通過擴(kuò)展單線接口提升近場(chǎng)通訊應(yīng)用安全性和兼容性

文章出處：http://www.xianjuhong.com 作者： 人氣： 發(fā)表時(shí)間：2012年03月30日

    摘要：本文介紹了一種近場(chǎng)通訊設(shè)備中，非接觸前端芯片CLF和安全單元SE之間的單線通信協(xié)議。該協(xié)議在典型的單線協(xié)議基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)CLF和SE的實(shí)時(shí)透明傳輸，可提升近場(chǎng)通訊設(shè)備卡片模擬的應(yīng)用兼容性和安全性。

    經(jīng)過多年的發(fā)展，近場(chǎng)通訊技術(shù)逐漸趨于成熟穩(wěn)定，隨著Android平臺(tái)的新款近場(chǎng)通訊智能手機(jī)的陸續(xù)上市，期盼中的近場(chǎng)通訊市場(chǎng)大門終于打開了，原來停留于紙面的各種移動(dòng)非接觸應(yīng)用構(gòu)思將一一實(shí)現(xiàn)。盡管近場(chǎng)通訊應(yīng)用通常被劃分為三類：卡片模擬、讀寫器和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，但始終被人們所關(guān)注、最吸引眼球的應(yīng)用，非移動(dòng)支付莫屬。所以說近場(chǎng)通訊本質(zhì)上是一個(gè)非接觸智能卡的應(yīng)用，無非是智能卡的載體發(fā)生了變化。從結(jié)構(gòu)化的角度出發(fā)，近場(chǎng)通訊的實(shí)現(xiàn)方案采用的是雙芯片架構(gòu)，即CLF（Contactless Front非接觸前端）芯片和SE（Security Element安全模塊）芯片，如圖1所示：

圖1 近場(chǎng)通訊架構(gòu)

    其中CLF芯片負(fù)責(zé)處理非接觸射頻接口和通訊協(xié)議，SE芯片負(fù)責(zé)處理智能卡的應(yīng)用和數(shù)據(jù)管理。采用這種設(shè)計(jì)架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：

    1）CLF與SE雙芯片架構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)卡分離。CLF集成在終端上，實(shí)現(xiàn)完整的非接觸射頻接口；而智能卡應(yīng)用涉及諸多安全要求，需要發(fā)行管理而后才進(jìn)入應(yīng)用環(huán)節(jié)，SE從近場(chǎng)通訊終端上分離，可以獨(dú)立于終端之外單獨(dú)發(fā)行，管理上容易保持與現(xiàn)有系統(tǒng)的一致。
    2）智能卡往往是封閉應(yīng)用環(huán)境，不同地區(qū)不同應(yīng)用之間，即使是同一款智能卡，其初始化配置也會(huì)不同。CLF與SE架構(gòu)，通用近場(chǎng)通訊終端可與不同的SE搭配實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用需求。
    3）CLF及其射頻天線集成在終端上，易于實(shí)現(xiàn)一致性的非接觸接口性能。

    近場(chǎng)通訊終端實(shí)現(xiàn)卡片模擬功能，由CLF和SE聯(lián)合完成，CLF與SE之間需要定義連接接口。目前被廣泛接受的接口主要有兩種：?jiǎn)尉€協(xié)議接口SWP（ETSI TS 102 613標(biāo)準(zhǔn)）和兩線接口S2C（NFC-WI接口標(biāo)準(zhǔn)）。由于SWP接口和SIM卡標(biāo)準(zhǔn)有機(jī)地結(jié)合于一體，使得SIM卡非常適合作為NFC終端的SE，這種接口的市場(chǎng)接受度高一些。S2C接口因?yàn)椴捎昧送该鞯膫鬏敺绞?，使得SE與CLF模擬的卡片特性最大程度上與普通非接觸卡保持一致，應(yīng)用兼容性最好，但因需占用兩個(gè)連線，無法與SIM卡結(jié)合使用，因此出現(xiàn)基于該接口的全終端方案（CLF和SE合封之后集成在手機(jī)主板上），但全終端方案無法做到機(jī)卡分離，在一定程度上制約了應(yīng)用發(fā)展。

    作為主流的CLF-SE接口，SWP定義了完整的一套通訊協(xié)議，在SE和CLF之間傳輸ISO14443協(xié)議數(shù)據(jù)包時(shí)，需要將ISO14443協(xié)議數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成符合SWP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，增加MAC（介質(zhì)訪問控制）層及LLC（邏輯鏈路控制）層，組成SWP數(shù)據(jù)幀，如圖2所示：

圖2 SWP幀結(jié)構(gòu)

    SWP協(xié)議的編碼和解碼、組幀和解幀，再加上接口傳輸時(shí)間，使得近場(chǎng)通訊終端模擬的卡片比標(biāo)準(zhǔn)的非接觸IC卡（PICC）在響應(yīng)非接觸識(shí)別設(shè)備（PCD）的時(shí)序上有所不同，如圖3所示，Tclf，receive和Tclf，transmit表示了SWP接口帶來的額外延遲時(shí)間，SWP接口延時(shí)表示為：

    TCLF，delay = TCLF，receive + TCLF，transmit

圖3 SWP接口延時(shí)

    SWP 協(xié)議中定義的CLT（ C o n t a c t l e s s Tunnelling）幀格式，如圖4所示：

圖4 SWP CLT幀格式

    CLT Payload表示數(shù)據(jù)區(qū)，最大長(zhǎng)度為29byte，非接觸數(shù)據(jù)（ISO14443或ISO18092）加上相應(yīng)的校驗(yàn)數(shù)據(jù)，整體打包存放在該區(qū)域，如圖5所示：

圖5 CLT Payload數(shù)據(jù)區(qū)

    ISO18092或ISO14443幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成CLT幀時(shí)，會(huì)增加SOF，LLC control field，CRC16，EOF共5字節(jié)數(shù)據(jù)，在SWP為848K波特率條件下，理想收發(fā)的最小延時(shí)是：

    TCLF，delay = TCLF，receive + TCLF，transmit=(5+X)*8/BPS_swp+(5+Y)*8/BPS_swp

    其中，X為接收字節(jié)數(shù)，Y為回發(fā)字節(jié)數(shù)。即使按X，Y都為1的情況，以SWP波特率848K計(jì)算，Tclf.delay也要大于113us。隨著應(yīng)用數(shù)據(jù)的增多，延遲時(shí)間也隨之增多。ISO14443-4定義了非接觸應(yīng)用層協(xié)議，對(duì)響應(yīng)時(shí)間沒有嚴(yán)格規(guī)定，因此SWP接口可以實(shí)現(xiàn)SE-CLF的卡片模擬功能，但要求PCD等待PICC響應(yīng)的超時(shí)設(shè)置相對(duì)長(zhǎng)一些，否則會(huì)發(fā)生兼容性問題。這是SWP接口面臨的一個(gè)問題。根據(jù)ISO14443-3標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，REQA、WUPA、ANTICOLLISION、SELECT（尋卡、喚醒、防沖突、選卡） 幾條指令（ 此處僅針對(duì)t y p e A標(biāo)準(zhǔn)分析），P ICC對(duì)PCD最小響應(yīng)時(shí)間是1172/F c（Fc=13.56MHz），換算為時(shí)間約86us，即使將SWP接口速度提至標(biāo)準(zhǔn)的極限，再加上芯片的數(shù)據(jù)處理時(shí)間，這些指令也無法通過SWP接口及時(shí)完成。因此在已出現(xiàn)的近場(chǎng)通訊解決方案中，ISO14443-3的指令由CLF直接響應(yīng)，當(dāng)進(jìn)入ISO14443-4層協(xié)議時(shí)，再通過SWP接口由SE對(duì)PCD響應(yīng)。

圖6 近場(chǎng)通訊設(shè)備響應(yīng)非接觸指令的劃分

    雖然這樣實(shí)現(xiàn)的卡片模擬功能，除了稍微增加了一些延時(shí)之外，功能上與普通卡片表現(xiàn)一致，但其背后隱含著另一個(gè)比較嚴(yán)重的問題。ISO14443-3定義的幾條指令會(huì)處理卡片的UID（唯一識(shí)別碼）。UID在非接觸應(yīng)用系統(tǒng)中非常重要，通常是一卡一密模式密鑰分散的因子，并且非常多的應(yīng)用系統(tǒng)中以UID作為卡片的識(shí)別標(biāo)志。當(dāng)SWP近場(chǎng)通訊方案中，由CLF完成ISO14443-3協(xié)議時(shí)，是CLF回答UID給PCD，必然要求SWP SIM卡在放入近場(chǎng)通訊終端時(shí)，通過同步操作事先將SWP SIM卡的UID傳送至CLF并保存。普通IC卡的UID在出廠后是不允許被改動(dòng)的，并且各IC卡廠商和運(yùn)營(yíng)商制定了多種管理辦法來保證UID的唯一性。由于機(jī)卡分離的結(jié)構(gòu)，近場(chǎng)通訊終端可能被置入不同的SWP SIM卡，這意味著CLF的UID必定是可被改寫的。當(dāng)UID可被改寫后，UID的唯一性管理將面臨重大挑戰(zhàn)，會(huì)導(dǎo)致一些應(yīng)用系統(tǒng)的帳務(wù)管理發(fā)生混亂（UID重號(hào)帶來對(duì)賬無法完成），并降低系統(tǒng)的安全性（克隆卡難度降低）。

    因此，盡管SWP已經(jīng)成為近場(chǎng)通訊的一種主流解決方案，相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也制定出臺(tái)，但SWP接口存在的延時(shí)問題和衍生的UID管理問題，對(duì)近場(chǎng)通訊將來的發(fā)展會(huì)有一定的影響，需要有一種更有效的解決方案。

    復(fù)旦微電子推出的SMAP3.0解決方案，通過機(jī)卡分離、多卡多用的通用架構(gòu)，可以有效地推動(dòng)近場(chǎng)通訊終端的開發(fā)。在SMAP3.0方案中，結(jié)合SWP和S2C接口的各自優(yōu)點(diǎn)，提出了一種增強(qiáng)的、實(shí)時(shí)傳輸單線接口eSWP。

    由于ISO14443標(biāo)準(zhǔn)自-1至-4部分，詳細(xì)定義了從物理層到應(yīng)用協(xié)議層的規(guī)范，并在大量的非接觸IC卡應(yīng)用中得到檢驗(yàn)，其協(xié)議是完備可靠的。eSWP接口在保持對(duì)SWP協(xié)議兼容的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展出一種基于單線的透明傳輸模式，CLF-SE接口直接采用重新實(shí)時(shí)編碼的ISO14443通訊協(xié)議，得到了與S2C接口同樣的實(shí)時(shí)和兼容的效果。采用了這種模式，使得SE有能力處理包括ISO14443-3部分在內(nèi)的所有非接觸指令，即解決了應(yīng)用兼容性問題—CLF-SE架構(gòu)實(shí)現(xiàn)的卡片時(shí)序特性與標(biāo)準(zhǔn)PICC完全一致，又解決了UID管理問題—UID不必預(yù)先由SE轉(zhuǎn)存至CLF，而是由SE直接回復(fù)。CLF完全變成透明傳輸通道，從而讓近場(chǎng)通訊解決方案實(shí)現(xiàn)機(jī)卡分離和非接觸兼容性良好統(tǒng)一。

    eSWP接口同樣區(qū)分type A類型和type B類型接口。對(duì)e SWP-A，CLF輸出的信號(hào)S1為電壓信號(hào)，編碼為Miller碼調(diào)制的載波信號(hào)，載波頻率為6.78MHz。SE回發(fā)的S2信號(hào)為電流調(diào)制信號(hào)，編碼為manchester帶848k副載波調(diào)制。回發(fā)時(shí)S1信號(hào)為沒有調(diào)制的載波信號(hào)。（下見圖7為S1輸出信號(hào)波形，圖8為S2回發(fā)信號(hào)編碼波形）。

    對(duì)eSWP-B，由于有連續(xù)的時(shí)鐘信號(hào)，CLF處理更加簡(jiǎn)單。CLF輸出到SE的S1信號(hào)采用1.69MHz的載波調(diào)制，邏輯單元1和0的定義可以與標(biāo)準(zhǔn)SWP保持一致，用載波時(shí)鐘占空比表示。再通過下圖的編碼方式表示ISO14443標(biāo)準(zhǔn)的邏輯信號(hào)（見圖9），eSWP-B信號(hào)波形可表示為（下見圖10、11）。

    綜上，SMAP3.0解決方案在支持通用的SWP接口基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了透明傳輸?shù)膃SWP模式，使得近場(chǎng)通訊終端仍然可以利用SIM卡或SD卡實(shí)現(xiàn)機(jī)卡分離的SE，但表現(xiàn)出與標(biāo)準(zhǔn)非接觸卡同等的非接觸性能，對(duì)于近場(chǎng)通訊終端與現(xiàn)存非接觸應(yīng)用融合發(fā)展，特別是與非接觸邏輯加密卡系統(tǒng)結(jié)合，有著無可替代的優(yōu)越性。（文/上海復(fù)旦微電子集團(tuán)股份有限公司 技術(shù)總監(jiān) 李蔚）

    【稿件聲明】：如需轉(zhuǎn)載，必須注明來源和作者，保留文中圖片和內(nèi)容的完整性，違者將依法追究。