请留意：本文所述的方法仅是经过资料收集和讨论所提出的一种原理假设，并非微信/支付宝官方披露的具体方法。
疑问
在信息时代，路边摊都能接受支付宝付款。于是，我一直有个疑问。
1. 微信/支付宝/Paypal 的条形码支付/二维码支付是如何实现的？它们安全吗？
2. 为什么用户不需要联网，也能完成支付？
条形码/二维码支付的特点
二维码支付主要有“用户扫码”和“商家扫码”（反扫）两种。“用户扫码”是商家提供二维码，用户手机客户端扫码，确认购物信息后进行支付。“商家扫码”（“刷卡支付”）则是用户出示二维码，商户扫描该二维码进行扣款。
“用户扫码”的二维码实际是个购物网站的链接，扫描后的流程与我们通常的网上购物差异不大。
“商家扫码”（“刷卡支付”）则是由用户的手机客户端生成一串“支付码”（如下图），商家读取支付码后，交由支付网关进行清算。据观察，它有如下特点：
1. 用户的手机客户端不需要联网，即可生成支付码并完成交易（第一次使用时，需要联网验证支付密码，来开启扫码支付功能）；
2. 这串18位的支付码是动态变化的，大约30秒动态变化一次。
本文将探讨“商家扫码”（“刷卡支付”）背后的原理。
“刷卡支付”的流程
“刷卡支付”分为“免密支付”和“验密支付”两种，前者用户无须联网无须输入支付密码，后者需要用户联网输入密码以完成交易。本文接下来讨论的，是“刷卡支付”中的“免密支付”。
“免密刷卡支付”的流程大致如下：
1. 商家生成订单，告知用户消费金额；
2. 用户打开客户端，进入条码界面；
3. 商家使用扫码设备读取支付码，调用 API 将支付信息提交支付网关进行处理；
4. 支付网关验证商家和用户的信息，进行扣款后向商家返回支付结果；
5. 用户收到扣款消息（银行短信等），交易完成；
微信支付的流程如下图所示（来源 https://pay.weixin.qq.com/wiki/doc/api/micropay.php?chapter=5_4 ）
另外，使用微信免密支付需要满足以下规则：
◆ 支付金额>1000元的交易需要验证用户支付密码
◆ 用户账号每天最多有5笔交易可以免密，超过后需要验证密码
◆ 微信支付后台判断用户支付行为有异常情况，符合免密规则的交易也会要求验证密码
来源 https://pay.weixin.qq.com/wiki/doc/api/micropay.php?chapter=5_2
一次性密码 (OTP)
在进一步讨论“刷卡支付”前，我们首先要了解一次性密码（One Time Password, OTP）。常用的一次性密码包括 HOTP (RFC 4226) 和 TOTP (RFC 6238)。
在使用 HOTP (HMAC-Based One-Time Password) 之前，双方要事先约定 shared_secret. 往后每次进行验证，HTOP 将根据 shared_secret(K) 和 计数器(C)，生成一个6-8位的动态口令。
动态口令是一次性的，每次生成动态口令时，计数器C会加1，生成的新口令与之前的口令完全无关。使用 OTP 无需暴露 shared_secret 即可验证身份。假如第三方截获了某个动态口令，也无法反推出 shared_secret，更无法推导出下一个动态口令。
下面以用户登录网站为例，简述 HOTP 验证的大致方法：
1. 在最开始， 网站和用户约定一个 shared_secret(K)。
2. 往后，用户每次登录网站时，通过 HOTP 生成一个6位的动态口令(user_token)，并提供给网站：
user_token = HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))
3. 因为网站与用户拥有同样的 shared_secret(K) 和计数器(C)，所以网站也可以算出一个6位的动态口令：
web_token = HOTP(K,C) = Truncate(HMAC-SHA-1(K,C))
4. 随后，网站可以通过对比动态口令校验用户身份：
if ( user_token == web_token ) accept(); else reject();
另一种算法 TOTP (Time-Based One-Time Password)，是在 HOTP 基础上的实现。它用时间代替 HOTP 中的计数器， C = Unix_time / step，通常 step = 30s.
客户端如何生成支付码？
了解OTP后，我们可以猜想微信支付是如何生成支付码的。
支付码最少需要包含 [账户信息 + 动态密码]，账户信息可以是一个静态的能映射到支付帐号的数字，动态密码可以通过 OTP 生成。然而从实际中，我们观察到微信/支付宝的支付码在每次刷新时，几乎每一位都在变化，那账户信息藏哪呢？ 北邮人论坛的 hdyvip 提供了一个思路：
全部hash肯定不行，要能识别出用户来才可以。
我说的一部分标示用户，一部分是密码并不是指特定几位数的。
这个16位应该是编码之后的。比如：
提前商定一个数，至少要大于用户数，质数最好（全局唯一）
用一次性密码乘以这个数加上用户的数字id
当然这种方法并不能保证13是不变的，我只是举个例子。
按照这个思路，客户端可按如下方法生成支付码：
约定的质数 > 用户总数 6位动态口令 = TOTP(shared_secret) 支付码 = 账户ID + 6位动态口令 * 约定的质数
微信/支付宝如何验证账户？
确定好客户端如何生成密码，支付网关就可以从支付码中提取信息了。
账户ID = 支付码 mod 约定的质数 6位动态口令 = 支付码 / 约定的质数
因为 shared_secret 是用户和支付网关都知道的（没有第三方知道），所以支付网关也可以用同样算法得出6位动态口令进行对比，从而验证用户身份。
演示
我们可以虚构一个客户端和一个服务端进行尝试。客户端与服务端共享一个 shared_secret 和 shared_prime (约定的质数)，客户端生成支付码，服务端接收并验证用户身份。
1. 客户端, client.py .
#!/usr/bin/python # # Demo for Barcode Payment client. # # Usage: python client.py # Input: null # Output: 11-digit barcode for payment. # # Note that share_secret and user_id is pre-set here # for the convenience of demostration. # In read world, they should not be set in program, # instead each user_id should map with its own unique # shared_secret. # # feichashao@gmail.com # # 2016.May.14 # import pyotp # pre-set variables shared_secret = u'NUC5JRHENP53CJK4' user_id = 66666 shared_prime = 99991 # Generate token totp = pyotp.TOTP(shared_secret) token = int(totp.now()) # Generate 11-digit barcode barcode = user_id + shared_prime * token print "%011d" % barcode
2. 服务端，server.py .
#!/usr/bin/python
#
# Demo for Barcode Payment server.
#
# Usage: python server.py barcode
# Input: (int) 11-digit barcode for payment.
# Output: (string) 'Accept' or 'Reject'
#
# Note that share_secret and user_id is pre-set here
# for the convenience of demostration.
# In read world, they should not be set in program,
# instead each user_id should map with its own unique
# shared_secret.
#
# feichashao@gmail.com
#
# 2016.May.14
#
import sys
import pyotp
# pre-set variables
shared_secret = u'NUC5JRHENP53CJK4'
user_id = 66666
shared_prime = 99991
# Extract barcode
try:
barcode = int(sys.argv[1])
except:
barcode = 0
income_uid = barcode % shared_prime
token = barcode / shared_prime
# Verify account
totp = pyotp.TOTP(shared_secret)
result = ( income_uid == user_id ) and totp.verify( str(token).zfill(6) )
# Print result
if result:
print 'Accept'
else:
print 'Reject'
3. 尝试一次有效的验证。
### 客户端生成支付码 ~/TOTP$ python client.py 06412089532 ### 商家获取支付码 06412089532，提交到服务端进行验证。 ~/TOTP$ python server.py 06412089532 Accept
4. 尝试使用一个虚假的支付码
~/TOTP$ python client.py 26972238952 ~/TOTP$ python server.py 88888888888 Reject
5. 验证支付码的时效性（默认每个支付码30秒有效）
### 获取支付码后马上进行验证 ~/TOTP$ barcode=`python client.py`; python server.py $barcode Accept ### 获取支付码后等待30s进行验证 ~/TOTP$ barcode=`python client.py`; sleep 30s; python server.py $barcode Reject
参考资料
[With Payment Code, PayPal Taps QR Codes And Existing Hardware For Large Retailer Mobile Payments]
http://techcrunch.com/2013/10/08/with-payment-code-paypal-taps-qr-codes-and-existing-hardware-for-retail-mobile-payments/
[ PayPal offers QR codes for retail-store purchases ]
http://www.cnet.com/news/paypal-offers-qr-codes-for-retail-store-purchases/
[微信支付开发者文档] https://pay.weixin.qq.com/wiki/doc/api/micropay.php?chapter=5_4