利用HCE功能的非接触式IC卡读写器与手机NFC直接通信

2015-06-26 11:46:17 重庆诺塔斯智能科技有限公司 893

      首先为大家介绍一下HCE概念

HCE(host-based cardemulation),即基于主机的卡模拟。

在一部配备NFC功能的手机实现卡模拟,目前有两种方式:一种是基于硬件的,称为虚拟卡模式(Virtual Card Mode);一种是基于软件的,被称为主机卡模式(Host Card Mode)。

在虚拟卡模式下,需要提供安全模块SE(Secure Elemen),SE提供对敏感信息的安全存储和对交易事务提供一个安全的执行环境。NFC芯片作为非接触通讯前端,将从外部读写器接收到的命令转发到SE,然后由SE处理,并通过NFC控制器回复。

在主机卡模式下,不需要提供SE,而是由在手机中运行的一个应用或云端的服务器完成SE的功能,此时NFC芯片接收到的数据由操作系统或发送至手机 中的应用,或通过移动网络发送至云端的服务器来完成交互。两种方式的特点都是绕过了手机内置的SE的限制。这一标准的妙处在于,它不需要整个行业为了控制 安全元件而争斗。

      HCE技术诞生的背景

   NFC(Near Field Communication)是“近场通讯”的简称,采用短距离RF(射频)通讯技术。NFC 工作频率为13.56Hz,有效范围为500px 以内,其传输速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三种,能够应用在手机/平板、电脑/游戏机、印表机、电子产品,甚至家电设备中。

   NFC技术已经有十来年历史,在过去的几年里一直被称为很有前景的便利移动支付技术。但即使在NFC手机日渐成为智能机标配的今天,基于NFC的移 动支付却没有在消费者群体中形成气候。一个重要的原因在于:所有人都在争着控制NFC 技术的安全元件(the Secure Element)。安全元件,顾名思义,是保证财产信息安全的,控制这个就可以控制每一笔交易的费用。SE导致了金融机构、OEM和运营商之间无休止的争 斗,没办法联合起来,这使得NFC移动支付发展缓慢。

   使用基于主机的卡模拟时(HCE),NFC 控制器从外部读写终端接收到的数据将直接被发送到主机系统上,而不是安全模块。

NFC卡模拟

NFC标准对Android支持

NFC标准对很多智能卡通讯协议提供了支持,而Android4.4系统也支持包括主流智能卡应用在内的很多非接触智能卡协议,因此使用NFC手机和HCE应用,就可以方便的模拟出不同类型的智能卡应用。

同样市场上很多NFC读卡终端也支持这些协议,包括一部支持NFC的Android设备作为读卡器本身。这样通过HCE技术我们只用Android设备就可以部署一个端对端的NFC解决方案。

Android4.4系统使用NFC论坛制定的的ISO-DEP标准协议(基于ISO/IEC14443-4(ISO-DEP)标准)进行数据传输,传输的数据单元被称为应用协议数据单元(APDUs)。

另外,在数字协议方面(相当于MAC层协议)Android系统只要求对顶层的NFC-A(ISO/IEC 14443-3 Type A)技术提供支持,而对NFC-B技术的(ISO/IEC 14443-3 Type B)的支持则是可选的,这些技术提供了包括初始化、冲突检测等解决方案。

HCE技术NFC通信方式

Android系统上的HCE技术是通过系统服务实现的(HCE服务)。使用服务的一大优势是它可以一直在后台运行而不需要有用户界面。这个特点就 使得HCE技术非常适合像会员卡、交通卡、门禁卡这类的交易,当用户使用时无需打开程序,只需要将手机放到NFC读卡器的识别范围内,交易就会在后台进 行。当然更推荐为用户提供配套的HCE应用UI界面,这样除了像普通的智能卡片一样刷卡使用以外,还可以通过UI界面为用户提供更多的在线服务功能,包括 查询、充值和信息推送等。

当用户将手机放到NFC读卡器的识别范围时,Android系统需要知道读卡器真正想要和哪个HCE服务交互,这样它才能将接收到的数据发送到相应 的HCE应用。HCE参考ISO7816规范,定义了一种通过应用程序AID来选择相应应用的方法。因此,如果要为自己的新的读卡设施部署NFC应用,就 需要定义自己的AID。

HCE技术实现NFC模拟

在手机上用HCE技术实现NFC卡模拟,首先要创建一个处理交易事务的HCE 服务,Android4.4为HCE服务提供了一个非常方便的基类,我们可以通过继承基类来实现自己的HCE服务。如果要开发已存在的NFC系统,我们只 需要在 HCE 服务中实现NFC 读卡器期望的应用层协议。反之如果要开发自己的新的NFC 系统,我们就需要定义自己的协议和APDU 序列。一般而言我们应该保证数据交换时使用很少的APDU包数量和很小的数据量,这样用户就不必花很长时间将手机放在NFC 读卡器上。

HCE 技术只是实现了将NFC 读卡器的数据送至操作系统的HCE 服务或者将回复数据返回给NFC 读卡器,而对于数据的处理和敏感信息的存储则没有具体实现细,所以说到底HCE 技术是模拟NFC 和SE 通信的协议和实现。但是HCE 并没有实现SE,只是用NFC 与SE 通信的方式告诉NFC 读卡器后面有SE的支持,从而以虚拟SE 的方式完成NFC 业务的安全保证。既然没有SE,那么HCE 用什么来充当SE 呢,解决方案要么是本地软件的模拟,要么是云端服务器的模拟。负责安全的SE如何通过本地化的软件或者远程的云端实现,并且能够保障安全性,需要HCE厂 商自己考虑和实现。

HCE方案与SE方案的路由和兼容

支持HCE功能的Android4.4手机,很多也同时支持SWP-SIM或者SWP-SD之类的SE模式实现手机支付功能,因此存在一个应用 AID路由的问题,通常是由CLF芯片中的AID路由表来负责进行相关的路由工作,由手机生产厂商负责开发实现具体的规则。具体系统架构和指令流向如下 图:

HCE技术实现

因为CLF芯片的路由表,是通过读卡终端发送的Select指令中的应用AID来进行区分和路由的,因此对于SE(SWP-SIM)和手机 HOSTCPU中的HCE应用,如果各自支持的具体智能卡应用的AID均不相同,则不会出现任何路由和兼容性的问题,所有的应用均能够被正确识别和分别路 由到SE(SWP-SIM)或者HCE应用,并正常完成交易的实现和处理。

如果SE(SWP-SIM)和手机HOST CPU中的HCE应用,支持的智能卡应用中有相同的AID,则存在一个路由优先级的问题,同时涉及到支持SE(SWP-SIM)的设备升级到Android4.4之后,对于SWP-SIM中原有的应用的兼容问题。

按照google提供的Android API的要求,HCE APP的路由优先级更高,表示说如果存在相同的AID的应用,则会被优先路由到HCE应用来处理,那么SWP-SIM中的相同AID的应用将无法被调用和 使用,会出现系统升级到4.4版本后,无法兼容既有应用使用的问题,除非不安装HCE 应用。

因此运营商的定制手机,通常会要求修改一下路由的优先级,使SE(SWP-SIM)的路由优先级更好,即如果存在相同的AID的应用,则会被优先路由到SWP-SIM来处理,确保对于旧时发行的支持SE的设备,在系统升级到4.4之后的兼容性。

HCE技术的关键大事记

2012/09/19,SimplyTapp在Android第三方CyanogenMod固件中实现主机卡模拟技术HCE;

2013/11/01,Google发布最新的Android4.4操作系统,支持主机卡模拟HCE技术,目前已通过谷歌钱包将HCE应用到Nexus 5手机中,可支持Paypass;

2013/12/13,美国连锁咖啡TimHortons在北美4000多家门店推出基于HCE的NFC支付应用;

2014/02/17,西班牙银行Bankinter发布基于HCE技术的虚拟卡手机钱包;

2014/02/19,Visa和万事达卡同时宣布将基于HCE技术推动云端移动支付;

2014/02/20,全球智能卡制造商ABnote与SimplyTapp合作,将HCE技术加入到其TSM平台中。

2015/04/05,重庆诺塔斯智能科技研发了支持HCE技术的NFC读写器。

NFC读写器技术参数如下:

产品型号

L3-W

频率

13.56MHz

标准

ISO 14443A,ISO14443B,ISO 15693

支持芯片

1.ISO14443A:Mifare_One(S50&S70)/UltraLight/Mifare_Pro
2.ISO14443B:AT88RF020/SR176/SRIX4K/SLE66CL160S/THR1064及其它完全遵守ISO14443A协议的非接触CPU卡
3.15693:Tag_it HF-1/I.CODE SLI、手机NFC

操作系统

Microsoft Windows2000/xp/Win7,Pocket PC 2002/2003,Windows CE 5.0,Windows Mobile 5.0/6.0/6.5,Android、IOS、Linux等

接口

IEEE 802.11b/g/n ,IEEE 802.3/802.3u, IEEE 802.1X等

电源

USB 5V(暂无电池设计)

指 示 灯

绿灯表示工作状态,红灯表示正在读写卡操作

读写距离

ISO 15693:5CM(取决于天线的结构和使用环境)
ISO 14443A/B:3.5CM(取决于天线的结构和使用环境)

外形尺寸

11cm*7cm*1cm

重量

约100g

功耗

5 mA (typical) standby;90 mA (typical) field scanning;3.3V (typical) operation

开发环境

C++,VC,Java,C#,vb,vb.net,pb,Delphi,Android,IOS

应用领域

仓库管理、人员识别、门票管理、列车检票、电力巡查、监狱管理、钢瓶管理、食品仿伪、包裹跟踪、产品质检、药品管理

使用手册

WIFI RFID Reader

开 发 包

C++,VC,Java,C#,vb,vb.net,pb,Delphi,Android,js等

NFC读写器