兑换码生成与解析-个人笔记(java)

1.需求分析

• 兑换码长度为10字符，包含24个大写字母和8个数字。
• 兑换码需要保证唯一性，不可重复兑换。
• 需要防止猜测和爆刷攻击。
• 兑换码生成和验证的算法需要高效，避免对数据库带来较大的压力。
  

2.实现方案

• 使用自增ID作为唯一ID，长度为32位整数。
• 使用Base32编码将每5位二进制转换为一个字符。
• 使用按位加权签名和随机新鲜值来防止刷取攻击

3.加密过程

• 生成4位新鲜值
• 拼接新鲜值和序列号得到载荷
• 用新鲜值选择加权数组计算校验码
• 用校验码选择异或密钥异或混淆载荷
• 拼接校验码和混淆载荷,Base32编码

4.解密过程

• Base32解码得到数值
• 分离校验码和载荷
• 用校验码选择异或密钥恢复载荷
• 重新计算校验码验证一致性

5.工具类

• Base32：用于编码和解码算法。
• CodeUtil：用于生成和解析兑换码。

5.1Base32工具类

代码如下：

import cn.hutool.core.text.StrBuilder;/**
* 将整数转为base32字符的工具，因为是32进制，所以每5个bit位转一次
*/
public class Base32 {private final static String baseChars = "6CSB7H8DAKXZF3N95RTMVUQG2YE4JWPL";public static String encode(long raw) {StrBuilder sb = new StrBuilder();while (raw != 0) {int i = (int) (raw & 0b11111);sb.append(baseChars.charAt(i));raw = raw >>> 5;}return sb.toString();}public static long decode(String code) {long r = 0;char[] chars = code.toCharArray();for (int i = chars.length - 1; i >= 0; i--) {long n = baseChars.indexOf(chars[i]);r = r | (n << (5*i));}return r;}public static String encode(byte[] raw) {StrBuilder sb = new StrBuilder();int size = 0;int temp = 0;for (byte b : raw) {if (size == 0) {// 取5个bitint index = (b >>> 3) & 0b11111;sb.append(baseChars.charAt(index));// 还剩下3位size = 3;temp = b & 0b111;} else {int index = temp << (5 - size) | (b >>> (3 + size) & ((1 << 5 - size) - 1)) ;sb.append(baseChars.charAt(index));int left = 3 + size;size = 0;if(left >= 5){index = b >>> (left - 5) & ((1 << 5) - 1);sb.append(baseChars.charAt(index));left = left - 5;}if(left == 0){continue;}temp = b & ((1 << left) - 1);size = left;}}if(size > 0){sb.append(baseChars.charAt(temp));}return sb.toString();}public static byte[] decode2Byte(String code) {char[] chars = code.toCharArray();byte[] bytes = new byte[(code.length() * 5 )/ 8];byte tmp = 0;byte byteSize = 0;int index = 0;int i = 0;for (char c : chars) {byte n = (byte) baseChars.indexOf(c);i++;if (byteSize == 0) {tmp = n;byteSize = 5;} else {int left = Math.min(8 - byteSize, 5);if(i == chars.length){bytes[index] =(byte) (tmp << left | (n & ((1 << left) - 1)));break;}tmp = (byte) (tmp << left | (n >>> (5 - left)));byteSize += left;if (byteSize >= 8) {bytes[index++] = tmp;byteSize = (byte) (5 - left);if (byteSize == 0) {tmp = 0;} else {tmp = (byte) (n & ((1 << byteSize) - 1));}}}}return bytes;}
}

5.2CodeUtil工具类

5.2.1.兑换码算法说明：

• ​ 兑换码分为明文和密文，明文是50位二进制数，密文是长度为10的Base32编码的字符串

5.2.2.兑换码的明文结构：

14(校验码) + 4 (新鲜值) + 32(序列号)

• ​ 序列号：一个单调递增的数字，可以通过Redis来生成
• ​ 新鲜值：可以是优惠券id的最后4位，同一张优惠券的兑换码就会有一个相同标记
• ​ 载荷：将新鲜值（4位）拼接序列号（32位）得到载荷
• ​ 校验码：将载荷4位一组，每组乘以加权数，最后累加求和，然后对2^14求余得到

5.2.3.兑换码的加密过程：

1. ​ 首先利用优惠券id计算新鲜值 f
2. ​ 将f和序列号s拼接，得到载荷payload
3. ​ 然后以f为角标，从提前准备好的16组加权码表中选一组
4. ​ 对payload做加权计算，得到校验码 c
5. ​ 利用c的后4位做角标，从提前准备好的异或密钥表中选择一个密钥：key
6. ​ 将payload与key做异或，作为新payload2
7. ​ 然后拼接兑换码明文：f (4位) + payload2（36位）
8. ​ 利用Base32对密文转码，生成兑换码

5.2.4.兑换码的解密过程：

1. ​ 首先利用Base32解码兑换码，得到明文数值num
2. ​ 取num的高14位得到c1，取num低36位得payload
3. ​ 利用c1的后4位做角标，从提前准备好的异或密钥表中选择一个密钥：key
4. ​ 将payload与key做异或，作为新payload2
5. ​ 利用加密时的算法，用payload2和s1计算出新校验码c2，把c1和c2比较，一致则通过

代码如下：

import com.tianji.common.constants.RegexConstants;
import com.tianji.common.exceptions.BadRequestException;public class CodeUtil {/*** 异或密钥表，用于最后的数据混淆*/private final static long[] XOR_TABLE = {61261925471L, 61261925523L, 58169127203L, 64169927267L,64169927199L, 61261925629L, 58169127227L, 64169927363L,59169127063L, 64169927359L, 58169127291L, 61261925739L,59169127133L, 55139281911L, 56169127077L, 59169127167L};/*** fresh值的偏移位数*/private final static int FRESH_BIT_OFFSET = 32;/*** 校验码的偏移位数*/private final static int CHECK_CODE_BIT_OFFSET = 36;/*** fresh值的掩码，4位*/private final static int FRESH_MASK = 0xF;/*** 验证码的掩码，14位*/private final static int CHECK_CODE_MASK = 0b11111111111111;/*** 载荷的掩码，36位*/private final static long PAYLOAD_MASK = 0xFFFFFFFFFL;/*** 序列号掩码，32位*/private final static long SERIAL_NUM_MASK = 0xFFFFFFFFL;/*** 序列号加权运算的秘钥表*/private final static int[][] PRIME_TABLE = {{23, 59, 241, 61, 607, 67, 977, 1217, 1289, 1601},{79, 83, 107, 439, 313, 619, 911, 1049, 1237},{173, 211, 499, 673, 823, 941, 1039, 1213, 1429, 1259},{31, 293, 311, 349, 431, 577, 757, 883, 1009, 1657},{353, 23, 367, 499, 599, 661, 719, 929, 1301, 1511},{103, 179, 353, 467, 577, 691, 811, 947, 1153, 1453},{213, 439, 257, 313, 571, 619, 743, 829, 983, 1103},{31, 151, 241, 349, 607, 677, 769, 823, 967, 1049},{61, 83, 109, 137, 151, 521, 701, 827, 1123},{23, 61, 199, 223, 479, 647, 739, 811, 947, 1019},{31, 109, 311, 467, 613, 743, 821, 881, 1031, 1171},{41, 173, 367, 401, 569, 683, 761, 883, 1009, 1181},{127, 283, 467, 577, 661, 773, 881, 967, 1097, 1289},{59, 137, 257, 347, 439, 547, 641, 839, 977, 1009},{61, 199, 313, 421, 613, 739, 827, 941, 1087, 1307},{19, 127, 241, 353, 499, 607, 811, 919, 1031, 1301}};/*** 生成兑换码** @param serialNum 递增序列号* @return 兑换码*/public static String generateCode(long serialNum, long fresh) {// 1.计算新鲜值fresh = fresh & FRESH_MASK;// 2.拼接payload，fresh（4位） + serialNum（32位）long payload = fresh << FRESH_BIT_OFFSET | serialNum;// 3.计算验证码long checkCode = calcCheckCode(payload, (int) fresh);System.out.println("checkCode = " + checkCode);// 4.payload做大质数异或运算，混淆数据payload ^= XOR_TABLE[(int) (checkCode & FRESH_MASK)];// 5.拼接兑换码明文: 校验码（14位） + payload（36位）long code = checkCode << CHECK_CODE_BIT_OFFSET | payload;// 6.转码return Base32.encode(code);}private static long calcCheckCode(long payload, int fresh) {// 1.获取码表int[] table = PRIME_TABLE[fresh];// 2.生成校验码，payload每4位乘加权数，求和，取最后13位结果long sum = 0;int index = 0;while (payload > 0) {sum += (payload & 0xf) * table[index++];payload >>>= 4;}return sum & CHECK_CODE_MASK;}public static long parseCode(String code) {if (code == null || !code.matches(RegexConstants.COUPON_CODE_PATTERN)) {// 兑换码格式错误throw new BadRequestException("无效兑换码");}// 1.Base32解码long num = Base32.decode(code);// 2.获取低36位，payloadlong payload = num & PAYLOAD_MASK;// 3.获取高14位，校验码int checkCode = (int) (num >>> CHECK_CODE_BIT_OFFSET);// 4.载荷异或大质数，解析出原来的payloadpayload ^= XOR_TABLE[(checkCode & FRESH_MASK)];// 5.获取高4位，freshint fresh = (int) (payload >>> FRESH_BIT_OFFSET & FRESH_MASK);// 6.验证格式：if (calcCheckCode(payload, fresh) != checkCode) {throw new BadRequestException("无效兑换码");}return payload & SERIAL_NUM_MASK;}
}