引言

燃?xì)馐悄壳案习傩丈蠲芮邢嚓P(guān)的主要能源，而現(xiàn)在燃?xì)獗淼墓芾碇饕捎每ㄊ筋A(yù)付費(fèi)方式，這種管理方式存在步驟繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力等弊端，很有必要將近場(chǎng)通信NFC技術(shù)、移動(dòng)終端、3G、移動(dòng)支付等技術(shù)應(yīng)用到燃?xì)赓M(fèi)付費(fèi)過(guò)程，以滿(mǎn)足方便快捷的付費(fèi)需求。

NFC（NearFieldCommunication，近場(chǎng)通信）是在無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別（RFID）和互聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上融合演變而來(lái)的新技術(shù)，是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這種技術(shù)是由飛利浦公司發(fā)起，由諾基亞、索尼等著名廠商聯(lián)合主推的一項(xiàng)近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它在單一芯片上集成了非接觸式讀卡器、非接觸式智能卡和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的功能，運(yùn)行在13.56MHz的頻率范圍內(nèi)，能在大約10cm范圍內(nèi)建立設(shè)備之間的連接，傳輸速率可達(dá)106Kb/s、212Kb/s、424Kb/s,未來(lái)可提高到848Kb/s以上。它提供了一種簡(jiǎn)單、觸控式的解決方案，可以讓客戶(hù)簡(jiǎn)單直觀地交換信息、訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)容與服務(wù)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于RFID的移動(dòng)支付終端系統(tǒng),用一臺(tái)帶有NFC功能的手機(jī)讀取具有RFID標(biāo)簽的燃?xì)獗碇械臄?shù)據(jù)，并通過(guò)手機(jī)將數(shù)據(jù)傳送到燃?xì)夤竞笈_(tái)，達(dá)到遠(yuǎn)程抄表的目的，用戶(hù)還可以通過(guò)手機(jī)與燃?xì)夤竞笈_(tái)進(jìn)行交互,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程支付和燃?xì)饬坎樵?xún)等操作。

1基于RFID模擬接口的移動(dòng)支付

燃?xì)獗淼腞FID模擬接口中集成了微處理器，只讀存儲(chǔ)器,隨機(jī)存儲(chǔ)器，電可擦除存儲(chǔ)器，I/O驅(qū)動(dòng)幾大部分。其中微處理器是整個(gè)芯片的核心，完成計(jì)算任務(wù)；只讀存儲(chǔ)器用于存放預(yù)置的程序代碼，一般為微操作系統(tǒng)；隨機(jī)存儲(chǔ)器是作為運(yùn)算時(shí)的暫存數(shù)據(jù)，存放如命令參數(shù)、返回結(jié)果、臨時(shí)工作密鑰等數(shù)據(jù)；電可擦除存儲(chǔ)器則完成用戶(hù)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，如用戶(hù)私鑰等叫具有快速運(yùn)算、存儲(chǔ)量大、安全性高以及難以破譯和偽造等特點(diǎn)。

RFID模擬接口將采用自主研發(fā)的“一卡一密”措施，以加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。該技術(shù)方案能對(duì)每一張智能卡提供一個(gè)唯一密碼，不僅保證不同客戶(hù)的RFID卡讀寫(xiě)機(jī)具相互不可串用，即使某張智能卡或某臺(tái)智能卡讀寫(xiě)機(jī)具有的訪(fǎng)問(wèn)密碼被意外泄露或被惡意破譯，仍然無(wú)法知道其它智能卡的訪(fǎng)問(wèn)密碼。

非接觸CPU智能卡與非接觸邏輯加密卡相比，擁有獨(dú)立的CPU處理器和芯片操作系統(tǒng)，所以可以更靈活的支持各種不同的應(yīng)用需求，更安全的設(shè)計(jì)交易流程。但與非接觸邏輯加密卡系統(tǒng)相比，非接觸CPU智能卡的系統(tǒng)更為復(fù)雜，需要進(jìn)行更多的系統(tǒng)改造，比如密鑰管理、交易流程、PSAM卡以及卡片個(gè)人化等。密鑰通常分為充值密鑰（ISAM卡），減值密鑰（PSAM卡），身份認(rèn)證密鑰（SAM卡）。

非接觸CPU智能卡可以通過(guò)內(nèi)外部認(rèn)證的機(jī)制，例如電子錢(qián)包的交易流程，高可靠地滿(mǎn)足不同的業(yè)務(wù)流程對(duì)安全和密鑰管理的需求。對(duì)電子錢(qián)包圈存可以使用圈存密鑰，消費(fèi)可以使用消費(fèi)密鑰，清算可以使用TAC密鑰，更新數(shù)據(jù)可以使用卡片應(yīng)用維護(hù)密鑰，卡片個(gè)人化過(guò)程中可以使用卡片傳輸密鑰、卡片主控密鑰、應(yīng)用主控密鑰等，真正做到一鑰一用。

2應(yīng)用場(chǎng)景

在采用本項(xiàng)目所研究的技術(shù)之后，用戶(hù)有望更加方便地獲得移動(dòng)支付的便利，具體應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。

用戶(hù)通過(guò)下載相應(yīng)智能手機(jī)客戶(hù)端的支付中間件，可直接在手機(jī)上進(jìn)行操作，隨時(shí)隨地完成對(duì)自己用氣的充值、余額查詢(xún)、詳單查詢(xún)等功能，足不出戶(hù)辦理燃?xì)赓M(fèi)繳納業(yè)務(wù)。

另外，在指定的地點(diǎn)，通過(guò)自助終端(手機(jī))的方式，用戶(hù)也可以將銀行賬戶(hù)的資金轉(zhuǎn)入到NFC手機(jī)中，用于到家中向電表進(jìn)行充值。

綜合實(shí)現(xiàn)以上兩點(diǎn)之后，下一步可以研究使用NFC手機(jī)實(shí)現(xiàn)手機(jī)支付隨時(shí)隨地從銀行劃款購(gòu)水電氣，支付成功之后加密數(shù)據(jù)自動(dòng)存入手機(jī)；然后將手機(jī)靠近燃?xì)獗?帶RFID模擬接口)，實(shí)現(xiàn)預(yù)付費(fèi)儲(chǔ)值。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于移動(dòng)支付的NFC燃?xì)獗硐到y(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，燃?xì)獗淼腗CU將燃?xì)獗砣細(xì)饬啃畔?xiě)入到ST33芯片已經(jīng)定義好的燃?xì)獗硇畔⑽募?。?dāng)用手機(jī)靠近燃?xì)獗頃r(shí)，ST33芯片進(jìn)入NFC適配器的磁場(chǎng)，接收手機(jī)發(fā)出的射頻信號(hào)，憑借感應(yīng)電流所獲得的能量發(fā)送出存儲(chǔ)在燃?xì)獗硇畔⑽募械男畔?，再通過(guò)我們編寫(xiě)的移動(dòng)支付終端軟件通過(guò)Web將燃?xì)獗硇畔l(fā)送到燃?xì)夤竞笈_(tái)進(jìn)行處理。燃?xì)夤竞笈_(tái)收到手機(jī)傳來(lái)的信息并解密后會(huì)主動(dòng)將解密的燃?xì)獗硇畔⒒貍鹘o手機(jī)，用戶(hù)也可以通過(guò)手機(jī)終端軟件主動(dòng)發(fā)送查詢(xún)并得到燃?xì)夤竞笈_(tái)的響應(yīng)。用戶(hù)、銀行、燃?xì)夤局g還可以建立安全支付的通信信道，滿(mǎn)足用戶(hù)的遠(yuǎn)程支付需求。

3.2NFC燃?xì)獗淼膬?nèi)部結(jié)構(gòu)

NFC燃?xì)獗碓谠蓄A(yù)付費(fèi)燃?xì)獗淼幕A(chǔ)上，增加了一個(gè)NFC通信接口，去掉了原來(lái)的卡座，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

NFC單元包括NFC控制器和NFC安全單元。NFC控制單元的主要功能是通過(guò)天線(xiàn)與外界的NFC手機(jī)通信，負(fù)責(zé)控制與NFC手機(jī)、NFC安全單元和主控MCU之間的信息交互。NFC安全單元主要負(fù)責(zé)執(zhí)行與安全相關(guān)的算法，存儲(chǔ)關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并輸出計(jì)算結(jié)果給NFC控制單元。通信接口主要包括SWP、I2C、7816接口。

3.3移動(dòng)支付終端系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊

移動(dòng)支付終端系統(tǒng)主要包括NFC手機(jī)接口調(diào)用、RFID卡識(shí)別、移動(dòng)終端與RFID卡的數(shù)據(jù)傳輸、燃?xì)夤緦?duì)用戶(hù)RFID燃?xì)獗淼墓芾?、用?hù)的遠(yuǎn)程支付等結(jié)構(gòu)模塊。

手機(jī)接口調(diào)用模塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付終端軟件與手機(jī)NFC適配器的連接與數(shù)據(jù)通信[6]。通過(guò)對(duì)Android系統(tǒng)提供的android.nfcpackage和android.nfc.techpackage兩個(gè)API的調(diào)用實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付終端客戶(hù)端軟件和手機(jī)NFC適配器之間的連接與訪(fǎng)問(wèn)。我們所使用燃?xì)獗碇械腞FID電子標(biāo)簽支持的是ISO-DEP（ISO14443-4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此可以先通過(guò)對(duì)android.nfcpackage的調(diào)用實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與適配器之間的連接。再調(diào)用android.nfc.techpackage提供的相應(yīng)的IsoDep類(lèi)創(chuàng)建相應(yīng)的對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該tag即燃?xì)獗碇蠷FID電子標(biāo)簽的訪(fǎng)問(wèn)。

為防止RFID電子標(biāo)簽內(nèi)容的泄露，保證僅有授權(quán)實(shí)體才可以讀取和處理相關(guān)標(biāo)簽上的信息，必須建立相應(yīng)的訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制，確保讀寫(xiě)器的安全性。在設(shè)計(jì)訪(fǎng)問(wèn)控制機(jī)制時(shí)，要充分考慮標(biāo)簽自身的計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力。為防止電子標(biāo)簽的偽造和標(biāo)簽內(nèi)容被濫用，NFC手機(jī)必須在通信之前對(duì)RFID電子標(biāo)簽的身份進(jìn)行認(rèn)證。傳統(tǒng)的身份認(rèn)證機(jī)制是使用基于公鑰的數(shù)字簽名技術(shù)，這種技術(shù)不適用于計(jì)算能力嚴(yán)重受限的RFID標(biāo)簽。在該系統(tǒng)中采用了典型的三輪密碼認(rèn)證協(xié)議，該協(xié)議的認(rèn)證流程如圖4所示。

認(rèn)證的流程可以分成以下幾個(gè)步驟：

（1）應(yīng)用程序通過(guò)RFID讀寫(xiě)器向RFID電子標(biāo)簽發(fā)送認(rèn)證請(qǐng)求；

（2）RFID標(biāo)簽收到請(qǐng)求后向讀寫(xiě)器發(fā)送一個(gè)隨機(jī)數(shù)B；

（3）讀寫(xiě)器收到隨機(jī)數(shù)B后向RFID電子標(biāo)簽發(fā)送使用要驗(yàn)證的密鑰加密B的數(shù)據(jù)包，其中包含了讀寫(xiě)器生成的另一個(gè)隨機(jī)數(shù)A；

（4）RFID電子標(biāo)簽收到數(shù)據(jù)包后，使用芯片內(nèi)部存儲(chǔ)的密鑰進(jìn)行解密，解出隨機(jī)數(shù)B并校驗(yàn)與之發(fā)出的隨機(jī)數(shù)B是否一致；

（5）如果是一致的，則RFID使用芯片內(nèi)部存儲(chǔ)的密鑰對(duì)A進(jìn)行加密并發(fā)送給讀寫(xiě)器；

（6）讀寫(xiě)器收到此數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行解密，解出A并與前述的A比較是否一致；

如果上述的每一個(gè)環(huán)節(jié)都成功，則驗(yàn)證成功；否則驗(yàn)證失敗。這種驗(yàn)證方式可以說(shuō)是非常安全的，破解的難度也非常大。

4NFC燃?xì)獗淼膬?yōu)勢(shì)

NFC技術(shù)作為一種非接觸式的短距離傳輸技術(shù)應(yīng)用在燃?xì)獗碇?，相?duì)傳統(tǒng)的預(yù)付費(fèi)卡表、有線(xiàn)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗砗蜔o(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)傳燃?xì)獗?，具有明顯的優(yōu)勢(shì)：

燃?xì)獗砼cNFC手機(jī)之間信息交換的安全、便捷。

由于NFC燃?xì)獗砼cNFC手機(jī)之間是非接觸式通信方式,因此使用十分便捷；另外由于NFC燃?xì)獗砗蚇FC手機(jī)中都引入了NFC安全單元，在數(shù)據(jù)交換的過(guò)程中將進(jìn)行一系列的加解密、簽名和驗(yàn)證簽名的操作，因此兩者之間的通信是安全的。

燃?xì)獗砼c主站之間信息交互的私密性、完整性和新鮮性。

燃?xì)獗砼c主站之間共享私有密鑰，對(duì)所交互的信息進(jìn)行加解密和簽名操作，可以保證兩者之間所交互信息是未被篡改的，從而保證了數(shù)據(jù)的私密性和完整性。通過(guò)在交互信息中插入與時(shí)間有關(guān)的變化量，可以保證信息的新鮮性，從而防止重放攻擊。對(duì)應(yīng)到燃?xì)饫U費(fèi)應(yīng)用中，以上三種安全性可防止惡意用戶(hù)竊聽(tīng)、篡改繳費(fèi)金額或多次使用同一個(gè)繳費(fèi)信息進(jìn)行充值。

降低了燃?xì)夤镜倪\(yùn)營(yíng)成本。

燃?xì)夤究梢圆捎妙A(yù)付費(fèi)模式來(lái)對(duì)NFC燃?xì)獗磉M(jìn)行控制。由于繳費(fèi)和預(yù)存功能都是由客戶(hù)自己完成，所以燃?xì)夤究梢源蠓葴p少柜臺(tái)營(yíng)業(yè)人員，降低運(yùn)營(yíng)成本。

實(shí)現(xiàn)了燃?xì)赓M(fèi)抄繳過(guò)程的一體化，方便了用戶(hù)。

該燃?xì)獗碇С钟脩?hù)手機(jī)本地抄表遠(yuǎn)程支付模式，用戶(hù)可以“足不出戶(hù)”地使用NFC手機(jī)完成燃?xì)赓M(fèi)的預(yù)付費(fèi)或后付費(fèi)功能，對(duì)于用戶(hù)來(lái)說(shuō)十分方便。

5結(jié)語(yǔ)

由于手機(jī)在中國(guó)的普及，對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，利用具有NFC功能的手機(jī)設(shè)備進(jìn)行支付時(shí)，只需將手機(jī)靠近燃?xì)獗砑纯赏瓿芍Ц?，這樣支付的便利性對(duì)于一般的消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是很有吸引力的，容易得到時(shí)尚一族的熱捧。

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