（通信与信息系统专业论文）二维码电子标签的安全技术研究.pdf

二维码电子标签的安全技术研究 摘要 二维码技术作为一种电子标签技术，是以计算机和光电技术发展为基础的一 项综合性科学技术，是信息采集，输入的重要方法和手段二维码技术在物流，生产 自动化，电子商务各领域被广泛的应用的同时，产生了一系列的安全问题尤其是 电子商务领域，由于相关数据比较敏感，因此对安全的需求也比较高，在这一背景 下，研究二维码技术的安全应用问题是相当有必要的 二维码技术的安全应用主要靠数字加密技术来实现的数字加密算法按照密 钥种类，分为对称加密算法和非对称加密算法两种其中，非对称加密算法可以实 现数字加密和数字签名两种功能，所以本文讨论了非对称加密算法本文提出了一 套基于p k i 公钥体系的二维码安全应用方案 本论文共分五章：第一章概括介绍本项目的研究背景，讨论二维码技术相对于 其他几种电子标签技术的技术优势，介绍条码技术的发展历史和研究现状，提出二 维码安全技术的研究方法和开发工具：第二章选取d a t a m a t r i x 二维码作为研究对 象，介绍d a t a m a t r i x 码的基本特性和图像结构，分析编码和解码的过程，并讨论了一 些相关技术；第三章首先介绍了数字安全技术，数字安全主要是通过数字加密技术 来保证的，而加密技术包括对称加密和非对称加密两种，文章重点介绍了后者，简 单介绍了p k i 公钥加密体系的相关知识；通过对非对称加密算法r s a 算法基础知 识的讨论，分析了r s a 算法的两种应用模式：第四章提出了基于p k i 体系的二维码 安全应用体系，包括密钥生成管理模块，d a t a m a t r i x 码生成模块和d a t a m a t r i x 码识 别模块，分别对应了p k i 体系中认证中心，服务提供商和用户三种角色；第五章介 绍了二维码的几种应用，包括电子票券，防伪标签和二维码网络标签等，通过使用 第四章中提到的安全应用体系，均可以实现二维码的安全使用 本文初步提出了基于p k i 体系的二维码安全应用体系，并编码实现了 d a t a m a t r i x 码的编码和解码软件，同时实现编码信息的加密和解密，但是在体系三 种角色问的密钥管理和交换方面，仍有需要改善的地方，需要得到进一步提高 关键词：电子标签，d a t a m a t r i x ，p k i ，r s a t h e s t u d yo fs e c u r i t yt e c h n o l o g yo f t w o d i m e n s i o n a lc o d e b a ra s e l e c t r o n i ct a g a b s t r a c t t w o d i m e n s i o n a lb a r c o d et e c h n o l o g y , a sa l le l e c t r o n i ct a g g i n gt e c h n o l o g y , i sa c o m p r e h e n s i v es c i e n c ea n dt e c h n o l o g yb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i c t e c h n o l o g ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y i tc a nb eu s e df o rc o l l e c t i o na n ds t o r a g eo f i n f o r m a t i o n t w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d et e c h n o l o g yh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di n l o g i s t i c s ，t r a n s p o r t a t i o n ，p r o d u c t i o na u t o m a t i o na n de l e c t r o n i cc o m m e r c e ，a tt h es a m e t i m e ，i tb r i n g so nas e r i e so fs e c u r i t yi s s u e s ，p a r t i c u l a r l yi nt h ea r e ao fe l e c t r o n i c c o m m e r c e ，b e c a u s et h ed e m a n df o rs e c u r i t yi sr e l a t i v e l yh i g h ，t h e r e f o r e ，t h es t u d yo f s e c u r i t yo ft w o d i m e n s i o n a lb a r c o d ea p p l i c a t i o ni sv e r yn e c e s s a r y t h es e c u r i t yo ft w o d i m e n s i o n a lb a r c o d ea p p l i c a t i o n sm a i n l yr e l yo nd i g i t a l e n c r y p t i o nt e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , as y s t e mo ft w o - d i m e n s i o n a lc o d es e c u r i t y a p p l i c a t i o n sb a s e do np k it h e o r yi sb r o u g h t o n t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s i nc h a p t e ro n e ，i tg i v e sa no v e r v i e wo f t h ep r o j e c t sb a c k g r o u n d ，a n dg i v e st h ec o m p a r i s i o nb e t w e e nt h et w o d i m e n s i o n a lb a r c o d ea n ds o m eo t h e re l e c t r o n i ct a g g i n gt e c h n o l o g y , s u c ha sr f i d ，n f ca n dz i g b e e a n di tt a l k sa b o u tt h eh i s t o r ya n dr e s e a r c hs t a t u so fb a r c o d et e c h n o l o g y i nt h es e c o n dc h a p t e r , d a t a m a t r i xc o d ei ss e l e c t e da st h er e s e a r c ho b j e c t t h e a u t h o ri n t r o d u c e st h eb a s i cs t r u c t u r ea n di m a g ec h a r a c t e r i s t i c so fd a t a m a t r i xc o d e ， a n da n a l y s e st h ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gp r o c e s so fd a t a m a t r i xb a r c o d e a n ds o m e r e l e v a n tt e c h n o l o g i e si n c l u d i n gr e e d - s o l o m o nc o r r e c t i n gc o d ew e r ed i s c u s s e da tl a s t c h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e sd i g i t a ls e c u r i t yt e c h n o l o g ya tf i r s t d i g i t a ls e c u r i t yi s p r i m a r i l ye n s u r e db yd i g i t a le n c r y p t i o nt e c h n o l o g y , w h i c h i n c l u d e ss y m m e t r i c e n c r y p t i o nt e c h n o l o g ya n da s y m m e t r i ce n c r y p t i o nt e c h n o l o g y t h ea r t i c l ef o c u s e so n t h es e c o n do n e ，a n db r i e f l yi n t r o d u c e ss o m er e l a t e dk n o w l e d g ea b o u tp k ip u b l i ck e y e n c r y p t i o ns y s t e mw h i c hu s e dt h ea s y m m e t r i cr s ae n c r y p t i o na l g o r i t h m a n da l s ot h e t w oa p p l i c a t i o nm o d e so fr s a a l g o r i t h mi sd i s c u s s e di nt h i sc h a p t e r i nt h ef o u r t hc h a p t e r , as y s t e mo ft w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d es e c u r i t ya p p l i c a t i o n s b a s e do np k it h e o r yi sb r o u g h to n t h es y s t e mi n c l u d e sm o d u l eo fg e n e r a t i o na n d m a n a g e m e n to fr s ak e y s ，d a t a m a t r i xb a r c o d eg e n e r a t i o nm o d u l ea n dd a t a m a t r i x b a r c o d ei d e n t i f i c a t i o nm o d u l e t h et h r e em o d u l e sc a nb eu s e db yc e r t i f i c a t i o nc e n t r e s ， s e r v i c ep r o v i d e r sa n du s e r si nt h ep k i s y s t e m i nt h el a s t c h a p t e r , s o m e t w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d e a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n g e l e c t r o n i cb i l l s ，s e c u r i t yl a b e l l i n ga n dt w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d en e t w o r kl a b e l s ，h a v e b e e nd i s c u s s e d u s i n gt h et h r e em o d u l e sm e n t i o n e di nc h a p t e rf o u ro ft h es e c u r i t y s y s t e m ，t h es a f e t yo ft w o d i m e n s i o n a lb a r c o d e sc a nb eg u a r a n t e e d t h i sp a p e rp u tf o r w a r da s e c u r i t ys y s t e mo ft w o - d i m e n s i o n a lb a r c o d ea p p l i c a t i o n d a t a m a t r i xc o d ee n c o d i n ga n dd e c o d i n gs o f t w a r eh a v eb e e n d e s i g n e d a n d r e a l i z e d b u tt h e r ei ss t i l lr o o mf o ri m p r o v e m e n to fm a n a g e m e n to fr s a k e y s i tn e e d s t ob ef u r t h e ri m p r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ct a g ，d a t a m a t r i x ，p k i ，r s a 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 本人签名： 脚日期：型塑墼困瑚 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印，缩印或其它复制手 段保存，汇编学位论文( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书 本人签名：熏查查 同期： 避掏簦星 导师签名：毫盐：箕 日期：一2 塑星：2 、一犯一 北京邮电大学硕上学位论文 1 1 引言 第一章绪论 在最近的2 0 年里，电子标签技术得到了快速的发展，已经被广泛应用于物流， 仓储，医疗卫生，图书管理，邮政，铁路，交通运输，生产自动化管理等数字化城市建设 的各个领域电子标签技术的广泛应用，极大地提高了数据采集和信息处理的速度， 改善了人们的工作和生活环境，提高了工作效率，为管理的科学化，规范化和现代 化做出了重要的贡献 1 2 研究背景 1 2 1 主流电子标签技术的比较 目前比较流行的电子标签技术包括r f i d ( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技 术，z i g b e e 技术，n f c ( n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ) 技术和条形码技术等 r f i d 指的是射频识别，一套完整的r f i d 系统由r f i d 标签，解读器和数据处 理系统三部分组成当解读器遇见r f i d 标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签 从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读 器，解读器把它转换成特定的数据数据处理系统就可以处理这些数据从而进行管 理控制 z i g b e e 是一个由可多到6 5 0 0 0 个无线数据传输模块组成的一个无线数据传输 网络平台，十分类似现有的移动通信的c d m a 网或g s m 网，每一个z i g b e e 网络数 据传输模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互 通信每个z i g b e e 网络节点不仅本身可以与监控对象通信，它还可以自动中转别 的网络节点传过来的数据资料；除此之外，每一个z i g b e e 网络节点( f f d ) 还可在 自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点( r f d ) 无线连接 n f c 即近距离无线通讯技术由飞利浦公司和索尼公司共同开发的n f c 是一 种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备，消费类电子产品，p c 和智能控件工 北京邮 u 人学硕l 学位论文 具间进行近距离无线通信n f c 提供了一种简单，触控式的解决方案，可以让消费 者简单直观地交换信息，访问内容与服务n f c 将非接触读卡器，非接触卡和点对 点( p e e r - t o p e e r ) 功能整合进一块单芯片，为消费者的生活方式开创了不计其数的 全新机遇这是一个开放接口平台，可以对无线网络进行快速，主动设置，也是虚拟 连接器，服务于现有蜂窝网络，蓝牙和无线8 0 2 1 1 设备 条码技术包括一维条码和二维条码两种，其中一维条码技术已经相当成熟，在 自动控制，商品流通和资料管理等各个领域得到了广泛的应用近2 0 年，二维码技 术得到了长足的发展，由于其自身优势，二维码的应用前景也是想当的被看好 r f i d 技术，z i g b e e 技术，n f c 技术都是依赖电磁波传输的无线射频标签条码 技术和无线射频标签技术各有优劣，凭借各自的技术特点和优势在各行各业均有 广泛的应用 无线射频技术在标签容量，读取距离，高速读取等方面有着较大的优势，在某些 领域应用的很广泛，但是条码技术同样有着自身的技术优势，在一些领域可以发挥 不可替代的作用 ( 1 ) 易用性 对于条码来说，条码图像可以由手机，p c 等多种设备生成，而且不仅可以在报 刊杂志等纸张上印刷，还可以印刷在塑料，金属部件上，对印刷机器的要求也不是 很高，条码的读取也是比较简单的然而制作无线射频标签需要比较复杂的设备和 技术，读取无线射频标签也需要专业的设备考虑到制作和读取两方面的复杂度， 条码标签在易用性上优于无线射频标签 ( 2 ) 手机应用 手机二维码是条码技术的一个重要应用领域，条码图像可以方便的通过无线 网络在手机间传输，拥有摄像头的手机也可以方便的读取识别条码图像，目前基于 手机二维码的应用非常多，在这一点上是无线射频技术无法比拟的 ( 3 ) 制作成本 条码标签的制作成本非常小，几乎可以忽略不计，而无线射频标签的成本相对 较高，一个r f i d 标签的成本大概在5 1 0 美分之间，一个n f c 标签的成本更是高达 l 美元由于一些技术优势，无线射频在跟踪大宗货物等应用中的优势较大，但是考 虑到成本因素，无线射频标签显然就不适用于物品数量非常大的超市和物流应 用中，这时条码标签就能充分发挥自身的技术优势 1 2 2 条码技术的发展历史 条码最早出现在上世纪4 0 年代，但得到实际应用和发展还是在上世纪7 0 年 代左右现在世界上的各个国家和地区都已普遍使用条码技术，而且它正在快速的 北京邮电大学硕士学位论文 向世界各地推广，其应用领域越来越广泛，并逐步渗透到许多技术领域 上世纪4 0 年代，美国人n o r mw o o d l a n d 和b e r n a r ds i l v e r 申请了条码技术的专 利，当时的条码是环状的，象一个箭靶，通过黑白颜色的变换来记录信息，但这种条 码的信息密码是相当低的，能表达的信息也很少 上世纪8 0 年代初，人们围绕提高条码符号的信息密度，开展了多项研究1 2 8 码 和9 3 码就是其中的研究成果1 2 8 码于1 9 8 1 年被推荐使用，而9 3 码于1 9 8 2 年使 用这两种码的优点是条码符号密度比较高，能够充分满足当时的应用需要 从上世纪8 0 年代中期开始，我国一些高等院校，科研部门及一些出口企业，把 条形码技术的研究和推广应用逐步提到议事同程一些行业如图书，邮电，物资管 理部门和外贸部门已开始使用条形码技术1 9 8 8 年1 2 月2 8 日，经国务院批准，国家 技术监督局成立了中国物品编码中心该中心的任务是研究，推广条码技术，同时 组织，协调，管理我国的条码工作【l 】【2 1 1 2 3 一维条形码技术 一维条形码只是在一个方向( 一般是水平方向) 表达信息，而在垂直方向则不 表达任何信息，其一定的高度通常是为了便于阅读器的对准 世界上约有2 2 5 种以上的一维条形码，每种一维条形码都有自己的一套编码 规格，规定每个字母( 可能是文字或数字) 是由几个线条( b a r ) 及几个空白( s p a c e ) 组 成，以及字母的排列一般较流行的一维条形码有3 9 码，e a n 码，u p c 码，1 2 8 码，以 及专门用于书刊管理的i s b n ，i s s n 等表1 1 列出了一些具有代表性的一维条形 码的诞生年度，发明人等信息表1 2 列出了一些一维条形码标准的制定年代 表1 1 ：一维条形码发明年代表 时间条码名称发明人或组织说明 b u l l 、se y ejw o o d l a n d ，b 1 9 4 9第一种条码 c o d es i l v e r 1 9 7 3 u p ci b m第一种大规模应用的码 1 9 7 43 9 码c a l l i a s第一个商业性条码 1 9 7 6e a ne a n 组织 1 9 8 1c o d e1 2 8 1 9 8 3c o d e9 3 表1 2 ：一维条形码标准制定年代表 时间条码名称 标准名称 1 9 8 2c o d e3 9 m i l i t a r ys t a n d a r d118 9 北京邮i 【1 人学顾i ：学位论文 1 9 8 3c o d e3 9 ，c o d e b a ra n s im h l o 8 m 1 9 8 4 u p c a n s im h l o 8 m 1 9 8 4c o d e 3 9a i a g 1 9 8 4c o d e3 9h i b c c o d e 3 9 码是i n t e r m e c 公司于1 9 7 4 年发明的条码码制，是世界上最为广泛使用 的条码码制之一，尤其是非零售行业c o d e 3 9 码且有编码规则简单，误码率低，所能 表示字符个数多等特点，因此在各个领域有着极为广泛的应用 e a n 码( e u r o p e a na r t i c l en u m b e r ) 也称通用商品条形码，由国际物品编码协会 制定，通用于世界各地，是目前国际上使用最广泛的一种商品条形码e a n 商品条 形码分为e a n 一13 ( 标准版) 和e a n 一8 ( 缩短版) 两种 c o d e1 2 8 码歼始于1 9 8 1 年推出，是一种长度可变，连续性的字母数字条码，具 有完整性，紧密性，连结性及高可靠度的特性1 2 8 码在生产自动化方面有着广泛的 应用 u p c 码( u n i v e r s a lp r o d u c tc o d e ) 是美国统一代码委员会( u c c ) 制定的商品条 码，它是世界上最早出现并投入应用的商品条码，在北美地区得以广泛应用u p c 码在技术上与e a n 码一致u p c 码有5 种版本，常用的商品条码版本为u p c a 码 和u p c e 码u p c a 码是标准的u p c 通用商品条码版本，u p c e 码为u p c a 的 压缩版 i s b n 码( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r db o o kn u m b e r ) 也称国际标准书号，于1 9 6 6 年1 1 月提出，由国际国际标准书号管理局统一管理，目前适用于世界范围内的出版业， 所有的合法出版物均有唯一的i s b n 号码 i s s n 码( i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r ds e r i a ln u m b e r 也称国际标准期刊号根据国际 标准组织1 9 7 5 年制订之i s o 3 2 9 7 的规定，由设于法国巴黎的国际期刊资料系统 中心所赋予申请登记的每一种刊物一个具有识别作用且通行国际间的统一编号 上面提到的一些主流的一维条形码图示如图1 1 北京邮 【l 大学顾十学位论文 1 2 8 码 啪 i l i i | l i l i i i i l | | liiiiiu l u l i i i i i i iiiiii i i l u i l i r i liil r i l t liil l ll l l l ll l | i l l ! t 1 1 1iiillj!iiiti i i i i l i s s 鹏 璩c 一 码 图1 1 ：主要的一维条形码示意图 一维条形码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，但是一维条形码也 存在一些不足之处： ( 1 ) 数据容量较小，一个一维码图形只能容纳约3 0 个字符的信息； ( 2 ) 只能包含字母和数字； ( 3 ) 条形码尺寸相对较大，空间利用率较低； ( 4 ) 条形码遭到损坏后便不能阅读，没有纠错能力 1 2 4 二维条形码的提出 随着资料自动识别技术的发展，用条形码符号表示更多信息的要求与日俱增， 而一维条形码最大数据长度通常不超过3 0 个字符，故多用以存放关键索引值 ( k e y ) ，仅可作为一种数据标识，不能对产品进行描述，因此需透过网络到数据库抓 取更多的数据项，因此在缺乏网络或数据库的状况下，一维条形码便失去意义 要提高条码的信息数据密度，又要在一个固定面积上印出所需数据，可用二种 方法来解决：在一维条形码的基础上向二维条形码( 以下均简称二维码) 方向扩展； 或者利用图像识别原理，采用新的几何形体和结构设计出二维码 前者发展出堆叠式( s t a c k e d ) 二- 维码，后者则有矩阵式( m a t r i x ) 一- 维码之发展，构 成现今二维码的两大类型p j ( 1 ) 堆叠式行排式二维码 堆叠式行排式二维码( 又称堆积式二维码或层排式二维码) ，其编码原理是建 立在一维条码基础之上，按需要堆积成二行或多行它在编码设计，校验原理，识读 方式等方面继承了一维条码的一些特点，识读设备与条码印刷与一维条码技术兼 容但由于行数的增加，需要对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一 维条码有代表性的行排式二维码有：旭感c m ，c o d e4 9 ，p d f 4 1 7 等 北京邮电人学硕，j j 学位论文 ( 2 ) 矩阵式二维码 短阵式二维码( 又称棋盘式二维码) 它是在一个矩形空问通过黑，白像素在矩 阵中的不同分布进行编码在矩阵相应元素位置上，用点( 方点，圆点或其他形状) 的 出现表示二进制”l ”，点的不出现表示二进制的”0 ”，点的排列组合确定了矩阵式二 维码所代表的意义矩阵式二维码是建立在计算机图像处理技术，组合编码原理等 基础上的一种新型图形符号自动识读处理码制具有代表性的矩阵式二维码有：旭 感g m 码和g m u 码，m a x ic o d e ，q rc o d e ，d a t a m a t r i x 等 常见的二维码有： q r 码 一 p d f 4 1 7 码 1 2 5 二维码的研究现状 图1 - 2 ：常见二维码示意图 m a x ic o d e 国外对二维码技术的研究始于2 0 世纪8 0 年代末在二维码符号表示技术研究 方面，已经提出了多种码制，常见的有p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e 1 6 k ，d a t a m a t r i x 等这些二维条码的密度都比传统的一维条码有了较大的提高 在二维码标准化研究方面，国际自动识别制造商协会( a i m ) ，美国标准化协会 ( a n s i ) 已经完成了p d f 4 1 7 , q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k 等码制的符号标准国际 电工委员会第1 联合委员会的第3 1 分委员会，即条码自动识别技术委员会 ( i s o i e c j t c i s c 31 ) ，起草了p d f 417 ，c o d e16 kd a t am a t r i x ，m a x ic o d e 等二维 码的i s o i e c 标准草案在二维条码设备开发研制，生产方面，美国，日本等国的设 备制造商生产的识读设备，符号生成设备，已广泛应用于各类二维码应用系统 北京邮电大学硕j ：学位论文 二维码作为一种全新的信息存储，传递和识别技术，自诞生之日起就得到了世 界上许多国家的关注在世界范围内，二维码不仅应用于海关，税务等部门对各类 报表和票据的管理，物流业对商品及货物运输的管理，工业生产领域对生产的自动 化管理 1 9 9 1 年4 月，中因物品编码中心代表我国加入国际物品编码协会e a n ，为全面 开展我国条码技术创造了先决条件我国对二维码技术的研究开始于1 9 9 3 年中 国物品编码中心对几种常用的二维码p d f 4 1 7 ，q rc o d e ，d a t a m a t r i x ，c o d e4 9 ， c o d e1 6 k 的技术规范进行了翻译和跟踪研究在国外相关技术资料的基础上，制 定了两个二维码的国家标准：g b t 1 7 1 7 2 1 9 9 7 四一七条码，g b t1 8 2 8 4 2 0 0 0 快速响应矩阵码二维条码技术己在我国的汽车行业自动化生产线，零售业优 惠票券银行汇票上得到了应用；1 9 9 9 年在北京举行的全国人大第九届三次全体会 议和全国政协第九届三次会议期间，在随行人员证件、记者证、旁听证上成功地 应用了二维码技术，引起了与会代表和新闻届的极大关注香港特别行政区己将二 维码应用在特别行政区的护照上 1 3 研究意义 在二维码的使用过程中会遇到各种安全问题，这些问题可能来自自然和人为 两个方面由于二维码标签的制作和保存环境多种多样，标签难免遭到破坏，使用 者在读取时就会遇到问题另外二维码也可以应用于电子商务领域，这样就可能会 受到用心不良者的破坏，有可能会出现伪造或篡改等现象这两类安全问题都是二 维码得到应用前需要得到解决的 要实现二维码的安全应用，需要保证一下几点： ( 1 ) 可用性 指的是二维码标签可以被授权者无障碍的使用，使用的过程应该能完成身份 验证，访问控制等功能 ( 2 ) 机密性 保证二维码标签是被合法授权者使用需要对敏感的，有价值的信息进行加密， 这样即使数据被截获，接收者也无法得到实际的内容 ( 3 ) 完整性 要求条码在被解析时，解码者需要对条码数据进行检验，杜绝数据出现被删减， 修改，伪造和乱序等错误，保证应用的安全 以上提出的三个问题均可以借助数字加密的安全机制来得到解决我们可 以使用数字证书，通过运用数字加密技术建立起一套严密的身份认证系统，从而保 北京邮 u 人学硕一 ：学位论文 证：信息除发送方和接收方外不被其它人窃取；信息在传输过程中不被篡改；发送 方能够通过数字证书来确认接收方的身份：发送方对于自己的信息不能抵赖 1 4 研究方法和开发工具 1 4 1 研究方法 首先对二维码技术研究现状进行分析，分析在现有的二维码应用中遇到的身 份认证和安全的问题，尝试提出解决这些问题的办法，并设计一个系统来完成条码 制作方和使用方之间认证的功能分析系统的主要功能模块，设计功能模块之间的 业务流程，编码实现各个功能模块 1 4 2 开发工具 本项目使用v i s u a ls t u d i o n e t2 0 0 5 进行二维码制作和解析软件的丌发在条 码制作软件中，会用到一些互联网上发布的丌发组件 1 5 本课题的研究内容及安排 本论文共分五章： 第一章概括地介绍了该课题的研究背景和研究方法与工具： 第二章简单地介绍了二维码技术的发展历史和研究现状，选取了d a t a m a t r i x 码作为研究对象，讨论了d a t a m a t r i x 码的相关技术； 第三章首先介绍了数字安全技术的概念，分析了加密技术的分类，由于要实现 数字签名，选取了r s a 算法作为加密算法，并分析了该算法的实现原理； 第四章介绍了d a t a m a t r i x 码的制作和读取软件的设计方案，软件架构和具体 的设计细节； 第五章重点介绍了二维码在数字化城市的一些安全应用，如何通过前面的软 件来实现安全应用 北京邮电人学硕l 学位论义 第二章d a t a m a t r ix 二维码 2 1 d a t a m a t ri x 二维码 d a t a m a t r i x 二维码原名d a t a c o d e ，是在1 9 8 9 年由美国的国际数据资料公司 ( i n t e r n a t i o n a ld a t am a t r i x ，简称i dm a t r i x ) 发明的d a t a m a t r i x 二维码是一种矩阵式 二维码，其发展的构想是希望在较小的条码标签上存入更多的资料量d a t a m a t r i x 二维码的最小尺寸是目前所有条码中最小的，尤其特别适用于小零件的标识，以及 直接印刷在实体上 d a t a m a t r i x 是在国际制造领域广泛使用的二维码它的印刷特征使得它成为 目前唯一支持可以直接标记( 印刷，刻制，光刻，腐蚀，冲压等方式) 在产品或零部件 表面的编码它的高效容错性能使它可以承受制造或流通过程中对零部件表面标 识的污染，因此非常受制造业的欢迎针对各种不同的应用，国际上已经颁布了多 种形式的d a t a m a t r i x 符号标准体系 d a t a m a t r i x 最初是通过a i m u s a 面向公共领域发布，目前d a t a m a t r i x 被一份 名为i s o i e c16 0 2 2 一i n t e r n a t i o n a ls y m b o l o g ys p e c i f i c a t i o n ，d a t a m a t r i x 的i s o 标准 所覆盖，并公开发布，这意味着这份它可以免费使用而不需要专门的授权和使用 费 u c c ( u n i f o r mc o d ec o u n c i l ) 对d a t a m a t r i x 最终是否能够成为二维码载体进 行审批u c c 是国际e a n 组织成员，负责推进全球供应链的全部环节的标识和商 业通讯标准 d a t a m a t f i x 二维码又可分为e c c 0 0 0 1 4 0 与e c c 2 0 0 两种类型，e c c 0 0 0 1 4 0 具有多种不同等级的错误纠正功能，而e c c 2 0 0 则透过r e e d s o l o m o n 演算法产生 多项式计算出纠错码，其尺寸可以按照需求印成不同大小，但采用的纠错码应与尺 寸配合，由于其演算法较为容易，且尺寸较有弹性，故e c c 2 0 0 应用地较为普遍，本 文仅介绍e c c 2 0 0 类型的d a t a m a t r i x 二维码，以下所说的d a t a m a t r i x 二维码事实 上都是针对e c c 2 0 0 而言 2 1 1 基本特性 d a t a m a t r i x 二维码的外观是一个由许多小方格所组成的正方形或矩形符号， 其信息的储存是以浅色与深色方格的排列组合，- - 积j ( b i n a r yc o d e ) 方式来编 北京邮l u 人学倾：l ：学位论文 码，所以计算机可直接读取内容，而不需要如传统一维条码的符号映射表 ( c h a r a c t e rl o o k u pt a b l e ) 深色代表”1 ，浅色代表”o ”，再利用成串( s t r i n g ) 的浅色 与深色方格来描述特殊的字符信息，这些字串再列成一个完整的矩阵式码，形成 d a t a m a t r i x 二维码，再以不同的印表机印在不同材质表面上由于d a t a m a t r i x 二维 码只需要读取图像的2 0 即可精确辨读，因此很适合应用在条码容易受损的场所， 例如印在暴露于高热，化学清洁剂，机械剥蚀等特殊环境的零件上 d a t a m a t r i x 二维码的尺寸可任意调整，最大可到1 4 平方英寸，最小可到0 0 0 0 2 平方英寸，这个尺寸也是目前一维与二维码中最小的，因此特别适合印在电路板的 零组件上另一方面，大多数的条码的大小与编入的信息量有绝对的关系，但是 d a t a m a t r i x 二维码的尺寸与其编入的信息量却是相互独立的，因此它的尺寸比较 有弹性【7 】 d a t a m a t r i x 二维码具有以下特性： ( 1 ) 可编码字符集包括全部的a s c i i 字符及扩充a s c i i 字符，另外支持 c 4 0 ，t e x t ，x 1 2 ，e d i f a c t , b a s e2 5 6 等多种编码字符集： ( 2 ) 条码大小( 不包括空白区) 根据字符数不同而不同：1 0 x 1 0 1 4 4 x 1 4 4 ； ( 3 ) 符号类型和最大容量：最大可容纳15 5 6 个字节或2 3 3 5 个英文字母或31 1 6 个数字： ( 4 ) 错误纠正：透过r e e d s o l o m o n 算法生成多项式计算获得纠错码，不同尺寸 采用不同数量的纠错码 下面的表2 1 和表2 2 分别给出了正方形和矩形d a t a m a t r i x 图像的尺寸和数 据容量，纠错性能的具体关系： 表2 1 ：符号尺寸，容量和纠错性能( j 下方形) ： i 叠懿。j “_ ： ， ii ? “j 潍鬻匮馘爱i “| ；、，数据容量0ji 鲥每鸯性能 ?。 行列 全部 单元 单元纠错率 数数数据流数据量数 数字 字母 字节 错误擦除 1 01 08 x 88 x 8163l6 2 52 1 21 21 0 x 1 01 0 x l ol1 0635 8 33 1 41 41 2 x 1 21 2 x 1 211 61 065 5 6 5 7 1 61 61 4 x 1 41 4 x 1 41 2 41 6 1 0 5 06 9 1 81 81 6 x 1 61 6 x 1 613 62 51 64 3 87 11 2 02 01 8 x 1 81 8 x 1 814 4 3 l2 04 59 1 5 2 22 2 2 0 x 2 02 0 x 2 016 04 32 84 01 0 1 7 2 42 42 2 x 2 22 2 x 2 217 25 23 44 01 2 2 1 2 62 62 4 x 2 42 4 x 2 4l8 86 44 23 8 91 4 2 5 北京邮电大学硕一l 学位论文 3 2 3 21 4 x 1 42 8 x 2 841 2 49 16 03 6 71 8 3 3 3 63 61 6 x 1 63 2 x 3 241 7 21 2 78 43 2 82 1 3 9 4 04 01 8 x 1 83 6 x 3 642 2 81 6 91 1 22 9 62 4 4 5 4 44 42 0 x 2 04 0 x 4 042 8 82 1 41 4 22 82 8 5 3 4 84 82 2 x 2 24 4 x 4 443 4 82 5 91 7 22 8 13 4 6 5 5 25 22 4 x 2 44 8 x 4 844 0 83 0 42 0 22 9 24 2 7 8 6 46 41 4 x 1 45 6 x 5 61 65 6 04 1 82 7 8 2 8 65 6 1 0 6 7 27 2 1 6 x 1 6 6 4 x 6 4 1 6 7 3 65 5 03 6 62 8 17 2 1 3 2 8 08 01 8 x 1 87 2 x 7 21 69 1 26 8 24 5 42 9 69 6 1 8 0 8 88 82 0 x 2 08 0 x 8 01 61 1 5 28 6 24 5 72 81 1 2 2 1 2 9 69 62 2 x 2 28 8 x 8 81 61 3 9 21 0 4 26 9 42 8 11 3 6 2 6 0 1 0 4 1 0 42 4 x 2 49 6 x 9 61 61 6 3 21 2 2 28 1 42 9 21 6 8 3 1 8 1 2 0 1 2 01 8 x 1 81 0 8 x 1 0 83 62 1 0 01 5 7 31 0 4 82 82 0 4 3 9 0 1 3 21 3 22 0 x 2 01 2 0 x 1 2 03 62 6 0 81 9 5 41 3 0 22 7 62 4 8 4 7 2 1 4 4 1 4 42 2 x 2 21 3 2 x 1 3 23 63 1 1 62 3 3 51 5 5 62 8 53 1 0 5 9 0 表2 2 ：符号尺寸，容量和纠错性p , 、- 矩形) 尺寸“，。v 数据区域数据容量纠错性能