通過CCID接口讓NFC智能手機實現近場通信

NFC手機通過CCID接口完成近場通信所需解決的主要問題就是在ISO14433規(guī)范中擴展CLF的功能，令CLF支持CCID，并從定制終端開始將CLF的此種功能發(fā)展成為NFC手機的標配。

NFC手機配SWP SIM卡是目前國際規(guī)范定義的組合,SWP SIM卡需要NFC手機的支持,手機的NFC功能也只是為SWP SIM卡服務。但隨著智能卡技術的演進,這一切未必一成不變。本文通過對現有的SWP與CCID技術的簡要分析和對比,創(chuàng)造性的提出一種NFC手機通過CCID接口完成近場通信的方法和原理,并簡述這種方法對手機SIM卡、終端、終端應用的影響和未來還須完成的工作。

1.背景

SIM卡如果要在移動支付和眾多移動網絡應用中承擔重任，最好能支持非接通信并擁有大容量。

大容量SIM卡要支持非接通信功能，必須具備以下條件：

(1)終端、卡的技術規(guī)范;

(2)終端、卡的測試規(guī)范;

(3)終端、卡的測試環(huán)境、模擬環(huán)境;

而現實情況是：

(1)沒有大容量SIM卡及其終端的非接技術規(guī)范，現行的普通容量SWP卡只定義了ISO/IEC 7816、SWP兩種接口;聯通大容量SIM卡及終端技術規(guī)范完善了ISO/IEC 7816中USB接口的定義及使用，但在之上疊加SWP功能，卻絕不是簡單照抄照搬國際規(guī)范，必須解決物理接口的選擇(“SWP和CCID”或“ISO/IEC 7816、SWP和CCID”)、邏輯通道的選擇(ISO/IEC 7816、SWP、CCID、大容量)、ISO/IEC 7816、SWP、CCID、大容量中任何兩個以上并發(fā)等技術難點;

(2)現有含兩個接口的SWP普通SIM卡的測試規(guī)范，即ETSI TS 102 694，在涉及到有USB接口的地方以FFS-For Fut-ure Study帶過，留待實現;

(3)現在測試SWP普通SIM卡，使用Com-prion公司的ICC Spectro，測試內容依照ETSI現有規(guī)范實現，圍繞ISO/IEC 7816、SWP兩個接口展開，而針對USB-IC、SWP的測試環(huán)境、模擬環(huán)境尚待開發(fā)。

所以，SWP大容量SIM卡的實現不是簡單的硬件、軟件、協議的疊加，我們需要換一種思路，探討更為可行的更具優(yōu)勢的解決方案：不通過SWP協議實現NFC功能。

2.SWP、7816、CCID的簡單比較

SWP是單線協議Single Wire Proto-col的縮寫，是由Gemalto公司前身之一的Axalto提出的基于SIM卡C6引腳的單線連接方案，屬于物理層協議。簡單來說，就是用一根數據線溝通SIM卡與NFC模塊，再通過NFC模塊的CLF與外部通訊。當NFC手機通過CLF前端接收POS機數據后，便通過C6管腳傳給SWP卡。CLF與POS機之間的射頻場頻率為13.56MHz，通訊速率有106、212、424、847kbps幾檔，目前使用106、212kbps居多。SWP規(guī)范要求每比特(bit)寬從590ns到10us，換算通訊速率小于2Mbps。

ISO/IEC 7816國際規(guī)范是接觸式智能卡必須遵循的規(guī)范，普通手機SIM卡在物理、電氣特性方面遵循該規(guī)范。目前大多數手機支持的ISO/IEC 7816接口傳輸速率在100kbps量級。

CCID(Integrated Circuit(s)Cards Interface Devicechip card inter-face device)規(guī)范定義了在USB通道上進行APDU(應用協議數據單元)封包格式及應用協議。符合CCID規(guī)范的USB設備既可以是讀卡器，也可以是集成了CCID與智能卡功能的一體設備，遵循中國聯通規(guī)范大容量SIM卡便是這樣的一體設備。

微軟公司在其Windows 2000及以上的操作系統(tǒng)上提供并支持CCID驅動，使設備生產廠商可以輕松的開發(fā)使用符合CCID接口標準的設備。同時，CCID接口標準支持PC/SC接口調用，使廣大開發(fā)者可以方便的對信息安全設備進行開發(fā)操作，在其它開源操作系統(tǒng)如Linux的眾多版本上，也有許多開源的CCID驅動可供開發(fā)者和使用者使用。多數采用Android操作系統(tǒng)的智能手機也支持CCID驅動并提供PC/SC編程接口。圖1所示為CCID協議定義的范圍示意圖。

圖1 CCID協議定義的范圍示意圖

聯通即將上市的大容量SIM卡為USB全速設備，總線速率達12Mbps，支持CCID協議。未來更可能升級為傳輸速率達480Mbps的USB高速接口，甚至傳輸速率為5Gbps的全雙工USB 3.0。

3.NFC手機的近場數據傳輸

SWP SIM卡基于SWP協議通過C6觸點與內置在終端的CLF進行數據通信。CLF與射頻天線連接，負責射頻信號的接收、發(fā)送和上層轉發(fā)，基于ISO/IEC 14443國際標準完成底層工作。

4.大容量卡模型

SIM卡的8個管腳功能示意圖如圖2所示，C6可以是SWP卡的傳輸通道，C4、C8為USB D+、D-。目前，中國聯通大容量SIM卡支持C4、C8管腳進行USB數據傳輸，應用協議包括CCID、海量存儲器，C6留待將來使用。圖3所示為大容量卡模型。

圖2 SWP卡工作模式示意圖

圖3大容量卡模型

5.使用CCID代替SWP

通常情況下，SWP軟件設計基于SWP標準和HCP(主機控制協議)標準。HCP標準是SWP協議之上的標準協議，定義了數據鏈路層之上的協議層——HCP路由層、HCP消息層以及應用層。底層SWP協議和上層HCP協議組成的協議棧共同完成NFC芯片與UICC通信的完整協議。該架構協議層級較多，實現、測試開銷較大。圖4所示為Android系統(tǒng)手機平臺的架構圖，原理圖如圖5所示。

圖4 Android系統(tǒng)手機平臺的架構圖

圖5 使用SWP協議的HCI架構圖

現在，我們設想在大容量SIM卡中采用CCID協議替換SWP+HCP協議的方式完成對非接數據的讀寫，原理圖如圖6所示。那么Android系統(tǒng)手機平臺LINUX KERNEL部分將變?yōu)槿鐖D7所示。

圖6 使用CCID協議的架構圖

圖7 新概念下Android系統(tǒng)手機平臺

從圖6可以看到：CLF前端以通常方式接收數據傳給終端，終端應用程序不需要通過SWP協議將數據傳遞給SIM卡，而是將NDEF格式的數據通過CCID傳遞給SIM卡。下面分析一下使用CCID代替SWP對SIM卡、手機和終端應用產生的影響。

5.1 對SIM卡的影響

支持SWP的用戶卡必須同時支持ISO/IEC 7816和SWP兩個協議棧，需要用戶卡的COS是多任務操作系統(tǒng)，并且這兩部分獨立管理。在SWP線上傳輸的是準數字信號，需要特定的接收和解調電路，信號的噪聲容限較低。而CCID接口是大容量卡必備的，所以，支持大容量卡的終端可以只支持CCID一種接口。采用CCID協議來替換SWP+ISO/IEC 7816或SWP+CCID甚至SWP+CCID+iso/IEC 7816協議，將減少大容量卡硬件芯片的SWP和ISO/IEC 7816電路部分，使得硬件處理和COS處理更加簡化，功耗降低。一些技術處理和難點如物理接口的選擇、邏輯通道的選擇、ISO/IEC 7816、SWP、CCID、大容量中任何兩個以上并發(fā)等問題都將迎刃而解。此套方案，SIM卡需要增加處理NDEF (NFC Data Exchanger Format)格式的數據。

5.2 對手機終端的影響

首先，CCID使大容量SIM卡變成擴展的手機存儲空間，開放的大容量區(qū)域易于用戶下載和自行管理，無論是通信還是存取數據都給用戶帶來前所未有的良好體驗。

第二，支持CCID的NFC手機需升級手機操作系統(tǒng)，手機可以先搜索SWP通道，如果存在，就將數據通過SWP通道發(fā)給SIM卡，如果不存在，就通過CCID通道發(fā)給SIM卡。所以，支持CCID的NFC手機并不影響對原有SWP卡的支持。

第三，由于SIM卡的安全特性和身份識別特性，它可以作為PSAM卡，與終端一同成為一個擁有一定權限的可信平臺和認證中心，承擔安全認證的功能。所以擁有NFC功能的手機除了一卡通應用，還可以承載更多應用：

(1)可以成為POS終端，對銀行卡進行余額查詢和扣費。

(2)可以辯別身份證的真?zhèn)危私獬挚ㄈ说男庞脿顩r。

(3)可以將煤氣費、水費、電費等信息寫入標簽置于門外供查表員讀取和查表員與用戶互動。

5.3 對終端應用的影響

由于通信速率的提升，刷卡速度將會提升。目前，無論是全卡方案，還是SWP方案，刷卡速度都是工程師們致力解決的問題，目前城市一卡通中要求刷卡速度低于300ms，而影響這一結果的因素有二：

(1)通信速率，通信方面對整個刷卡所占比重極小，隨著CCID接口速度的提升，幾乎可以忽略。

(2)芯片對數據的處理速度占消費應用的絕大多數時間，大容量卡是為應用服務的，其芯片的CPU處理速度一定遠高于目前普通SIM卡，所以，采用大容量卡進行近場通信，其速度不再是問題。

5.4 需解決的問題及影響

首先，CLF前端需要增加CCID通道，并支持CCID協議。因此，ISO/IEC 14433規(guī)范中關于CLF的描述需要修正，終端廠家也需要支持。

第二，大容量SIM卡需要增加處理NDEF(NFC Data Exchanger Format)格式的數據。

第三，普通支持SWP卡的NFC終端據稱可以在關機時支持1000次刷卡，而CCID代替SWP的方案不支持關機操作，必須開機刷卡。但這種影響對使用者而言并非很大，因為使用手機近場支付的應用場景很多，一種是小額支付，不需要密碼，如公交刷卡;一種是大額支付，需要密碼，如商場消費。對于后一種情況，關機即便可以刷卡也是不方便不安全的。因此，不支持關機操作不會給應用的開發(fā)推廣造成困擾。

總之，NFC手機通過CCID接口完成近場通信所需解決的主要問題就是在ISO14433規(guī)范中擴展CLF的功能，令CLF支持CCID，并從定制終端開始將CLF的此種功能發(fā)展成為NFC手機的標配。