通過擴展單線接口提升近場通訊應用安全性和兼容性

文章出處：http://hz-huyue.com 作者： 人氣： 發表時間：2012年03月30日

    摘要：本文介紹了一種近場通訊設備中，非接觸前端芯片CLF和安全單元SE之間的單線通信協議。該協議在典型的單線協議基礎上進行擴展，實現CLF和SE的實時透明傳輸，可提升近場通訊設備卡片模擬的應用兼容性和安全性。

    經過多年的發展，近場通訊技術逐漸趨于成熟穩定，隨著Android平臺的新款近場通訊智能手機的陸續上市，期盼中的近場通訊市場大門終于打開了，原來停留于紙面的各種移動非接觸應用構思將一一實現。盡管近場通訊應用通常被劃分為三類：卡片模擬、讀寫器和點對點通信，但始終被人們所關注、最吸引眼球的應用，非移動支付莫屬。所以說近場通訊本質上是一個非接觸智能卡的應用，無非是智能卡的載體發生了變化。從結構化的角度出發，近場通訊的實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 近場通訊架構

    其中CLF芯片負責處理非接觸射頻接口和通訊協議，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點在于：

    1）CLF與SE雙芯片架構，容易實現機卡分離。CLF集成在終端上，實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，需要發行管理而后才進入應用環節，SE從近場通訊終端上分離，可以獨立于終端之外單獨發行，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，其初始化配置也會不同。CLF與SE架構，通用近場通訊終端可與不同的SE搭配實現不同的應用需求。
    3）CLF及其射頻天線集成在終端上，易于實現一致性的非接觸接口性能。

    近場通訊終端實現卡片模擬功能，由CLF和SE聯合完成，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：單線協議接口SWP（ETSI TS 102 613標準）和兩線接口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，但因需占用兩個連線，無法與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），但全終端方案無法做到機卡分離，在一定程度上制約了應用發展。

    作為主流的CLF-SE接口，SWP定義了完整的一套通訊協議，在SE和CLF之間傳輸ISO14443協議數據包時，需要將ISO14443協議數據轉換成符合SWP協議的數據包，增加MAC（介質訪問控制）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協議的編碼和解碼、組幀和解幀，再加上接口傳輸時間，使得近場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間，SWP接口延時表示為：

    TCLF，delay = TCLF，receive + TCLF，transmit

圖3 SWP接口延時

    SWP 協議中定義的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，會增加SOF，LLC control field，CRC16，EOF共5字節數據，在SWP為848K波特率條件下，理想收發的最小延時是：

    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。隨著應用數據的增多，延遲時間也隨之增多。ISO14443-4定義了非接觸應用層協議，對響應時間沒有嚴格規定，因此SWP接口可以實現SE-CLF的卡片模擬功能，但要求PCD等待PICC響應的超時設置相對長一些，否則會發生兼容性問題。這是SWP接口面臨的一個問題。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最小響應時間是1172/F c（Fc=13.56MHz），換算為時間約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間，這些指令也無法通過SWP接口及時完成。因此在已出現的近場通訊解決方案中，ISO14443-3的指令由CLF直接響應，當進入ISO14443-4層協議時，再通過SWP接口由SE對PCD響應。

圖6 近場通訊設備響應非接觸指令的劃分

    雖然這樣實現的卡片模擬功能，除了稍微增加了一些延時之外，功能上與普通卡片表現一致，但其背后隱含著另一個比較嚴重的問題。ISO14443-3定義的幾條指令會處理卡片的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近場通訊方案中，由CLF完成ISO14443-3協議時，是CLF回答UID給PCD，必然要求SWP SIM卡在放入近場通訊終端時，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的，并且各IC卡廠商和運營商制定了多種管理辦法來保證UID的唯一性。由于機卡分離的結構，近場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UID可被改寫后，UID的唯一性管理將面臨重大挑戰，會導致一些應用系統的帳務管理發生混亂（UID重號帶來對賬無法完成），并降低系統的安全性（克隆卡難度降低）。

    因此，盡管SWP已經成為近場通訊的一種主流解決方案，相應的技術標準也制定出臺，但SWP接口存在的延時問題和衍生的UID管理問題，對近場通訊將來的發展會有一定的影響，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，通過機卡分離、多卡多用的通用架構，可以有效地推動近場通訊終端的開發。在SMAP3.0方案中，結合SWP和S2C接口的各自優點，提出了一種增強的、實時傳輸單線接口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議層的規范，并在大量的非接觸IC卡應用中得到檢驗，其協議是完備可靠的。eSWP接口在保持對SWP協議兼容的基礎上，擴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時編碼的ISO14443通訊協議，得到了與S2C接口同樣的實時和兼容的效果。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題—CLF-SE架構實現的卡片時序特性與標準PICC完全一致，又解決了UID管理問題—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，從而讓近場通訊解決方案實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類型和type B類型接口。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回發的S2信號為電流調制信號，編碼為manchester帶848k副載波調制?；匕l時S1信號為沒有調制的載波信號。（下見圖7為S1輸出信號波形，圖8為S2回發信號編碼波形）。

    對eSWP-B，由于有連續的時鐘信號，CLF處理更加簡單。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，用載波時鐘占空比表示。再通過下圖的編碼方式表示ISO14443標準的邏輯信號（見圖9），eSWP-B信號波形可表示為（下見圖10、11）。

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

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