通过扩展单线接口提升近场通讯应用安全性和兼容性

文章出处：http://www.singbon.com 作者： 人气： 发表时间：2012年03月30日

    摘要：本文介绍了一种近场通讯设备中，非接触前端芯片CLF和安全单元SE之间的单线通信协议。该协议在典型的单线协议基础上进行扩展，实现CLF和SE的实时透明传输，可提升近场通讯设备卡片模拟的应用兼容性和安全性。

    经过多年的发展，近场通讯技术逐渐趋于成熟稳定，随着Android平台的新款近场通讯智能手机的陆续上市，期盼中的近场通讯市场大门终于打开了，原来停留于纸面的各种移动非接触应用构思将一一实现。尽管近场通讯应用通常被划分为三类：卡片模拟、读写器和点对点通信，但始终被人们所关注、最吸引眼球的应用，非移动支付莫属。所以说近场通讯本质上是一个非接触智能卡的应用，无非是智能卡的载体发生了变化。从结构化的角度出发，近场通讯的实现方案采用的是双芯片架构，即CLF（Contactless Front非接触前端）芯片和SE（Security Element安全模块）芯片，如图1所示：

 

图1 近场通讯架构

    其中CLF芯片负责处理非接触射频接口和通讯协议，SE芯片负责处理智能卡的应用和数据管理。采用这种设计架构的优点在于：

    1）CLF与SE双芯片架构，容易实现机卡分离。CLF集成在终端上，实现完整的非接触射频接口；而智能卡应用涉及诸多安全要求，需要发行管理而后才进入应用环节，SE从近场通讯终端上分离，可以独立于终端之外单独发行，管理上容易保持与现有系统的一致。
    2）智能卡往往是封闭应用环境，不同地区不同应用之间，即使是同一款智能卡，其初始化配置也会不同。CLF与SE架构，通用近场通讯终端可与不同的SE搭配实现不同的应用需求。
    3）CLF及其射频天线集成在终端上，易于实现一致性的非接触接口性能。

    近场通讯终端实现卡片模拟功能，由CLF和SE联合完成，CLF与SE之间需要定义连接接口。目前被广泛接受的接口主要有两种：单线协议接口SWP（ETSI TS 102 613标准）和两线接口S2C（NFC-WI接口标准）。由于SWP接口和SIM卡标准有机地结合于一体，使得SIM卡非常适合作为NFC终端的SE，这种接口的市场接受度高一些。S2C接口因为采用了透明的传输方式，使得SE与CLF模拟的卡片特性最大程度上与普通非接触卡保持一致，应用兼容性最好，但因需占用两个连线，无法与SIM卡结合使用，因此出现基于该接口的全终端方案（CLF和SE合封之后集成在手机主板上），但全终端方案无法做到机卡分离，在一定程度上制约了应用发展。

    作为主流的CLF-SE接口，SWP定义了完整的一套通讯协议，在SE和CLF之间传输ISO14443协议数据包时，需要将ISO14443协议数据转换成符合SWP协议的数据包，增加MAC（介质访问控制）层及LLC（逻辑链路控制）层，组成SWP数据帧，如图2所示：

 

图2 SWP帧结构

    SWP协议的编码和解码、组帧和解帧，再加上接口传输时间，使得近场通讯终端模拟的卡片比标准的非接触IC卡（PICC）在响应非接触识别设备（PCD）的时序上有所不同，如图3所示，Tclf，receive和Tclf，transmit表示了SWP接口带来的额外延迟时间，SWP接口延时表示为：

    TCLF，delay = TCLF，receive + TCLF，transmit

 

图3 SWP接口延时

    SWP 协议中定义的CLT（ C o n t a c t l e s s Tunnelling）帧格式，如图4所示：

 

图4 SWP CLT帧格式

    CLT Payload表示数据区，最大长度为29byte，非接触数据（ISO14443或ISO18092）加上相应的校验数据，整体打包存放在该区域，如图5所示：

 

图5 CLT Payload数据区

    ISO18092或ISO14443帧数据转化成CLT帧时，会增加SOF，LLC control field，CRC16，EOF共5字节数据，在SWP为848K波特率条件下，理想收发的最小延时是：

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

    其中，X为接收字节数，Y为回发字节数。即使按X，Y都为1的情况，以SWP波特率848K计算，Tclf.delay也要大于113us。随着应用数据的增多，延迟时间也随之增多。ISO14443-4定义了非接触应用层协议，对响应时间没有严格规定，因此SWP接口可以实现SE-CLF的卡片模拟功能，但要求PCD等待PICC响应的超时设置相对长一些，否则会发生兼容性问题。这是SWP接口面临的一个问题。根据ISO14443-3标准规定，REQA、WUPA、ANTICOLLISION、SELECT（寻卡、唤醒、防冲突、选卡） 几条指令（ 此处仅针对t y p e A标准分析），P ICC对PCD最小响应时间是1172/F c（Fc=13.56MHz），换算为时间约86us，即使将SWP接口速度提至标准的极限，再加上芯片的数据处理时间，这些指令也无法通过SWP接口及时完成。因此在已出现的近场通讯解决方案中，ISO14443-3的指令由CLF直接响应，当进入ISO14443-4层协议时，再通过SWP接口由SE对PCD响应。

 

图6 近场通讯设备响应非接触指令的划分

    虽然这样实现的卡片模拟功能，除了稍微增加了一些延时之外，功能上与普通卡片表现一致，但其背后隐含着另一个比较严重的问题。ISO14443-3定义的几条指令会处理卡片的UID（唯一识别码）。UID在非接触应用系统中非常重要，通常是一卡一密模式密钥分散的因子，并且非常多的应用系统中以UID作为卡片的识别标志。当SWP近场通讯方案中，由CLF完成ISO14443-3协议时，是CLF回答UID给PCD，必然要求SWP SIM卡在放入近场通讯终端时，通过同步操作事先将SWP SIM卡的UID传送至CLF并保存。普通IC卡的UID在出厂后是不允许被改动的，并且各IC卡厂商和运营商制定了多种管理办法来保证UID的唯一性。由于机卡分离的结构，近场通讯终端可能被置入不同的SWP SIM卡，这意味着CLF的UID必定是可被改写的。当UID可被改写后，UID的唯一性管理将面临重大挑战，会导致一些应用系统的帐务管理发生混乱（UID重号带来对账无法完成），并降低系统的安全性（克隆卡难度降低）。

    因此，尽管SWP已经成为近场通讯的一种主流解决方案，相应的技术标准也制定出台，但SWP接口存在的延时问题和衍生的UID管理问题，对近场通讯将来的发展会有一定的影响，需要有一种更有效的解决方案。

    复旦微电子推出的SMAP3.0解决方案，通过机卡分离、多卡多用的通用架构，可以有效地推动近场通讯终端的开发。在SMAP3.0方案中，结合SWP和S2C接口的各自优点，提出了一种增强的、实时传输单线接口eSWP。

    由于ISO14443标准自-1至-4部分，详细定义了从物理层到应用协议层的规范，并在大量的非接触IC卡应用中得到检验，其协议是完备可靠的。eSWP接口在保持对SWP协议兼容的基础上，扩展出一种基于单线的透明传输模式，CLF-SE接口直接采用重新实时编码的ISO14443通讯协议，得到了与S2C接口同样的实时和兼容的效果。采用了这种模式，使得SE有能力处理包括ISO14443-3部分在内的所有非接触指令，即解决了应用兼容性问题—CLF-SE架构实现的卡片时序特性与标准PICC完全一致，又解决了UID管理问题—UID不必预先由SE转存至CLF，而是由SE直接回复。CLF完全变成透明传输通道，从而让近场通讯解决方案实现机卡分离和非接触兼容性良好统一。

    eSWP接口同样区分type A类型和type B类型接口。对e SWP-A，CLF输出的信号S1为电压信号，编码为Miller码调制的载波信号，载波频率为6.78MHz。SE回发的S2信号为电流调制信号，编码为manchester带848k副载波调制。回发时S1信号为没有调制的载波信号。（下见图7为S1输出信号波形，图8为S2回发信号编码波形）。

 

    对eSWP-B，由于有连续的时钟信号，CLF处理更加简单。CLF输出到SE的S1信号采用1.69MHz的载波调制，逻辑单元1和0的定义可以与标准SWP保持一致，用载波时钟占空比表示。再通过下图的编码方式表示ISO14443标准的逻辑信号（见图9），eSWP-B信号波形可表示为（下见图10、11）。

    综上，SMAP3.0解决方案在支持通用的SWP接口基础上，扩展了透明传输的eSWP模式，使得近场通讯终端仍然可以利用SIM卡或SD卡实现机卡分离的SE，但表现出与标准非接触卡同等的非接触性能，对于近场通讯终端与现存非接触应用融合发展，特别是与非接触逻辑加密卡系统结合，有着无可替代的优越性。（文/上海复旦微电子集团股份有限公司 技术总监 李蔚）

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