一種可用于移動(dòng)支付的讀卡器設(shè)計(jì)研究

徐 然，李文耀

(武漢郵電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430074)

當(dāng)前在手機(jī)上的移動(dòng)支付已有多種方案，然而由于不同廠商的手機(jī)都有一些限制，例如:iPhone系列手機(jī)沒有SD(安全數(shù)碼卡)卡槽，同時(shí)特殊的SIM卡槽設(shè)計(jì)也使得iPhone無法采用SIMPASS(雙界面SIM卡)技術(shù)，即無法通過SIMPASS實(shí)現(xiàn)近場支付。這導(dǎo)致無法使用現(xiàn)有的一些安全支付方案。然而現(xiàn)在主流手機(jī)的音頻接口都是3.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)4段式插口:GND、左聲道、右聲道［1］和MIC輸入。如果這種通道可以作為和手機(jī)通信的信道，那就創(chuàng)造性地解決了不同手機(jī)使用相對統(tǒng)一的通路作為通信接口的問題。

在此背景下，提出了多惠拉讀卡器(以下簡稱讀卡器)的概念，通過讀卡器刷銀行卡(磁條卡)，獲取磁道信息，并在讀卡器內(nèi)置SE(安全芯片)上綁定銀行卡，內(nèi)置SE通過UPCARD(銀聯(lián)卡)應(yīng)用和CUP Mobile(中國銀聯(lián)移動(dòng))支付應(yīng)用實(shí)現(xiàn)近場支付和遠(yuǎn)程支付功能。

1 多惠拉讀卡器概述

1.1 讀卡器概念

多惠拉讀卡器是一款通過智能手機(jī)的音頻通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向傳輸，它是一個(gè)穩(wěn)定、高速、抗干擾的磁條卡讀卡器設(shè)備。該設(shè)備體積小、易于攜帶、隨插隨用。該設(shè)備內(nèi)置磁頭，支持磁條卡刷卡，符合銀行卡規(guī)范。

1.2 讀卡器使用示意圖

如下圖1所示，是多惠拉讀卡器的使用示意圖，通過手機(jī)上音頻接口(耳機(jī)插孔)，手機(jī)和產(chǎn)品之間可以進(jìn)行通信。通信正常后，可進(jìn)行以下步驟。

圖1 多惠拉讀卡器使用示意圖

1)通過音頻接口，用戶把多惠拉插入所支持的智能手機(jī)(本文的智能機(jī)是指Android/iOS系統(tǒng)手機(jī))，啟動(dòng)多惠拉客戶端程序;

2)用戶在多惠拉讀卡器(內(nèi)置磁頭)卡槽上刷磁條卡，多惠拉讀卡器讀取磁道2/3的數(shù)據(jù)，并加密，通過音頻接口發(fā)送到手機(jī);

3)多惠拉手機(jī)客戶端程序?qū)⒓用艿臄?shù)據(jù)傳遞到服務(wù)器端進(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器的加密控制指令，讓多惠拉讀卡器完成相應(yīng)的銀行業(yè)務(wù)。

1.3 讀卡器功能特點(diǎn)

1)具有安全雙界面芯片，能夠用于移動(dòng)支付;

2)提供直徑3.5 mm 4段耳機(jī)插口(GND/左/右聲道/MIC);

3)具有USB接口，能提供讀卡器程序升級的功能;

4)由鋰電池供電，可充電循環(huán)使用;

5)具有2軌磁頭，支持磁條卡刷卡，能同時(shí)讀取磁道2、磁道3的磁道信息;

6)具有計(jì)算能力、安全模塊、能夠進(jìn)行加解密和數(shù)據(jù)編解碼工作;

7)支持主流的手機(jī)操作系統(tǒng)(Android/iOS)。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 STM32F103C8T6特性說明

多惠拉讀卡器采用的MCU是ARM芯片STM32F103-C8T6，圖2是MCU芯片原理圖。

圖2 STM32F103C8T6芯片原理圖

STM32F103C8T6芯片，是一款增強(qiáng)型大容量芯片，是32位基于ARM核心的帶64 kbyte或者128 kbyte的微控制器，它含有USB、CAN接口、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口，是一款低功耗的芯片。如圖2所示，MCU通過PA3，PA4，PA6接口與磁條卡磁頭和解碼芯片相連，通過PB13，PB14接口與SE芯片相連，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。

2.2 硬件設(shè)計(jì)方框圖

如圖3所示，是讀卡器的硬件設(shè)計(jì)方框圖。它的內(nèi)部由8個(gè)模塊組成:磁條卡磁頭、解碼芯片、MCU、LED、鋰電池及電源管理、安全芯片、直徑3.5 mm音頻接口、Micro USB插座。

以下為硬件設(shè)計(jì)各模塊的說明:

1)磁條卡磁頭:采用標(biāo)準(zhǔn)雙通道磁頭，提供磁道2、磁道3的數(shù)據(jù);

2)硬件解碼芯片:將磁條卡信息轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號;

3)MCU:提供數(shù)據(jù)運(yùn)算和控制，對通信數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼操作;

圖3 硬件設(shè)計(jì)方框圖

4)LED:用于產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)的提示;

5)鋰電池及電源管理:采用250 mAh容量的鋰電池作為電源存儲(chǔ)介質(zhì)，電源提供對鋰電池的供電和充電管理;

6)安全芯片:用于數(shù)字證書、密碼算法等安全應(yīng)用;

7)直徑3.5mm音頻接口:采用直徑3.5mm—4 PIN標(biāo)準(zhǔn)接口，與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;

8)Micro USB:為產(chǎn)品提供程序更新端口。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

本方案的設(shè)計(jì)主要是要實(shí)現(xiàn)通過讀卡器能夠刷磁條卡，讀取磁條卡中的信息，然后將這些磁道信息進(jìn)行加密，通過音頻接口將這些信息傳遞給手機(jī)，通過網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)再將這些信息傳遞給銀行后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)磁條卡的綁卡，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付。本文簡要介紹了讀卡器和智能機(jī)通信及磁條卡讀卡的工作原理，主要介紹多惠拉讀卡器UPCARD(銀聯(lián)卡)綁卡和 SE(安全芯片)功能［2］。

3.1 工作原理

1)讀卡器和智能手機(jī)通信的工作原理

多惠拉和智能手機(jī)之間通信，主要是通過手機(jī)上的音頻接口來進(jìn)行通信，該音頻接口分為4段，分別是左聲道、右聲道、MIC輸入、地。手機(jī)通過左聲道將命令數(shù)據(jù)傳遞給多惠拉，多惠拉通過MIC口將響應(yīng)的數(shù)據(jù)返回給手機(jī)，兩者之間以這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

2)讀卡器讀磁條卡原理

將數(shù)據(jù)從磁條卡上讀出來，就是將磁道上的磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，通過編碼再將其轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制信號，最終再將該二級制信號還原為原始信號［3］。其具體過程是:磁卡以一定的速度通過裝有線圈的工作磁頭，磁卡的外部磁力線切割線圈，在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，從而在磁頭上產(chǎn)生電壓信號，通過譯碼將磁條卡上的信息讀出來。

3.2 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

多惠拉讀卡器和智能手機(jī)之間的通信從低到高分為:物理層、鏈路層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層。圖4為多惠拉和手機(jī)之間通信的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)。

圖4 多惠拉和手機(jī)之間通信的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖

應(yīng)用層:應(yīng)用軟件通過接口SDK實(shí)現(xiàn)具體多惠拉的功能調(diào)用，但是SDK接口不會(huì)涉及具體應(yīng)用系統(tǒng)邏輯，僅僅為應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層之間做適配和一些通用的接口。

數(shù)據(jù)層:主要以APDU(應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元)命令數(shù)據(jù)形式為主，為應(yīng)用層SDK提供支持，通過鏈路層提供的底層接口進(jìn)行封裝傳輸，本層僅負(fù)責(zé)命令的發(fā)送和接收。

鏈路層:為數(shù)據(jù)層提供底層支持，包括命令數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)，同步、等待;命令數(shù)據(jù)包分成數(shù)據(jù)幀并使用同步幀和停止幀組成傳輸幀在物理信道上傳輸。

物理層:為鏈路層數(shù)據(jù)幀進(jìn)行模擬信號的調(diào)制和解調(diào)，實(shí)現(xiàn)通過音頻接口傳輸數(shù)據(jù)的目的。

3.3 多惠拉讀卡器的UPCARD綁卡流程

如圖5所示，是多惠拉讀卡器的UPCARD綁卡流程圖。

圖5 多惠拉讀卡器UPCARD綁卡流程圖

當(dāng)用戶準(zhǔn)備綁卡時(shí)，客戶端先檢查是否有讀卡器，若無讀卡器則提示插入讀卡器。若有讀卡器，則按照以下步驟進(jìn)行:

1)手機(jī)客戶端請求讀卡器主控芯片(以下簡稱主控芯片)刷磁條卡;

2)主控芯片通過磁頭讀取磁道信息，并保存磁密信息數(shù)據(jù)［4］(磁道2、磁道3 數(shù)據(jù)，以下簡稱 Track－data);

3)主控芯片通知手機(jī)客戶端讀取磁道信息成功;4)手機(jī)客戶端請求主控芯片密文工作密鑰;

5)主控芯片請求內(nèi)置SE生成16 byte工作密鑰WK=RAND(16);

6)內(nèi)置SE隨機(jī)生成16 byte工作密鑰(WK)并保存，通過內(nèi)置SE中的RSA公鑰(RSAKEY)加密，加密后的工作密鑰SK=RSA(WK，RSAKY);

7)加密后的工作密鑰SK返回給讀卡器主控芯片;

8)主控芯片將SK返回給手機(jī)客戶端;

9)主控芯片收到手機(jī)客戶端請求拼裝銀聯(lián)報(bào)文的部分?jǐn)?shù)據(jù)(客戶端將銀聯(lián)所需元素做預(yù)拼裝，以磁密信息位置為界，前后分成兩部分(P0，P1)傳送給主控芯片)，并請求主控芯片將保存的磁道信息(Track－data)等參數(shù)拼裝成銀聯(lián)報(bào)文;

10)主控芯片將保存的磁道信息和手機(jī)客戶端發(fā)送的銀聯(lián)報(bào)文部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送給內(nèi)置SE，并請求拼裝并加密。

11)內(nèi)置SE拼裝銀聯(lián)報(bào)文格式(P0+Track－data+P1)，加密的數(shù)據(jù)為 eMsg0=3DES(P0+Track－data+P1，WK);

12)內(nèi)置SE返回主控芯片eMsg0;

13)主控芯片返回密文eMsg0。

客戶端收到該密文數(shù)據(jù)后，按銀聯(lián)相關(guān)規(guī)范進(jìn)行封裝提交到銀聯(lián)CMSP服務(wù)器進(jìn)行UPCARD綁卡。

3.4 多惠拉讀卡器SE功能

多惠拉讀卡器內(nèi)置SE(安全芯片)主要功能概述如下:

1)內(nèi)置SE能保存RSA公鑰并提供更新接口;

2)內(nèi)置SE能隨機(jī)生成并保存工作密鑰(16 byte隨機(jī)字符);

3)工作密鑰加密方式(RSA加密);

4)使用工作密鑰對報(bào)文數(shù)據(jù)加解密(3DES加解密);

5)UPCARD應(yīng)用;

6)SE上接口設(shè)備序列號和密鑰的管理。

4 安全機(jī)制

多惠拉要獲得磁道信息必須通過GET BANKCARD INFO(GBI)命令，GBI返回的磁道信息是加密的;同時(shí)為了防止加密的磁道信息被竊取，GBI每次使用過程密鑰對磁道信息加密。通過對交易報(bào)文進(jìn)行加密和計(jì)算報(bào)文MAC來保證移動(dòng)支付平臺(tái)和手機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸安全［5］。

因此，通過多惠拉讀卡器獲取磁卡中磁道信息，通過音頻接口將數(shù)據(jù)傳遞給手機(jī)，手機(jī)再將數(shù)據(jù)傳遞給銀行后臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)綁卡和支付這個(gè)過程是非常安全的。

5 多惠拉和拉卡拉的異同

5.1 相同點(diǎn)

1)體積小，易于攜帶;

2)內(nèi)置安全芯片，支持所有銀行卡，無需網(wǎng)銀，足不出戶便可進(jìn)行安全消費(fèi);

3)主要提供信用卡還款、轉(zhuǎn)賬匯款、在線支付等服務(wù)。

5.2 多惠拉的優(yōu)勢

1)拉卡拉主要支持iPhone、小米、HTC手機(jī)等主流手機(jī)，而多惠拉支持絕大多數(shù)的Android/iOS系統(tǒng)手機(jī);

2)多惠拉的升級版“翼付款”支持Windows Mobile、Symbian、Android/iOS等智能手機(jī)及KJava非智能手機(jī)操作系統(tǒng)，而拉卡拉只支持部分Android/iOS系統(tǒng)手機(jī);

3)多惠拉讀卡器支持銀聯(lián)UPCARD綁卡，一次綁卡多次使用，最多可以綁定10張不同賬號的銀聯(lián)磁條卡，而拉卡拉最多只能進(jìn)行1張銀行卡的綁定。

4)多惠拉內(nèi)置的智能卡芯片和磁條卡有機(jī)結(jié)合實(shí)現(xiàn)磁條卡向智能卡的無縫升級。

5)只要提前將銀行卡綁定于多惠拉讀卡器中，則消費(fèi)時(shí)不需要刷卡，只需輸入銀行卡密碼即可，而拉卡拉消費(fèi)時(shí)需要每次刷卡。

6 測試與分析

對本文提出的讀卡器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行測試，是對讀卡器能否成功讀取磁條卡信息、讀取磁條卡信息后能否成功地實(shí)現(xiàn)磁條卡綁卡的一種驗(yàn)證，也是對提出的方案進(jìn)行評測的有效保證，現(xiàn)在通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

6.1 測試準(zhǔn)備

如圖6和圖7所示，測試需要磁條卡1張、智能手機(jī)1部、多惠拉讀卡器1個(gè)，可以清楚的看見該磁條卡帳號是:6228480051149726211。本次所做的測試都是按照圖7所提供的方式進(jìn)行，即將讀卡器插上手機(jī)，然后將磁條卡在讀卡器卡槽中劃過，從而得到實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)和信息。

6.2 磁條卡刷卡驗(yàn)證

1)驗(yàn)證方式一

當(dāng)磁條卡在讀卡器內(nèi)置磁頭上劃過時(shí)，將讀卡器內(nèi)某一測試腳USART用飛線引出，連接至PC機(jī)器，通過串口調(diào)試助手Secure CRT6.0軟件對磁道信息進(jìn)行打印后的數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 磁條卡磁道2和磁道3信息(截圖)

根據(jù)磁道信息數(shù)據(jù)格式［6］，可以看到磁道2的信息:6228480051149726211=4912120484566000?。其中6228480051149726211為磁條卡的賬號，后面的數(shù)據(jù)是磁道2上其他信息。

2)驗(yàn)證方式二

如圖9所示，通過音頻接口將讀卡器與智能手機(jī)相連，打卡智能手機(jī)上刷卡軟件后，點(diǎn)擊刷卡按鈕，將磁條卡在讀卡器卡槽上劃過時(shí)，也可以獲得磁條卡的賬號6228480051149726211。

6.3 磁條卡綁卡驗(yàn)證

圖9 磁條卡賬號(截圖)

通過音頻接口將讀卡器與智能手機(jī)相連，打開智能手機(jī)客戶端上綁卡軟件后，點(diǎn)擊綁定銀行卡，將磁條卡在讀卡器卡槽上劃過時(shí)，可以將銀行卡與讀卡器進(jìn)行綁定。在圖10中可以看到“綁定銀行卡成功”;在圖11中可以看到測試的磁條卡(銀行卡)已經(jīng)存在于多惠拉讀卡器，表明磁條卡UPCARD綁卡成功。

6.4 移動(dòng)支付功能驗(yàn)證

圖12和圖13是對讀卡器能否進(jìn)行移動(dòng)支付的驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)，可以看出，當(dāng)磁條卡綁卡成功后，磁條卡的信息就存在于多惠拉讀卡器中，此時(shí)對手機(jī)充值就不需要磁條卡，通過讀卡器就可以完成充值。

6.5 結(jié)果分析

本文設(shè)計(jì)的讀卡器，具有讀取磁條卡磁道信息的功能，以智能手機(jī)作為載體，通過網(wǎng)絡(luò)與銀行后臺(tái)進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)支付。通過以上的仿真實(shí)驗(yàn)，可以看出多惠拉讀卡器可以成功地讀取磁條卡中磁道信息、可以進(jìn)行磁條卡的綁定，并且可以用來進(jìn)行移動(dòng)支付，與預(yù)期的結(jié)果基本一致，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

7 結(jié)束語

本為設(shè)計(jì)出了一款可以讀取磁條卡信息的讀卡器，通過對磁條卡進(jìn)行綁定，可以實(shí)現(xiàn)近場支付和遠(yuǎn)程支付。因?yàn)樵撛O(shè)備內(nèi)嵌智能安全芯片，具有安全存儲(chǔ)和加密機(jī)制，銀行卡中所有的信息將會(huì)保存在讀卡器安全芯片中，而不會(huì)上傳到網(wǎng)絡(luò)。并且數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過了嚴(yán)格加密，用戶使用時(shí)需要輸入口令，每個(gè)用戶需要不同的權(quán)限等，從而保障了數(shù)據(jù)傳輸和用戶管理方面的安全性。相對于POS機(jī)和網(wǎng)上支付，它體積小、易于攜帶、安全便捷，只要提前將讀卡器與磁條卡進(jìn)行綁定，不需要攜帶銀行卡，只需隨身帶著一部智能手機(jī)和多惠拉讀卡器，就可進(jìn)行移動(dòng)支付。相對于拉卡拉，它的優(yōu)勢也非常明顯。通過UPCARD綁卡后(不需銀行卡)，可進(jìn)行手機(jī)充值、電費(fèi)充值、余額查詢、轉(zhuǎn)賬等功能，可以說，它繼承了POS機(jī)和讀卡器的雙重功能，在未來的移動(dòng)支付中會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

［1］GB/T 14197—1993，聲系統(tǒng)設(shè)備互連的優(yōu)選配接值［S］.1993.

［2］中國銀聯(lián)移動(dòng)支付技術(shù)規(guī)范:智能卡支付技術(shù)規(guī)范［EB/OL］.［2012－06－20］.http://www.docin.com/p－546413515.html.

［3］龔翔宇，陳俊，任毅.金融終端中磁卡讀卡器的實(shí)現(xiàn)［J］.電腦知識與技術(shù)，2007(5):748－749.

［4］ISO/IEC 7811－2:2001，Identification cards—Recording technique Part 2:Magnetic stripe —Low coercivity［S］.2001.

［5］CUP Mobile銀行卡應(yīng)用規(guī)范［EB/OL］.［2012－06－20］.http://wenku.baidu.com/view/1b059f1bfc4ffe473368ab77.html.

［6］GB/T 19584—2010，銀行卡磁條信息格式和使用規(guī)范［S］.2010.