通過(guò)擴展單線(xiàn)接口提升近場(chǎng)通訊應用安全性和兼容性

文章出處：http://psychicreadingswithdeb.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)通訊設備中，非接觸前端芯片CLF和安全單元SE之間的單線(xiàn)通信協(xié)議。該協(xié)議在典型的單線(xiàn)協(xié)議基礎上進(jìn)行擴展，實(shí)現CLF和SE的實(shí)時(shí)透明傳輸，可提升近場(chǎng)通訊設備卡片模擬的應用兼容性和安全性。

    經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，近場(chǎng)通訊技術(shù)逐漸趨于成熟穩定，隨著(zhù)Android平臺的新款近場(chǎng)通訊智能手機的陸續上市，期盼中的近場(chǎng)通訊市場(chǎng)大門(mén)終于打開(kāi)了，原來(lái)停留于紙面的各種移動(dòng)非接觸應用構思將一一實(shí)現。盡管近場(chǎng)通訊應用通常被劃分為三類(lèi)：卡片模擬、讀寫(xiě)器和點(diǎn)對點(diǎn)通信，但始終被人們所關(guān)注、最吸引眼球的應用，非移動(dòng)支付莫屬。所以說(shuō)近場(chǎng)通訊本質(zhì)上是一個(gè)非接觸智能卡的應用，無(wú)非是智能卡的載體發(fā)生了變化。從結構化的角度出發(fā)，近場(chǎng)通訊的實(shí)現方案采用的是雙芯片架構，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

    其中CLF芯片負責處理非接觸射頻接口和通訊協(xié)議，SE芯片負責處理智能卡的應用和數據管理。采用這種設計架構的優(yōu)點(diǎn)在于：

    1）CLF與SE雙芯片架構，容易實(shí)現機卡分離。CLF集成在終端上，實(shí)現完整的非接觸射頻接口；而智能卡應用涉及諸多安全要求，需要發(fā)行管理而后才進(jìn)入應用環(huán)節，SE從近場(chǎng)通訊終端上分離，可以獨立于終端之外單獨發(fā)行，管理上容易保持與現有系統的一致。
    2）智能卡往往是封閉應用環(huán)境，不同地區不同應用之間，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，通用近場(chǎng)通訊終端可與不同的SE搭配實(shí)現不同的應用需求。
    3）CLF及其射頻天線(xiàn)集成在終端上，易于實(shí)現一致性的非接觸接口性能。

    近場(chǎng)通訊終端實(shí)現卡片模擬功能，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€(xiàn)協(xié)議接口SWP（ETSI TS 102 613標準）和兩線(xiàn)接口S2C（NFC-WI接口標準）。由于SWP接口和SIM卡標準有機地結合于一體，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接口因為采用了透明的傳輸方式，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，應用兼容性最好，但因需占用兩個(gè)連線(xiàn)，無(wú)法與SIM卡結合使用，因此出現基于該接口的全終端方案（CLF和SE合封之后集成在手機主板上），但全終端方案無(wú)法做到機卡分離，在一定程度上制約了應用發(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)議數據包時(shí)，需要將ISO14443協(xié)議數據轉換成符合SWP協(xié)議的數據包，增加MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）層及LLC（邏輯鏈路控制）層，組成SWP數據幀，如圖2所示：

圖2 SWP幀結構

    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準的非接觸IC卡（PICC）在響應非接觸識別設備（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(lái)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表示數據區，最大長(cháng)度為29byte，非接觸數據（ISO14443或ISO18092）加上相應的校驗數據，整體打包存放在該區域，如圖5所示：

圖5 CLT Payload數據區

    ISO18092或ISO14443幀數據轉化成CLT幀時(shí)，會(huì )增加SOF，LLC control field，CRC16，EOF共5字節數據，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為接收字節數，Y為回發(fā)字節數。即使按X，Y都為1的情況，以SWP波特率848K計算，Tclf.delay也要大于113us。隨著(zhù)應用數據的增多，延遲時(shí)間也隨之增多。ISO14443-4定義了非接觸應用層協(xié)議，對響應時(shí)間沒(méi)有嚴格規定，因此SWP接口可以實(shí)現SE-CLF的卡片模擬功能，但要求PCD等待PICC響應的超時(shí)設置相對長(cháng)一些，否則會(huì )發(fā)生兼容性問(wèn)題。這是SWP接口面臨的一個(gè)問(wèn)題。根據ISO14443-3標準規定，REQA、WUPA、ANTICOLLISION、SELECT（尋卡、喚醒、防沖突、選卡） 幾條指令（ 此處僅針對t y p e A標準分析），P ICC對PCD最小響應時(shí)間是1172/F c（Fc=13.56MHz），換算為時(shí)間約86us，即使將SWP接口速度提至標準的極限，再加上芯片的數據處理時(shí)間，這些指令也無(wú)法通過(guò)SWP接口及時(shí)完成。因此在已出現的近場(chǎng)通訊解決方案中，ISO14443-3的指令由CLF直接響應，當進(jìn)入ISO14443-4層協(xié)議時(shí)，再通過(guò)SWP接口由SE對PCD響應。

圖6 近場(chǎng)通訊設備響應非接觸指令的劃分

    雖然這樣實(shí)現的卡片模擬功能，除了稍微增加了一些延時(shí)之外，功能上與普通卡片表現一致，但其背后隱含著(zhù)另一個(gè)比較嚴重的問(wèn)題。ISO14443-3定義的幾條指令會(huì )處理卡片的UID（唯一識別碼）。UID在非接觸應用系統中非常重要，通常是一卡一密模式密鑰分散的因子，并且非常多的應用系統中以UID作為卡片的識別標志。當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(guò)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(chǎng)后是不允許被改動(dòng)的，并且各IC卡廠(chǎng)商和運營(yíng)商制定了多種管理辦法來(lái)保證UID的唯一性。由于機卡分離的結構，近場(chǎng)通訊終端可能被置入不同的SWP SIM卡，這意味著(zhù)CLF的UID必定是可被改寫(xiě)的。當UID可被改寫(xiě)后，UID的唯一性管理將面臨重大挑戰，會(huì )導致一些應用系統的帳務(wù)管理發(fā)生混亂（UID重號帶來(lái)對賬無(wú)法完成），并降低系統的安全性（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，相應的技術(shù)標準也制定出臺，但SWP接口存在的延時(shí)問(wèn)題和衍生的UID管理問(wèn)題，對近場(chǎng)通訊將來(lái)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。

    復旦微電子推出的SMAP3.0解決方案，通過(guò)機卡分離、多卡多用的通用架構，可以有效地推動(dòng)近場(chǎng)通訊終端的開(kāi)發(fā)。在SMAP3.0方案中，結合SWP和S2C接口的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，提出了一種增強的、實(shí)時(shí)傳輸單線(xiàn)接口eSWP。

    由于ISO14443標準自-1至-4部分，詳細定義了從物理層到應用協(xié)議層的規范，并在大量的非接觸IC卡應用中得到檢驗，其協(xié)議是完備可靠的。eSWP接口在保持對SWP協(xié)議兼容的基礎上，擴展出一種基于單線(xiàn)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部分在內的所有非接觸指令，即解決了應用兼容性問(wèn)題—CLF-SE架構實(shí)現的卡片時(shí)序特性與標準PICC完全一致，又解決了UID管理問(wèn)題—UID不必預先由SE轉存至CLF，而是由SE直接回復。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)現機卡分離和非接觸兼容性良好統一。

    eSWP接口同樣區分type A類(lèi)型和type B類(lèi)型接口。對e SWP-A，CLF輸出的信號S1為電壓信號，編碼為Miller碼調制的載波信號，載波頻率為6.78MHz。SE回發(fā)的S2信號為電流調制信號，編碼為manchester帶848k副載波調制?；匕l(fā)時(shí)S1信號為沒(méi)有調制的載波信號。（下見(jiàn)圖7為S1輸出信號波形，圖8為S2回發(fā)信號編碼波形）。

    對eSWP-B，由于有連續的時(shí)鐘信號，CLF處理更加簡(jiǎn)單。CLF輸出到SE的S1信號采用1.69MHz的載波調制，邏輯單元1和0的定義可以與標準SWP保持一致，用載波時(shí)鐘占空比表示。再通過(guò)下圖的編碼方式表示ISO14443標準的邏輯信號（見(jiàn)圖9），eSWP-B信號波形可表示為（下見(jiàn)圖10、11）。

    綜上，SMAP3.0解決方案在支持通用的SWP接口基礎上，擴展了透明傳輸的eSWP模式，使得近場(chǎng)通訊終端仍然可以利用SIM卡或SD卡實(shí)現機卡分離的SE，但表現出與標準非接觸卡同等的非接觸性能，對于近場(chǎng)通訊終端與現存非接觸應用融合發(fā)展，特別是與非接觸邏輯加密卡系統結合，有著(zhù)無(wú)可替代的優(yōu)越性。（文/上海復旦微電子集團股份有限公司 技術(shù)總監 李蔚）

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