二维码的秘密

Posted 2020-11-25 wangmeijian

二维码的秘密

这是我在公司内部做的第四次技术分享，前面三次分享，都是基于当时手上在做的项目，产生的一些想法或经验总结，这一次也不例外。

前几次分享的主题分别是：

1、前端自动化测试实战
2、提高web可访问性，选择合适的技术做合适的项目
3、蓝信应用的开发与测试

本次分享的主题叫：《二维码的秘密》

最近在做的项目，需要实现通过App扫码登录，前端利用websocket，监听后端扫码成功的信息来实现登录。在用qrcodejs生成二维码的时候，我产生了一些疑问：

• 二维码容量有多大？
  
• 二维码上面三个大方块是干什么的？
  
• 二维码能存储视频/音频吗？
  
• 二维码破损了为什么还能被识别？
  
• 二维码生成原理是怎样的？

带着这些疑问，往下看

诞生和普及

上个世纪60年代，日本迎来高速增长期，卖食品、衣服等种类繁多的超市开始在城市中出现，当时超市使用的现金出纳机要靠手动输入商品价格，因此负责现金出纳的人常常会因手腕的麻木和“腱鞘炎”而苦恼。

条形码的出现解决了这个问题，因此，条形码得以普及，条形码也叫一维码，缺点是，它的容量非常有限，最多能容纳20个英文字符和数字，日本的原昌宏投入了二维码的研发，一年半后，几经曲折，二维码诞生了。

二维码共有40个版本，每个版本有固定的码元数，version 1的码元数为21码元×21码元，version 2的码元数为25码元×25码元，每个版本横向和纵向各自以4码元为单位递增，以此类推

一维码和二维码

二维码翻译成英文为QR Code，全称为Quick Response Code，即快速响应码，原昌宏在研发二维码之初，两个重点，一个是可以容纳大量信息，另一个就是可以快速读取。二维码相较于一维码，其优点显而易见，以下是两者之间的差异

类型	差异
一维码	1、容量较小：30个字符左右 2、只能包含字母和数字 3、尺寸相对较大（空间利用率低） 4、遭到破坏后无法读取
二维码	1、数据容量大 2、超越了数字字母的限制 3、尺寸相对较小 4、被破坏依然可以被读取

二维码图形拆解

在继续深入了解二维码之前，先观察二维码图片，了解一些基本概念

二维码左上角、右上角以及左下角都有一个回形方块，右下方有一个小的回形方块，他们的作用是什么？剩下的都是一些类似于像素点的黑白方块，他们是怎么来的？

三个大方块，即位置探测图形，用来标记二维码的大小和方向
定位图形：二维码图形过大时，扫码容易畸形，定位图形就来防止畸形的产生
校正图形：版本2及以上才有
格式信息：包括纠错等级、掩码类别
版本信息：二维码的版本
数据和纠错码字：数据码和纠错码

出现了一些新概念，暂时不理解不要紧，往下看

二维码优点

二维码相较于一维码更好的地方，就是它的优点，总结一下二维码的优点：

1、存储大容量信息

一图胜千言，一个小小的二维码，可以存储成百上千个字符，具体容量跟二维码的版本有关
最小的版本1能存储41个数字 || 25个英文+数字 || 10个汉字
最大的版本40能存储7089个数字 || 4296个英文+数字 || 1817个汉字

2、在小空间内打印

相对而言，二维码占用的空间比一维码小得多

3、有效处理各种文字

二维码可以存储各种文字，因为最终都是转换成二进制

4、具备纠错能力

二维码小部分破损，仍然可以被读取，因为二维码有纠错能力，纠错能力还分为4个级别，分别是：

• L级，恢复率7%
• M级，恢复率15%
• Q级，恢复率25%
• H级，恢复率30%

级别越高，纠错能力越强，但由于数据量会随之增加，二维码尺寸也会变大。
纠错级别的恢复率，是指全部码字与可以纠错的码字的比例。例如，一共有100个码字（数据码），要对其中50个进行纠错，纠错级别为Q，则需要纠错码的个数等于50/0.25 - 100 = 100，也就是需要100个纠错码，加上数据码一共200个码字。

码字是什么概念？1个码字 = 8个码元，一个码元 = 1bits

5、360度方向读取

二维码可以从任何角度读取

6、支持数据合并

一个二维码可以拆分为多个，多个也可以合并为一个

安全性

2018年9月，出现了一些二维码，iPhone扫码后，立刻重启，这是因为二维码指向一个包含成千上万个div，设置了特定的样式，耗尽了iPhone的资源，而触发了iPhone的自我保护机制，重启了。这正是事物的两面性，二维码带来便利的同时，也存在一些安全问题。

扫描二维码可以跳转到指定URL，是因为URL转换为二进制存储在二维码里面，因此所有基于URL的攻击，二维码都可能存在，网络钓鱼、传播恶意软件、SQL注入、XSS……，可能二维码本身就是恶意URL编码生成的，也可能是正常的二维码被篡改为恶意的，针对前者，要做的就是不去扫描来源不明的二维码，针对后者，解决方式无外乎两种：

第一种：非对称加密，二维码生产者用私钥加密，解码工具用生产者的公钥解密，类似于证书校验。
第二种：将二维码生成hash值，和URL一起编码到二维码内容里，解码工具将扫描到的二维码内容生成hash，与二维码内自带的hash比对一致，意味着二维码没有被篡改过。

二维码生成原理

生成原理，重点是数据码和纠错码的生成

数据码的生成

先上4个表

表1，模式编号指示器

Mode	Indicator
数字	0001
字母数字	0010
8位字节	0100
日文	1000
中文	1101
……	……

表2，字符计数指示器中的位数

表3，字符映射表

表4，二维码版本对应的码字数（第2列）和纠错码数（第4列）

案例：将数字01234567编码，指定版本为1，纠错级别为Q

1、将数字3位为1组，分为3组：012，345，67

2、分别将3组数字转换成二进制，二进制长度为10（查表2，可知版本1-9，数字位数为10），012转成0000001100，345转成0101011001，67转成1000011，最后的67转换的长度为什么不是10位而是7位？分组后，不足3位的组，转换为4位或7位

3、把数字的个数转成二进制：01234567长度为8，8的二进制是0000001000，长度同样是10位

4、把数字编码的标志0001（查表1可得）和第3步的编码加到前面，得到如下编码

模式编号	字符数	数据编码
0001	0000001000	0000001100 0101011001 1000011

5、在末尾加上结束符，结束符固定为4个0，得到如下编码

模式编号	字符数	数据编码	结束符
0001	0000001000	0000001100 0101011001 1000011	0000

如果编码长度不是8的倍数，需要在后面继续补0，目前一共是83bits，需要补5个0，得到

模式编号	字符数	数据编码	结束符	不是8的倍数补0
0001	0000001000	0000001100 0101011001 1000011	0000	00000

6、未达到最大bits数限制（每个版本都有最大bits上限，查表4可得，版本1，纠错级别Q，总码字数26，纠错码占了13个码字，那么数据码为26 - 13 = 13个码字，最大bits数限制为13*8 = 104bits），末尾加补齐码，重复11101100 00010001直到达到最大限制，得到

模式编号	字符数	数据编码	结束符	不是8的倍数补0	补齐码
0001	0000001000	0000001100 0101011001 1000011	0000	00000	11101100 00010001

以上编码即为数字01234567的数据码，字符（英文+数字）的编码略有不同，相同的是编码都很繁琐

纠错码的生成

纠错码，使得有些二维码污损了也能扫码解析，主要是通过里德-所罗门纠错算法(Reed-Solomon Error Correction)实现的，这个算法，比较复杂，感兴趣的可以看看相关链接

• 纠错码的数学背景
• 纠错码的生成

二维码绘制

有了数据码和纠错码，就可以开始绘制二维码了，对照上文的二维码拆解图，绘制分为以下几步

1、 位置探测图形：不管二维码版本是多少，位置探测图形固定为7×7码元

2、 定位图形

3、 校正图形：不管二维码版本是多少，位置探测图形固定为5×5码元

4、 格式信息，包括纠错等级、掩码类别：格式信息固定为15bits，其中5bits数据位，10bits纠错位

• 5bits数据位中，2bits表示纠错等级，3bits表示掩码类别

纠错等级编码表

纠错等级	二进制编码
L	01
M	00
Q	11
H	10

掩码，是在填充完数据码和纠错码之后，和数据区（包括数据码和纠错码）进行异或运算，让二维码中黑色块和白色块分布得更均匀一些，便于解码

掩码类别共有8种，二进制编码分别是000、001、010、011、100、101、110、111，下面的图片印刷有误，最后两种编码写成一样，计算表达式也写成一样，实际最后一个编码为111，计算表达式为 ((ij)mod 3 + (i + j)mod 2) mod 2 = 0，很多文章都没有纠正这一点

5、版本信息：版本7及以上的二维码才需要加入版本信息

6、填充数据码和纠错码：数据码和纠错码都是一串长长的二进制数，每8bits为一块，即一个码字，填充顺序从右下角往上逐个填充，到顶后再从上往下填充，以此类推，如下图

以下是一个版本2，纠错级别为M的二维码数据区示意图，先填充数据码，数据码填充完再填充纠错码，D开头的是数据码，E开头为纠错码

7、掩码：第4点讲到过，填充完数据区后，黑白点可能不均衡，会有大面积空白或黑色块，解码困难，掩码就是用来解决这个问题。将数据区的二进制数，和掩码的二进制数进行异或运算，最终得到的图形，才是我们看到的二维码。

结语

回到本文开头，还有一个问题：二维码能存储视频/音频吗？答案当然是可以的，因为最终都是转换成二进制，但是，二维码容量实际只有1KB，要存储视频/音频，只能说理论上可以。

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