00010000 00100000 00001100 01010110 01100001

10000000 11101100 00010001 11101100 00010001

11101100 00010001 11101100 00010001 11101100

00010001 10100101 00100100 11010100 11000001

11101101 00110110 11000111 10000111 00101100

01010101

第四步：将最终的数据编码按顺序放入二维码中

                                

                      图9                                                                       图10

从左下角开始，1为黑色，0为白色，按顺序依次填入二维码中

第五步:添加格式信息和进行掩码运算

得到的图像还需要对数据区进行掩码运算，掩码运算的目的是让图像中黑色和白色方块分布的更加均匀一些，便于解码

有以下几种掩码运算，相应的标识和变换方式见图11,二维码的左上角的坐标为(0,0)

        

                                               图11

 

   

                              图12  坐标系和掩码运算的图案

这里我们选择标识为011的掩码

格式信息的组成为                       ：纠错标识+掩码标识+BCH纠错码

所以前面的纠错标识+掩码标识为：00011

BCH纠错码计算为：

得到纠错码为                             ：011 0101 1001

格式信息为                                ：00011 1101011001

为了避免选择标识00的纠错类别和标识000的掩码运算，照成格式信息为全0的数字，所得的格式信息还要与101010000010010做异或运算

000111101011001

101010000010010   XOR

101101101001011

最终的格式信息为                      ：101101101001011

将格式信息放入二维码中       

       

                          图13

对加格式信息后的二维码 进行掩码运算

得到的最终二维码，储存的数据信息是01234567

      

                      图14

整个流程见图15

   
                                      图15

四、二维码的安全知识

虽然二维码本身承担的只是一些文本数据，但仍会导致一些安全问题

1、攻击者将一些恶意网站或者一些恶意代码制作成二维码，用户扫描后，会自动下载一些恶意软件，或跳转到一些虚假网站给使用者造成危害，

2、二维码内如果包含一些可执行的脚本，便可能导致xss攻击     如 http://www.wooyun.org/bugs/wooyun-2012-09145

3、如果将一些敏感信息不加密而直接储存在二维码中，便会存在信息泄露的可能，比如11年火车票上的二维码就存在泄露使用者的身份证号码的问题。

五、总结

虽然我们在使用二维码的时候只需要用手机一扫即可，但二维码的编码和解码却包含了很多的步骤和很多的知识，此外二维码本身仅仅是数据的承载体，我们在使用时要针对一些敏感信息进行加密处理，防范潜在的攻击方式

 

参考文献

二维码的生成细节和原理  http://coolshell.cn/articles/10590.html#jtss-tsina

QR二维码的攻击与防御   http://drops.wooyun.org/tips/160