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手机没网了,却还能支付,这是什么原理?

现在生活已经离不开微信/支付宝电子支付,平常出去吃饭、购物只要带个手机,就可以解决一切,以致于现在已经好久没摸过真💰了。

有一次出去吃饭,排着队付钱,等着过程非常无聊,准备拔出手机来把荒野乱斗,却发现这个地方竟然连不上网 。

看着手机明明信号满格,但是就是显示网络无连接,苹果手机用户痛,谁用谁知道。

画外音:真的要 Diss 一下使用英特尔基带的 Iphone,📶好差,没事网络就会闪断~

说回正题,由于没有网络,而我又没带钱,所以就怕付钱的时候因为手机没网,没办法使用支付宝扣款。正想着时,已经排到了我,不管三七二十一,先用下支付宝试试,实在不行爷不吃了。

不过没想到,当商家用扫码抢扫描支付宝上付款码支付以后,虽然我的手机最终没有弹出支付成功的页面,但是商家端显示支付成功,并成功打印出了小票,过了一会,我的手机收到支付宝扣款短信。

因为我最近的工作对都是与微信/支付宝有关,整体支付流程还是比较清楚,但是付款码为什么能离线支付确实不是很清楚,所以研究了一番,于是有了今天的文章。

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科普支付方式

在聊付款码离线原理之前,我们先给不熟悉支付宝/微信支付方式同学先科普一下常见的两种支付方式。

微信、支付宝线下支付常用支付方式有两种,一种是我们打开手机,主动扫描商家提供码牌,这种支付方式一般称为主扫支付(用户主动扫码)。

以支付宝为例,付款流程如图所示:

图片来自支付宝官网

第二种则是我们打开手机,展示我们的付款码,然后商家使用扫码枪等工具获取付款码完成支付,这种支付方式一般称为被扫支付(用户被扫码)。

以支付宝为例,付款流程如图所示:

图片来自支付宝官网

对于第一种方式,需要手机端 APP 扫码,然后弹窗确认付款,这种方式是没有办法在手机没有网络的情况完成支付,所以我们上文说的没有网络的情况特指付款码支付的场景。

付款码付款流程

在聊付款码离线支付的前提前,我们先来来看下付款码的整体流程,以超市购物为例,一次付款码的支付信息流如图所示:

参考知乎@天顺

这个过程商家后台系统是需要调用的支付宝条码支付的接口,完成支付。

由于商家后台需要在线联网与支付宝后台通讯,所以说付款码的离线支付,指的是客户端没有的网络的情况,商家端其实必须实时联网在线。

一次付款码接口调用流程如图所示:

来自支付宝官网

通过上面两张图,我们整体了解付款码交互流程。

付款码的技术方案其实可以分为客户端在线与离线的两种情况,下面我们来看下两种方案具体实现方式。

在线码方案

客户端在线码的方案,这个应该比较容易想到,只要支付宝/微信在登录的情况下,点击付款按钮,客户端调用后台系统的申请付款码接口。

后台系统受到请求之后,生成一个付款码,然后在数据库保存付款码与用户的关系,并且返回给客户端。

只要客户端在有效期内展示该付款码,就可以完成支付,否则该二维码就将会过期。

使用这种方案,相对来说比较安全,因为每次都是服务端生成码,服务端可以控制幂等,没有客户端伪造的风险的。

另外即使需要对付款码规则调整,比如付款码位数增加一位,我们只要调整服务端代码即可,客户端都无需升级。

不过这种方案缺点也比较明显,客户端必须实时在线联网,没有网络则无法获取付款码。

另外,现在有一些智能设备也开始支持支付宝支付,这些设备中很大一部分是没有联网的功能(比如小米手环四),那这种情况是没办法使用在线码方案。

基于这种情况,所以开始有了离线码方案。

离线码方案

说起离线码大家可能比较陌生,但是实际上你如果仔细观察,其实很多场景都用到了离线码。

比如说以前去黑网吧玩梦幻西游的时候,账号总是被盗。

没办法,花了一笔重资买了一个网易将军令,每次登录的时候,除了输入用户名与密码以外,还需要输入动态口令。从此账号就很少被盗了。

又比如说每次网易支付的时候,我们除了输入银行卡密码以外,还需要输入网银盾上动态码,这样才能完成支付。

画外音:

这里又要吐槽一下,网银盾以前真的超难用,动不动就驱动不兼容。还记得当初用网银充值黄钻,搞了一下午都没有成功--!

当然上面这些可能已经是老古董了,很多人都可能没用过,现在比较流行是手机验证器APP,比如 Google Authenticator 等。

这种令牌器,动态产生一次性口令(OTP, One-time Password),可以防止密码被盗用引发的安全风险。

其实付款码离线方案技术原型就是基于这种方案,所以下面我们就基于 Google Authenticator,来了解一下这其中的原理。

动态口令技术原理

首先如果我们需要使用 Google Authenticator,我们需要在网站上开启二次验证功能,以 Google 账号为例,在设置两步验证的地方可以找到如下设置:

当我们点击设置,将会弹出一个二维码,然后使用 Google Authenticator APP 扫码绑定。

当我们绑定之后, Google Authenticator APP 将会展示动态码。

我们来解析一下这个二维码,对应下面这个字符串:

otpauth://totp/Google%3Ayourname@gmail.com?secret=xxxx&issuer=Google
复制代码

上面的字符串中,最重要就是这一串密钥 secret,这个是一个经过 BASE32 编码之后的字符串,真正使用时需要将其使用BASE32 解码,处理伪码如下:

original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))
复制代码

这个密钥客户端与服务端将会同时保存一份,两端将会同样的算法计算,以此用来比较动态码的正确性。

我们以客户端为例,生成一个动态码,首先我们需要经过一个签名函数,这里 Google Authenticator 采用的 HMAC-SHA1,这是一种基于哈希的消息验证码,可以用比较安全的单向哈希函数(如 SHA1)来产生签名。

签名函数伪码如下:

hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))
复制代码

上面函数中的,input 使用当前时间整除 30 的值。

input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30
复制代码

这里时间就充当一个动态变参,这样可以源源不断产生动态码。

另外这里整除 30,是为了赋予验证码一个 30 秒的有效期。

这样对于用户输入来讲,可以有充足时间准备输入这个动态码,另外一点客户端与服务端可能存在时间偏差,30 秒的间隔可以很大概率的屏蔽这种差异。

画外音:这个有效时间其实很考量,如果比较长,安全性就差。

如果比较短,用户体验就很差,不容易输入准备。

经过 HMAC-SHA1 签名函数以后,我们得到一个长度为 40 的字符串,我们还需要将其转化为 6 位数字,方便用户输入。处理的伪码如下:

four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]
large_integer = INT(four_bytes)
small_integer = large_integer % 1,000,000
复制代码

完整的算法伪码如下:

original_secret = xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
secret = BASE32_DECODE(TO_UPPERCASE(REMOVE_SPACES(original_secret)))
input = CURRENT_UNIX_TIME() / 30
hmac = SHA1(secret + SHA1(secret + input))
four_bytes = hmac[LAST_BYTE(hmac):LAST_BYTE(hmac) + 4]
large_integer = INT(four_bytes)
small_integer = large_integer % 1,000,000
复制代码

当客户端将动态码上传给服务端,服务端查询数据库获取到用户对应的密钥,然后使用同样的算法进行处理生成一个动态码,最后比较客户端上传动态码与服务端生成是否一致。

付款码离线方案

上面我们了解了动态口令的实现方案,付款码生成原理其实也大致如此。

不过付款码离线方案采用动态密钥的方式(全局唯一),定时请求服务端更换密钥,以此保证更高的安全性。

另外在一次性动态口令方案,需要双方基于同样的秘钥,所以服务端需要明确知道这背后正确用户。以上面的登录场景为例,登录过程输入用户名,服务端就可以根据这个在数据库中查询相应的密钥。

但是在付款码的支付场景中,支付过程仅仅传递一个付款码,就可以向相应的用户扣款。不用想,这个付款码这串数字一定包含相应的用户信息。

所以付款码的相应的算法相比动态码会更加复杂,这样才可以有效保证安全性。

看到这里,不知道你们是否想了解这套算法那?

哈哈,开个玩笑,这种算法岂能是我们能掌握的。

支付宝核心算法咱不知道,但是我们可以从其他人公开设计方案了解一个皮毛。

这里小黑哥给你一个知乎网友@反方向的钟回答的离线二维码实现方式,给你 look look。

来自:https://www.zhihu.com/question/49811134/answer/135886638

付款码离线码的劣势

最后我们来看下付款码离线方案的劣势:

第一,算法调整不灵活,如果相关算法较大的调整,可能需要升级客户端,并且这个期间服务端还需要兼容新老算法产生的付款码。

第二,安全性问题,正常的情况相关密钥无法被普通用户获取,但是架不住有有心之人。他们可能通过获取手机用户 Root 权限或者越狱手机,利用恶意程序获取密钥,然后随意生成付款码。

看到这一点,大家可能会担心自己的钱包安全了。不过这一点,我觉得不过过分担心,蚂蚁集团这么多大神,不是吃干饭的,他们肯定有很多措施保证支付安全。

第三数据碰撞问题,A 用户生成付款码算出来与 B 用户一致,这就 Hash 算法一样,再怎么优秀的算法,也有概率才生一样的额 Hash 值。

这就导致原本是扣用户 A 的钱,最后却扣了 B 用户。这样一来,确实很乌龙,对于 B 用户来讲,莫名其妙被扣钱了。

不过放心,这种事放到放到现在,我觉得还是比买彩票中奖低,所以这种事还是不用过分担心了。

即使真被误扣了,放心,支付宝这么大体量肯定会跟客户赔钱的。

最后

最后总结一下,我们平常使用付款码支付,其实原理就是商家端获取我们手机 APP 付款码(其实就是一串数字),然后后台调用支付宝支付接口完成扣款。

这个流程商家端后台程序必须联网在线,但是对于我们客户端来讲可以在线,也可以离线。

如果我们客户端在线,那就可以通过服务端向客户端发送付款码,这种方式更加安全,灵活,但是对于弱网环境下,体验就很差。

如果我们客户端没网,那就通过客户端通过一定算法生成付款码,服务端收到经过相关校验,确认是哪个用户,确认码有效性,并且完成扣款。这种方式,适合客户端没有网络的情况,不过相对不灵活,且安全性稍差。

嘿嘿,了解原理,有没有觉得还是挺有意思的~

下次排队付款钱,如果手机没网,不要担心尴尬,放心拿出手机付钱~

参考

  1. www.zhihu.com/question/49…
  2. garbagecollected.org/2014/09/14/…

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