CN117834642A - 一种海量二维码分布式生成方法、系统及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明属于二维码技术领域，公开了一种海量二维码分布式生成方法、系统及存储介质，包括以下步骤：发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址；接收请求后，使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上；从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，生成二维码图像，并将二维码图像返回给客户端。本发明采用分布式并行生成和哈希一致性算法进行任务分配，提高二维码生成效率，并进行数字签名，保证二维码数据的安全。
Description
技术领域
本发明属于负载均衡、二维码编码技术领域，尤其涉及一种海量二维码分布式生成方法、系统及存储介质。
背景技术
二维码作为一种快速、高效的信息传输方式，已经被广泛应用于多个领域，如电商、移动支付、物流等。传统的二维码生成方式是在服务端生成，然后通过网络传输给客户端。随着移动互联网和物联网的发展，对于高并发、低时延、高可靠性的需求日益增加，这种传统方式已经无法满足用户的需求。
现有技术中，二维码服务的性能问题是一个较为普遍的问题。由于二维码生成算法的复杂性和用户需求的不断增加，传统的二维码服务很难承受高并发的请求。同时，由于二维码服务通常需要与其他系统进行协作，对于多节点、分布式环境下的二维码服务部署和管理也存在一定的难度。
因此，需要一种新的技术方案来解决以上问题。这种方案需要实现分布式、高可用、高并发的二维码生成服务，能够有效提升服务的性能和可靠性。同时，这种方案还需要支持灵活的节点扩展和部署方式，方便二维码服务的管理和维护。
发明内容
现有的二维码生成服务在高并发情况下性能瓶颈明显，无法满足大量用户动态生成二维码的需求，而且现有的二维码生成服务通常基于单节点，往往是串行的，随着生成数量的增加，生成时间也会随之增加，而且在单一节点上生成大量二维码会造成节点负载压力过大的问题，无法有效利用分布式集群的优势，无法支持高并发访问和扩展。
有鉴于此，本发明提供了一种基于分布式架构的二维码生成方法，通过将任务分配到多个节点上，可以实现对于大量二维码的快速生成。此外，本发明还考虑到了二维码的安全性，采用了国密算法对生成的二维码进行数字签名，保证了二维码数据的安全性。
本发明第一方面公开的一种海量二维码分布式生成方法，包括以下步骤：
发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址；
接收请求后，使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上；
从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，生成二维码图像，并将二维码图像返回给客户端。
进一步地，从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，包括：
通过哈希函数，将请求的IP地址和服务器的IP地址映射到一个具有2^32次方个桶的空间中，将这些数字头尾相连，形成一个闭合的环形，即哈希环；
当客户端发起请求时，获取请求的客户端IP地址，使用相同哈希函数计算出客户端IP在哈希环上索引值；
客户端IP映射到哈希环上的索引值顺时针方向第一个遇到的服务器节点，就是该请求的处理节点；
当某个服务器上下线或者增减节点时，只影响到该节点和它顺时针方向的请求分发，而不会对整个哈希环造成影响，保证数据分布的相对平衡性和分布式系统的高可用性。
进一步地，所述哈希环的计算方式为：
对IP地址进行MD5计算出哈希值，将哈希值对哈希环的大小取模，得到的余数就是哈希值对应哈希环的槽位的索引值；
取模运算公式为：n%2^k等价于n&(2^k-1) 。
进一步地，二维码图像生成包括：
准备要编码的文本信息，文本信息至少包括用户编号、身份识别编码之一；生成一个当前时间戳，将文本信息和时间戳进行字符串拼接，得到待签名数据；
对待签名数据进行数字签名；
将生成的签名值将与原始数据一起作为二维码的数据部分进行编码；
将待编码数据转换为二维码矩阵。
进一步地，采用国密SM3withSM2算法进行数字签名，具体过程如下：
将待签名数据作为输入，计算SM3哈希值；
使用 SM2算法对哈希值进行数字签名；
将数字签名和文本信息拼接成最终的签名结果。
进一步地，所述SM3withSM2算法的公式如下：
H = SM3(M)
S = SM2Sign(SK, H)
其中，M是待签名数据，SK是签名者的私钥，H是M的SM3杂凑值，S是M的SM2签名值。
本发明第二方面公开的一种海量二维码分布式生成系统，包括：
客户端：发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址；
负载均衡器：接收请求后，使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上；
二维码生成模块：从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，生成二维码图像，并将二维码图像返回给客户端。
本发明第三方面公开的一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质包含有计算机程序，所述计算机程序在被一个或多个计算机执行时使得所述一个或多个计算机执行如下操作：所述操作包括如上述的海量二维码分布式生成方法所包含的步骤。
本发明提供的海量二维码并行生成方法，具有以下优点和效果：
高效性：通过分布式并行生成，可以同时使用多个计算节点进行二维码生成，大大缩短了生成时间。而且采用哈希一致性算法进行任务分配，避免了传统的负载均衡算法中可能出现的节点过载问题，提高了系统的稳定性和可靠性。
安全性：本发明使用国密SM3WithSM2算法对生成二维码的文本信息进行数字签名，确保了二维码数据的完整性和真实性。
灵活性：本发明对输入的文本信息长度没有限制，可以编码各种不同长度的文本数据，如用户编号、身份识别编码等，实现了二维码生成的灵活性和通用性。
附图说明
图1本发明的Hash环示意图；
图2本发明的Hash一致性算法示意图；
图3本发明的客户端请求示意图；
图4添加二维码计算节点示意图；
图5 Reed-Solomon 算法公式计算过程。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明提供一种海量二维码分布式生成方法，技术方案具体步骤如下：
S1：分配二维码生成计算节点
使用Hash一致性算法进行任务分配，具体流程如下：
当客户端发起请求时，负载均衡器会获取请求的IP地址。
对于每个请求的IP地址，通过哈希函数计算出一个哈希值。
负载均衡器会将这个哈希值与服务器列表中的哈希值进行比较，顺序选择哈希值最接近的服务器。
将客户端请求转发到被选择的服务器上。
如果服务器出现故障，负载均衡器会重新计算哈希值并选择新的服务器。
S2：二维码生成
准备数据：将要编码的文本信息准备好，可以是用户编号、身份识别编码等各种信息。
数据处理：将文本信息、当前时间戳进行字符串拼接、通过国密SM3WithSM2算法计算数字签名。
编码生成：使用二维码编码算法，将处理后的数据转换为二维码矩阵；
图像输出：将二维码矩阵转换为PNG、JPEG等图片格式，返回给客户端。
本发明还提供一种海量二维码分布式生成系统，包括：
客户端：用户发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址。
负载均衡服务SLB：使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上。
服务器集群：由多个二维码计算节点组成，每个节点都可以独立生成二维码图像，并将结果返回给客户端。
其中，分配二维码生计算节点包括如下步骤：
通过哈希函数，将客户端和服务器的IP地址映射到一个具有2^32次方个桶的空间中，即0~(2^32)-1的数字空间，将这些数字头尾相连，形成一个闭合的环形，即哈希环，如图1所示。
具体的计算方式是对IP地址进行MD5计算出哈希值，将哈希值对哈希环的大小取模，得到的余数就是哈希值对应哈希环的槽位的索引值。
取模运算公式为：n%2^k等价于n&(2^k-1)
对于一个正整数n，如果n是2的幂次方，那么n%2的结果等价于n&1。
当客户端发起请求时，负载均衡服务SLB会获取请求的客户端IP地址。使用相同哈希函数计算出客户端IP在哈希环上索引值。
客户端IP映射到哈希环上的索引值顺时针方向第一个遇到的服务器节点，就是该请求的处理节点。也就是说，将客户端和服务器的都映射到哈希环上后，从客户端请求映射所在位置开始顺时针查找，第一个遇到的服务器节点就是该请求应该被分配到的服务器，如图2所示。在图2中可以看到，分配到结算节点A的请求有3个，分配到计算节点B的请求有四个，分配到计算节点C的请求有2个。
当某个服务器上下线或者增减节点时，只会影响到该节点和它顺时针方向的请求分发，而不会对整个哈希环造成影响，保证数据分布的相对平衡性和分布式系统的高可用性，如图3和图4所示。在图4中可以看到，当在计算节点A和计算节点B中增加计算节点D时，原本到B节点的四个请求，其中有2个请求分配到了新增加的D节点。
根据此算法，二维码计算节点在0~(2^32)-1空间内可以无限扩容，随着业务量的增加。
二维码生成的步骤如下：
准备数据阶段：将要编码的文本信息准备好。文本信息可以是用户编号、身份识别编码等各种信息。准备好文本信息后，还需要生成一个当前时间戳，将文本信息和时间戳进行字符串拼接，得到待签名数据。
数据处理阶段：对待签名数据进行数字签名。本发明采用国密 SM3withSM2 算法进行数字签名，具体过程如下：
(1) 将待签名数据作为输入，计算 SM3 哈希值。
(2) 使用 SM2 算法对哈希值进行数字签名。
(3) 将数字签名和文本信息拼接成最终的签名结果。
SM3withSM2算法的公式如下：
H = SM3(M)
S = SM2Sign(SK, H)
其中，M是待签名数据，SK是签名者的私钥，H是M的SM3杂凑值，S是M的SM2签名值。
在本发明中，SM3withSM2算法生成的签名值将与原始数据一起作为二维码的数据部分进行编码，保证了数据的真实性和完整性。
编码生成阶段：将待编码数据转换为二维码矩阵，待编码数据如表1所示。
表1：待编码数据
本发明采用 Reed-Solomon 算法来实现纠错编码，提高二维码的容错率，公式如图5所示。
将原始需要编码的数据后面补0，本步为校验码占位。
除以生成多项式取余下的多项式为校验多项式/>。
将校验多项式加到刚才补过0的编码数据多项式中，就是最终生成的编码。
具体过程如下：
(1)分配数据区和校验区
首先，将二维码矩阵按照 Reed-Solomon 算法的要求，分成数据区和校验区。数据区包含要编码的信息，校验区则用于存储冗余校验码。校验区的大小是根据版本和纠错等级来计算的。
根据ISO/IEC 18004标准，校验区的大小使用以下公式进行计算：
校验区的大小 = （版本号 + 1）× 4 + （纠错等级 × 2 + 17）
其中，版本号从1开始，纠错等级为L、M、Q或H，根据需要选择相应的值进行计算。
(2)对数据区进行编码
将数据区按照 Reed-Solomon 算法进行编码。编码过程会在校验区中生成冗余校验码，并将它们存储在校验区的对应位置上。
(3)构建最终的二维码矩阵
将数据区和校验区中的信息组合在一起，构建最终的二维码矩阵。一般来说，校验码会分布在整个二维码中，以增加容错能力。
图像输出阶段：将生成的二维码矩阵转换为 PNG、JPEG 等图片格式，并将图片返回给客户端，具体过程如下：
(1) 将二维码矩阵转换为位图：二维码矩阵通常是由0和1组成的，需要将其转换为位图格式，即用黑白颜色来表示0和1。通常，黑色表示1，白色表示0。将位图存储在内存中。
(2) 添加白边：在生成的位图周围添加白色边框，这是为了防止二维码被截断或缩小而导致无法识别。白边的宽度是二维码大小的10%。
(3) 图像格式转换：根据客户端请求的要求，将位图格式的二维码矩阵转换为PNG、JPEG等图片格式，以便客户端能够正确地解码。
(4)返回给客户端：将压缩后的二维码图像返回给客户端，客户端就可以使用相应的解码工具来解码二维码并获取其中的信息。
通过以上几个步骤，本发明可以高效、快速地生成海量二维码。同时，使用数字签名和纠错编码技术，可以保证二维码的安全性和可靠性。
本发明的有益效果如下：
本发明通过采用分布式并行生成和哈希一致性算法进行任务分配，提高了二维码生成的效率和系统的可靠性，同时通过国密SM3WithSM2算法进行数字签名，保证了二维码数据的安全性和真实性，具有广泛的应用前景。
本文所使用的词语“优选的”意指用作实例、示例或例证。本文描述为“优选的”任意方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更有利。相反，词语“优选的”的使用旨在以具体方式提出概念。如本申请中所使用的术语“或”旨在意指包含的“或”而非排除的“或”。即，除非另外指定或从上下文中清楚，“X使用A或B”意指自然包括排列的任意一个。即，如果X使用A；X使用B；或X使用A和B二者，则“X使用A或B”在前述任一示例中得到满足。
而且，尽管已经相对于一个或实现方式示出并描述了本公开，但是本领域技术人员基于对本说明书和附图的阅读和理解将会想到等价变型和修改。本公开包括所有这样的修改和变型，并且仅由所附权利要求的范围限制。特别地关于由上述组件(例如元件等)执行的各种功能，用于描述这样的组件的术语旨在对应于执行所述组件的指定功能(例如其在功能上是等价的)的任意组件(除非另外指示)，即使在结构上与执行本文所示的本公开的示范性实现方式中的功能的公开结构不等同。此外，尽管本公开的特定特征已经相对于若干实现方式中的仅一个被公开，但是这种特征可以与如可以对给定或特定应用而言是期望和有利的其他实现方式的一个或其他特征组合。而且，就术语“包括”、“具有”、“含有”或其变形被用在具体实施方式或权利要求中而言，这样的术语旨在以与术语“包含”相似的方式包括。
本发明实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以多个或多个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。上述的各装置或系统，可以执行相应方法实施例中的存储方法。
综上所述，上述实施例为本发明的一种实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、代替、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，包括以下步骤：
发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址；
接收请求后，使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上；
从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，生成二维码图像，并将二维码图像返回给客户端。
2.根据权利要求1所述的一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，
从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，包括：
通过哈希函数，将请求的IP地址和服务器的IP地址映射到一个具有2^32次方个桶的空间中，将这些数字头尾相连，形成一个闭合的环形，即哈希环；
当客户端发起请求时，获取请求的客户端IP地址，使用相同哈希函数计算出客户端IP在哈希环上索引值；
客户端IP映射到哈希环上的索引值顺时针方向第一个遇到的服务器节点，就是该请求的处理节点；
当某个服务器上下线或者增减节点时，只影响到该节点和它顺时针方向的请求分发，而不会对整个哈希环造成影响，保证数据分布的相对平衡性和分布式系统的高可用性。
3.根据权利要求2所述的一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，所述哈希环的计算方式为：
对IP地址进行MD5计算出哈希值，将哈希值对哈希环的大小取模，得到的余数就是哈希值对应哈希环的槽位的索引值；
取模运算公式为：n%2^k
n为哈希值，k为哈希环的大小，%是取模运算符。
4.根据权利要求1所述的一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，
二维码图像生成包括：
准备要编码的文本信息，文本信息至少包括用户编号、身份识别编码之一；生成一个当前时间戳，将文本信息和时间戳进行字符串拼接，得到待签名数据；
对待签名数据进行数字签名；
将生成的签名值与原始数据一起作为二维码的数据部分进行编码；
将待编码数据转换为二维码矩阵。
5.根据权利要求4所述的一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，
采用国密SM3withSM2算法进行数字签名，具体过程如下：
将待签名数据作为输入，计算SM3哈希值；
使用SM2算法对哈希值进行数字签名；
将数字签名和文本信息拼接成最终的签名结果。
6.根据权利要求5所述的一种海量二维码分布式生成方法，其特征在于，
所述SM3withSM2算法的公式如下：
H = SM3(M)
S = SM2Sign(SK, H)
其中，M是待签名数据，SK是签名者的私钥，H是M的SM3杂凑值，是M的SM2签名值。
7.一种使用如权利要求1-6任一项所述方法的海量二维码分布式生成系统，其特征在于，包括：
客户端：发送请求，包括需要编码的信息和请求的IP地址；
负载均衡器：接收请求后，使用Hash一致性算法进行任务分配，选择合适的服务器进行处理，并将请求转发到被选择的服务器上；
二维码生成模块：从服务器中的多个二维码计算节点选择一个节点，生成二维码图像，并将二维码图像返回给客户端。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质包含有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被一个或多个计算机执行时使得所述一个或多个计算机执行如下操作：所述操作包括如权利要求1-6中任一项所述的海量二维码分布式生成方法所包含的步骤。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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