基于可視密碼的QR 碼安全支付方案?

譚亦夫 李子臣

（北京印刷學(xué)院信息工程學(xué)院 北京 102600）

1 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，信息傳遞方式已有了天翻地覆的變化，QR 碼作為一種全新的信息存儲與傳遞技術(shù)，在許多領(lǐng)域都起著關(guān)鍵作用。例如各種票務(wù)的防偽、身份識別、產(chǎn)品溯源與電子商務(wù)的應(yīng)用等。QR碼以識別速度快、數(shù)據(jù)密度大、占用空間小的優(yōu)勢，在移動支付方式中占著主要地位。但是傳統(tǒng)QR 碼容易被篡改，存在著安全隱患。例如媒體曝光過的詐騙手段，不法分子在車上貼罰單，并附有QR 碼“掃碼可繳費(fèi)”，類似此等的詐騙手段還有很多，基于日常生活消費(fèi)，公共事業(yè)繳費(fèi)等，編造虛假的繳費(fèi)信息通知或提示，誤導(dǎo)公眾掃描支付，實(shí)施欺詐。針對QR 碼移動支付安全問題［1～3］，已有學(xué)者提出VCS 與QR 碼結(jié)合進(jìn)行認(rèn)證的研究［4～11］，該研究方向已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

QR 碼由黑白模塊排列構(gòu)成，李麗娜［12］提出將QR 碼分為兩份分享圖像，然后將兩份分享圖像與載體QR 碼進(jìn)行融合，載體QR 碼中包含鏈接信息。一份融合后的含密QR 碼存放在商店并公開，另一份存儲在云端。支付時，通過讀取載體QR 碼中包含的鏈接信息，下載云端存儲的含密QR碼，將兩份分享圖像疊加獲得秘密QR 碼，從而進(jìn)行支付。但該系統(tǒng)基于模塊單元對QR 碼進(jìn)行分享，并且恢復(fù)步驟基于簡單的或運(yùn)算，攻擊者可以從公開的分享圖像中獲取秘密圖像部分信息，對圖像安全造成威脅。張舒等［13］提出使用有意義的圖像將秘密圖像掩蓋，降低圖像引起攻擊者注意的可能性，該方案使QR碼的隱秘性更高，但降低了實(shí)用性，普通掃描設(shè)備無法識別掩蓋后的圖像。Cheng Y等提出一個改進(jìn)的后的基于可視密碼的QR 碼加密方案［14］，獲得了較高的安全性與實(shí)用性，并加入了門限設(shè)置，使應(yīng)用場景更加廣泛。Wan S 提出將分享份直接生成新的QR 碼［15］，該方案使移動設(shè)備能夠更加方便地對秘密圖像進(jìn)行解密，優(yōu)化了使用性能的同時降低了圖像被攻擊的可能性。

針對上述問題，基于可視密碼技術(shù)，提出一種可驗(yàn)證的QR碼支付方案。使用基于像素級別的分享方案，拆分QR碼與驗(yàn)證圖像，將其中一份直接編碼生成QR碼，供用戶掃描，解決了掃描設(shè)備無法精確到像素級別的問題?；诖?，分享圖像上的像素點(diǎn)完全隨機(jī)，攻擊者無法根據(jù)單獨(dú)分享份篡改信息。利用多秘密可視密碼方案，對恢復(fù)的QR 碼進(jìn)行驗(yàn)證，提升QR碼的安全性。

2 相關(guān)基礎(chǔ)知識

2.1 可視密碼方案

在信息安全來越被重越視的今天，可視密碼作為一種安全領(lǐng)域的一種新興技術(shù)，成為了重要的研究熱點(diǎn)之一。可視密碼的概念由Naor 與Shamir 于1994 年提出［16］。是一種針對圖像，通過人眼視覺進(jìn)行解密的圖像加密技術(shù)。一幅秘密的二值圖像，經(jīng)拆分后，生成n份分享圖像，最后由k份分享圖像進(jìn)行疊加，解密結(jié)果可由人眼直接識別?？梢暶艽a還具有很多優(yōu)點(diǎn)。

1）隱蔽性

利用可視密碼的生成方案所得出的分享圖像的像素點(diǎn)均是隨機(jī)分布的，攻擊者看不出隱藏的秘密。

2）安全性

使用任何不滿足恢復(fù)條件的攻擊方法對圖像進(jìn)行研究都無法得到任何關(guān)于秘密圖像的信息。

3）簡單性

與傳統(tǒng)密碼技術(shù)不同的是，可視密碼的解密階段沒有計算性的步驟，只需要將分享圖像進(jìn)行疊加即可。

4）通用性

可視密碼無需使用者掌握密碼學(xué)知識，對使用者的要求低，適用范圍廣。

Naor和Shamir的可視密碼方案如下：

對二值秘密圖像的像素進(jìn)行拆分，以像素擴(kuò)展為4 的可視密碼方案為例，白色像素與黑色像素分別具有六種拆分方式。如表1。

表1 像素擴(kuò)展為4的可視密碼模型

以圖1 為例子，使用像素擴(kuò)展為4 的（2，2）VCS所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。將原圖像進(jìn)行拆分，得到的分享圖像為內(nèi)容毫無意義的圖像，從單個分享圖像中無法的到秘密圖像的任何信息。

圖1 （2，2）-VCS實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 QR碼

QR 碼（Quick Response）是一種二維條碼，可以被快速識別并解碼。相比傳統(tǒng)條形碼。QR碼可以存儲更多的信息，并且無需在掃描的時候?qū)?zhǔn)掃描器，可以自動定位，方便快捷。現(xiàn)如今，QR 碼越加受歡迎，第三方支付、信息查詢、信息交互，由于QR碼的普及，簡化了大量復(fù)雜的操作過程。

但是QR碼的安全性也因?yàn)樗陨淼拈_源性受到極大的挑戰(zhàn)，很容易受到攻擊，例如重編碼進(jìn)行病毒植入。

圖2 QR碼病毒植入

3 可驗(yàn)證QR碼支付方案設(shè)計

針對商業(yè)活動中QR 碼容易被攻擊篡改等問題，提出了一種帶認(rèn)證的QR 碼支付方案。系統(tǒng)流程如圖3。

選取一張與QR碼相同大小的驗(yàn)證圖像，與QR碼圖像一同加密，生成兩份分享，一份秘密存儲于云端，另一份與云端存儲地址共同生成QR 碼供用戶掃描。用戶通過掃描QR碼獲取分享份與云端地址，發(fā)送分享份至云端，云端通過解密疊加后，將還原的QR 碼與驗(yàn)證圖像發(fā)還用戶，用戶根據(jù)驗(yàn)證圖像確定QR碼的安全性。

圖3 系統(tǒng)流程圖

3.1 圖像拆分

生成的分享份中需要含有兩個秘密圖像，所以應(yīng)選取多密圖可視密碼方案。分享步驟如下。

1）像素拆分

基于或運(yùn)算，拆分秘密圖像，生成分享圖像。分享規(guī)則如表2所示。

表2 拆分規(guī)則

由于需要隱藏兩份秘密圖像，為減小分享份的大小，選取像素擴(kuò)展為2 的VCS，對兩張秘密圖像S1，S2進(jìn)行拆分。

2）分享生成

生成兩個空的分享矩陣K1，K2。設(shè)QR碼與驗(yàn)證圖像都是大小為260*260 的二值圖像，則兩個分享矩陣的大小為520*520。將K1，K2按2*2 大小分塊，得到，其中i，j ∈[1，260]。其中每個小塊的第一行存儲S1的分享像素，第二行存儲S2的分享像素。下面舉例說明。

設(shè)S1與S2的 像 素 值 分 別 為S1(1，0，0，1) ，S2(0，1，0，1) 。則 按 照 拆 分 規(guī) 則中的第一個行向量（0，1）與（1，0）是S1第一個像素1所拆分的分享份，第二行的行向量是S2中的第一個像素0 拆分所得分享份。按照同樣的規(guī)則對剩余的像素進(jìn)行加密，為使分享更加混亂，使其直觀上更像噪聲圖像，需要對圖像進(jìn)行置換。隨機(jī)選擇與，交換行向量。

為了讓秘密圖像分別顯示，需要對圖像進(jìn)行移位 變 換。選 定 位 移 量k1，k2…kn，其 中n=520，ki≤520，并將ki作為密鑰，存儲于云端服務(wù)器。根據(jù)ki對K2的各行像素依次進(jìn)行移位操作，位移量為ki，獲得，對進(jìn)行QR 編碼，生成可掃描的QR碼，供移動端掃碼。

3.2 解密驗(yàn)證

整個過程，用戶只需要掃描發(fā)送與接收解密后的QR 碼與驗(yàn)證圖像，用戶可根據(jù)接收到的驗(yàn)證圖像判斷QR 碼的安全性，驗(yàn)證圖像可設(shè)置為商家標(biāo)識，便于用戶識別。

解密后的QR碼由于像素的擴(kuò)展與多密圖信號的干擾，顯示出的密圖無法由掃描設(shè)備識別，需要對還原的QR碼做信號增強(qiáng)，提高圖像的識別率。

4 安全性分析

在Matlab2017中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，該算法應(yīng)用于移動支付的安全認(rèn)證當(dāng)中，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

1）該系統(tǒng)將付款碼分開管理，一份用于公開，一份秘密存儲于云端服務(wù)器中，攻擊者無法篡改付款碼。篡改的分享圖像無法通過移位認(rèn)證，保障了QR碼的安全。

2）認(rèn)證圖像隱藏的干擾沒有改變付款碼的信息，掃描設(shè)備可以正常解碼，經(jīng)過圖像增強(qiáng)的還原結(jié)果，完全能夠達(dá)到電子設(shè)備的識別要求。

3）圖像的恢復(fù)與驗(yàn)證只需要進(jìn)行簡單的移位變換與疊加即可完成，驗(yàn)證效率高。

4）分享圖片在直觀上與數(shù)據(jù)上，都類似噪聲圖像，無法從單獨(dú)的分享圖像中獲得任何有關(guān)付款碼與驗(yàn)證圖像的信息。以實(shí)驗(yàn)圖像為例，秘密圖像大小為260×260，分享圖像大小為520×520，在做位移處理時，每一行像素有519種位移量，共有520種可能性。即根據(jù)一張分享圖像恢復(fù)云端秘密存儲的圖像概率為(1/520)520。

根據(jù)上述總結(jié)，基于可視密碼的可驗(yàn)證QR 碼支付方案具有較高的安全性，攻擊者對單一分享的攻擊無法獲得另一分享的任何信息，更不能改變原始付款碼信息，有效杜絕了QR 碼信息篡改所造成的病毒植入等問題，提升了支付的安全性。

5 安全可驗(yàn)證QR碼支付方案的實(shí)現(xiàn)

5.1 圖像拆分結(jié)果

實(shí)驗(yàn)選取260*260 的圖像作為付款碼圖像與驗(yàn)證圖像，如圖4。

圖4 原始圖像

拆分圖像獲得分享圖K1、K2、移位生成的與包含的QR碼，如圖5。

圖5 分享圖像

5.2 圖像恢復(fù)結(jié)果

解密圖像與驗(yàn)證結(jié)果如圖6。

圖6 解密圖像

6 結(jié)語

為提高QR 碼支付的安全性，基于多密圖可視密碼技術(shù)提出了安全QR 碼支付方案，該方案允許用戶在進(jìn)行付款操作之前，驗(yàn)證QR碼的安全性，有效杜絕詐騙等違法行為。為了減少云端的數(shù)據(jù)量與運(yùn)算量，可以對加解密方式進(jìn)行改進(jìn)，減少密鑰長度，提高運(yùn)行速度。