69、QR码加密：轻量级范式

QR码加密：轻量级范式

1 QR码扫描体验实验结构

为评估QR码读取过程的用户满意度，开发了一款名为Barcode Satisfaction Tester（BarSTest）的安卓应用程序。该应用利用ZXing库扫描QR码，通过向用户提出各种问题，收集反馈和统计数据，以此评估条码扫描体验。扫描条码时，可能出现三种结果：
- 正确 ：条码被正确解读为QR码。
- 失败 ：条码被错误解读为QR码，即扫描仪从QR码图像中读取到其他条码格式。
- 取消 ：用户中止扫描。

每次成功读取后，用户会被邀请给出满意度等级，分为高、中、低三个级别。BarSTest会收集这些反馈和用户意见，并使用情感分析技术来了解QR码扫描体验中出现问题的原因。

为进行测试，打印了五种不同数据大小（100 - 400、500 - 800、900 - 1200、1300 - 1600和1700 - 2000字节）的QR码图像，图像尺寸为200×200像素，在96 DPI的屏幕上显示为5.29×5.29 cm。149名来自意大利和约旦的学生使用智能手机扫描了1000个包含随机数据的不同条码。大多数设备的相机分辨率约为8 - 16 MP，CPU至少为八核（2×2.0 GHz Cortex - A75 6×1.8 GHz Cortex - A55），内存为4 GB。

1.1 扫描时间（ST）和方差分析（ANOVA）

扫描时间的直方图显示，高、中、低三种满意度输出的分布均向右偏斜。这表明中位数和四分位距（IQR）比标准均值和标准差更适合作为描述性度量。因为数据分布偏斜，均值通常不在中间位置，中位数更能准确估计分布的中心。

以下是不同满意度水平下扫描时间的描述性统计数据：
| 满意度水平 | 最小非异常值 | Q1 | 中位数 | Q3 | IQR | 最大非异常值 |
| — | — | — | — | — | — | — |
| 高 | 0.85 | 2.7 | 4.1 | 5.9 | 3.1 | 10 |
| 中 | 1.4 | 4.7 | 7.3 | 14.4 | 9.7 | 26.7 |
| 低 | 0.78 | 5.6 | 14.4 | 27.4 | 21.8 | 56 |

此时的问题是，这些满意度水平之间的显著差异是否具有统计学意义，还是仅仅是随机变化导致的？为解答这个问题，进行了方差分析（ANOVA）测试。单因素方差分析是一种用于测试总体均值差异的统计方法，其F统计量的形式为F = MSB / MSE，对应一个p值，用于揭示事件发生的可能性。通常，p值小于0.05被认为具有统计学意义。

对数据进行了以10为底的对数变换，使数据更接近正态分布。然后进行ANOVA测试，提出以下零假设和备择假设：
- 零假设 ：所有考虑水平的总体均值相等，即Log(μ高) = Log(μ中) = Log(μ低)。
- 备择假设 ：至少有一个总体均值不同，即并非所有的Log(μ高)、Log(μ中)、Log(μ低)都相等。

测试结果显示，F(2, 352) = 52.23，p值 = 0.000，这表明在α = 0.05的误差水平下，三种满意度水平的总体均值存在显著差异。即使对数据进行了对数变换，结果也会进行反变换，以实际单位呈现，方便理解。以下是反变换后的均值和95%置信区间：
| 满意度水平 | N | 均值 | 95%置信区间 |
| — | — | — | — |
| 高 | 209 | 4.1 | (3.7, 4.6) |
| 中 | 99 | 8 | (6.9, 9.4) |
| 低 | 47 | 12.4 | (9.9, 15.4) |

可以看出，不同满意度水平的均值置信区间不重合，这意味着用户的满意度水平是可区分的。

2 轻量级加密机制评估

2.1 常见攻击类型

基于现代智能手机在实验中的使用情况，QR码加密算法的性能（延迟和吞吐量）在理想情况下能够实现。常见的加密算法攻击类型主要有以下几种：
- 线性密码分析 ：基于发现密码算法操作的仿射近似，适用于块密码和流密码。
- 积分密码分析 ：特别适用于具有替换 - 置换网络的块密码，也被称为Square和饱和攻击。该方法使用部分位置固定、部分位置遍历所有可能的选定明文。
- 代数密码分析 ：基于方程求解算法，由于其简单的格式（轮数少、代数复杂度低），适合轻量级实现。

2.2 常用轻量级加密算法

一些常用的轻量级加密算法（LWC）未受到上述攻击的影响，具体如下：
- 高级加密标准（AES） ：2001年被美国国家标准与技术研究院（NIST）正式采用的块密码算法。支持128、192和256位三种密钥长度，块大小为128位。提供高度安全的加密，可用于保密性，有三种模式：密码块链接（CBC）、输出反馈（OFB）和密码反馈（CFB）。使用Galois / 计数器模式（GCM）时，可保证认证和数据完整性。
- PRESENT ：2007年由Orange Labs、鲁尔大学波鸿分校和丹麦技术大学发明的轻量级块密码算法，已被ISO / IEC 29,192标准认可。块大小为64位，密钥长度可以是80位或128位。非线性层基于一个经过硬件优化的4位S盒。适用于低功耗和高芯片效率要求的场景，用于保密性。
- Camellia ：由日本三菱电机和NTT共同开发的对称密钥块密码算法。块大小为128位，支持128（需18轮）、192和256（需24轮）位三种密钥长度。用于保密性，安全级别和处理能力与高级加密标准相似。
- SPECK ：2013年由美国国家安全局（NSA）发布的常见轻量级块密码算法，用于提供保密性。该算法针对软件性能进行了优化，而其姊妹算法SIMON则针对硬件执行进行了优化。提供多种块和密钥大小选择，对于64位块和128位密钥，最有效的软件性能需要599个周期和186字节的ROM。

2.3 轻量级范式QR码安全工具

开发了一款轻量级范式QR码安全工具（LWC - QR），该工具采用轻量级对称机制，能够保证QR码内容的保密性、认证和数据完整性。它在特定框架中添加了访问控制列表（ACL），包括用户名、密码、加密模式和数据内容。ACL可以授权多层安全数据，并利用QR码的可用空间，以实现较高的用户满意度，支持QR码的可持续性。

以下是轻量级加密机制评估的流程：

graph LR
    A[确定实验设备] --> B[分析常见攻击类型]
    B --> C[评估常用加密算法]
    C --> D[开发安全工具LWC - QR]

3 结论

QR码的互操作性为众多企业带来了便利，其需求也急剧增加。然而，与其他技术一样，QR码内容若被恶意利用或包含无关信息，会带来安全风险。

通过分析用户对扫描时间的反馈，评估了条码扫描体验，并探讨了一些对称轻量级加密（LWC）算法的安全特性。结果表明，根据所需的安全性和可行性权衡，AES、PRESENT、Camellia和SPECK机制可用于生成安全的QR码。

4 未来展望

未来可以进一步扩展研究范围，将更多的块密码算法纳入评估，并与其他加密方法（如流密码）进行性能比较。这有助于更全面地了解不同加密算法在QR码安全中的应用，为实际应用提供更丰富的选择。

4.1 未来研究方向列表

• 研究更多块密码算法在QR码加密中的应用。
• 对比块密码算法和流密码算法在QR码安全方面的性能。
• 探索如何进一步优化轻量级加密机制，以提高QR码的安全性和扫描效率。

4.2 未来研究流程预测

graph LR
    A[选择更多块密码算法] --> B[进行性能测试]
    B --> C[与流密码算法对比]
    C --> D[优化轻量级加密机制]
    D --> E[提高QR码安全性和扫描效率]

4.3 不同加密算法特性总结表格

算法名称	密钥长度	块大小	适用场景	安全特性
AES	128、192、256位	128位	保密性、认证和数据完整性	高度安全，多种模式可选
PRESENT	80、128位	64位	低功耗、高芯片效率场景	轻量级，硬件优化
Camellia	128、192、256位	128位	保密性	安全级别和处理能力与AES相似
SPECK	多种选择	多种选择	软件性能优化	针对软件性能优化

通过持续的研究和改进，有望为QR码的安全应用提供更可靠的保障，推动QR码技术在更多领域的安全使用。