磁控RF-SIM卡的設(shè)計與實現(xiàn)

梁融凌

（福建師范大學(xué)福清分校 數(shù)學(xué)與計算機科學(xué)系，福建 福清 350300）

隨著科技的進步，手機已成為現(xiàn)代人生活中不可或缺的工具.在智能手機快速普及的今天，人們早已不滿足于手機僅提供通信服務(wù)的功能，人們需要手機具備更多的深層次功能，例如金融服務(wù)功能.正是由于這樣的需求，手機逐漸向金融服務(wù)領(lǐng)域滲透.手機移動支付，這個用手機替代銀行卡的技術(shù)，順應(yīng)了這一趨勢.其實，早在2003年移動支付概念就已經(jīng)萌芽，同期出現(xiàn)了以13.56MHz為通信頻率的NFC近場技術(shù)和以2.45 GHz為通信頻率的RF-SIM技術(shù).這2種技術(shù)都可應(yīng)用于移動支付領(lǐng)域，后者是中國自己提出的移動支付標(biāo)準(zhǔn).相對前者，RF-SIM技術(shù)具有不換手機的優(yōu)勢，更易于大規(guī)模推廣.目前RF-SIM技術(shù)已在開閉環(huán)支付等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，例如深圳的手機深圳通應(yīng)用、各大高校的校園手機移動支付應(yīng)用.中國的三大通信運營商：中國移動、中國電信、中國聯(lián)通，都以RF-SIM技術(shù)作為各自企業(yè)移動支付業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，并制定了各自的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn).得益于RF-SIM技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，目前市場上已形成了RF-SIM卡和RF-POS讀寫器2類產(chǎn)品.RF-SIM卡作為智能卡電信應(yīng)用和移動支付業(yè)務(wù)的載體，它是RF-SIM技術(shù)的核心產(chǎn)品，在RF-SIM技術(shù)體系中占據(jù)非常重要的地位.本文將著重介紹磁控RF-SIM卡的設(shè)計和實現(xiàn).

1 RF-SIM卡概述

RF-SIM卡是可實現(xiàn)中近距離無線通信的手機智能卡，是一個可代替錢包、鑰匙和身份證的全方位服務(wù)平臺.它的最大特點是不需要更換手機，現(xiàn)有手機換一張智能卡后就成了類NFC手機，而它的非接觸式部分的工作頻率為2.45 GHz.

從外形上看，RF-SIM卡是一張標(biāo)準(zhǔn)的普通SIM卡；從功能上看，它既要承載普通SIM卡的電信業(yè)務(wù)功能（如網(wǎng)絡(luò)鑒權(quán)）,又要承載移動支付、門禁、考勤等業(yè)務(wù)功能.磁控RF-SIM卡，是利用磁特性實現(xiàn)可靠距離控制的最新一代RF-SIM卡，它具有功耗低、安全可靠、交易時間短等特點，是開閉環(huán)應(yīng)用環(huán)境下的典范[1].

2 軟硬件架構(gòu)設(shè)計

磁控RF-SIM卡產(chǎn)品由硬件和軟件2部分組成.由于磁控RF-SIM卡的外形如同普通SIM卡，因此，它必須符合ISO/IEC 7816-1、7816-2、7816-3標(biāo)準(zhǔn)[2]；又由于磁控RF-SIM卡需要承載多個不同應(yīng)用，卡操作系統(tǒng)(COS)將是一個多任務(wù)、多應(yīng)用的軟件系統(tǒng).為了符合硬件標(biāo)準(zhǔn)并同時滿足業(yè)務(wù)要求，硬件系統(tǒng)采用了多顆芯片作為智能卡COS和距離控制的基礎(chǔ)，軟件系統(tǒng)則采用了高效、靈活的SimuJava COS架構(gòu)[3].

具體架構(gòu)設(shè)計：硬件部分采用以ARM SC100為核心的安全芯片作為主控MCU，采用2 kHz磁芯片實現(xiàn)距離控制，采用2.45 GHz射頻芯片完成高速數(shù)據(jù)交換.軟件部分，提供了一個硬件管理和多應(yīng)用環(huán)境以及一個可供卡商二次開發(fā)的機制.可以通過圖1、圖2概覽硬件、軟件架構(gòu)全貌.

2.1 硬件架構(gòu)

磁控RF-SIM卡片的硬件連接見圖1.磁控RF-SIM卡的硬件由電路基板以及主控芯片、2 kHz磁芯片、2.45 GHz射頻芯片等組成.主控芯片通過SPI硬件接口實現(xiàn)了對2 kHz磁芯片和2.45 GHz射頻芯片的控制，同時主控芯片通過自身的7816硬件接口實現(xiàn)了與手機的通信.2 kHz磁芯片通過線圈接受讀卡器發(fā)送的磁信號，根據(jù)磁場強度識別刷卡距離，從而達到距離控制的目的[4].2.45 GHz射頻芯片用來進行數(shù)據(jù)交換，快速完成電子錢包等交易指令的交互.

2.2 軟件架構(gòu)

如圖2，軟件總體框架分為內(nèi)核層和應(yīng)用層.

圖1 磁控RF-SIM卡片的硬件連接圖

3 Si mu Java COS軟件的功能實現(xiàn)

圖2 SimuJava COS架構(gòu)圖

SimuJava COS是一個功效類似Java及GP的智能卡多應(yīng)用開發(fā)平臺，它先將信息下載到安全芯片里，然后構(gòu)造出多個虛擬的CPU環(huán)境(VPU)供后續(xù)的應(yīng)用程序獨立分割運行，從而實現(xiàn)多個應(yīng)用相互獨立的安全產(chǎn)品.如圖2，SimuJava COS平臺分為3個層次：硬件層、COS內(nèi)核層、應(yīng)用層.

3.1 COS內(nèi)核層

COS內(nèi)核層分別實現(xiàn)了底層硬件驅(qū)動、非接協(xié)議棧（contactless protocol stack,CPS）、任務(wù)調(diào)度及應(yīng)用安全管理（general manager,GM），同時向應(yīng)用層提供了豐富的API.

3.1.1 底層驅(qū)動（Driver）

底層驅(qū)動層實現(xiàn)了主控芯片所有外設(shè)接口的驅(qū)動，總體上實現(xiàn)了平臺對硬件的管理.具體包括：1）7816硬件接口驅(qū)動；2）Flash存儲器驅(qū)動；3）SPI通信驅(qū)動；4）底層掉電保護；5）MPU內(nèi)存保護單元驅(qū)動；6）RSA算法；7）DES/3-DES加解密；8）Timer等其他外設(shè)驅(qū)動.

3.1.2 非接協(xié)議棧

非接協(xié)議棧層在驅(qū)動層的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了不同版本的2.45 GHz近場通信協(xié)議.非接協(xié)議棧總體根據(jù)OSI參考模型的原理壓條法設(shè)計，分為4層，定義如下：1）物理層.負責(zé)比特信號處理，具體包括：比特信號調(diào)制、射頻信號解調(diào)、工作模式切換.2）鏈路層.負責(zé)幀處理，具體包括：控制幀的發(fā)送、控制幀的接受、組幀、拆幀.3）傳輸層.負責(zé)包的處理，具體包括：將消息拆分包，將幀組成包.4）會話層.負責(zé)應(yīng)用與業(yè)務(wù)接口處理、會話層內(nèi)部控制處理.

3.1.3 任務(wù)調(diào)度、應(yīng)用安全管理

該層是COS的核心層，實現(xiàn)了任務(wù)調(diào)度、應(yīng)用管理等基本功能.基于硬件的MPU設(shè)施，GM層實現(xiàn)了應(yīng)用訪問權(quán)限的控制，任何的違規(guī)訪問都將被拒絕.

3.1.4 API接口

基于這種模式提供的API接口，應(yīng)用開發(fā)方可以在卡片上進行獨立的開發(fā).開發(fā)后的應(yīng)用無需和內(nèi)核COS統(tǒng)一編譯，可獨立編譯下載到卡片上.API的形式簡單，易于開發(fā)，只需要用4個API函數(shù)即可使卡商完成接觸式和非接觸式應(yīng)用的開發(fā)：U8 Cos_InProcess(void);void Cos_GetHead(U8*pHead);U32 Cos_In-Comming(U8*pData,U32 nLen);U32 Cos_OutGoing(U8*pData,U32 nLen).

3.2 應(yīng)用層

基于核心層提供的API，應(yīng)用開發(fā)方可以開發(fā)自己的應(yīng)用.得益于GM層提供的MPU保護功能，應(yīng)用與應(yīng)用之間不能相互訪問數(shù)據(jù)和代碼.除此之外，應(yīng)用也不能隨意訪問硬件層寄存器和內(nèi)核層的數(shù)據(jù).這些措施極大地保障了數(shù)據(jù)的安全性.

4 結(jié)語

移動互聯(lián)網(wǎng)時代，手機支付必將越來越普及.SIM智能卡作為電信應(yīng)用和手機功能擴展的專用集成電路卡片，是手機支付業(yè)務(wù)的重要載體.磁控RF-SIM卡將磁控技術(shù)、2.45 GHz射頻技術(shù)與SIM卡巧妙結(jié)合，既保留了傳統(tǒng)SIM卡的所有業(yè)務(wù)功能，還額外提供了安全的射頻通道和金融級別的支付業(yè)務(wù)功能；而且不用更改移動終端就能實現(xiàn)手機支付，非常適合我國國情，能快速普及和快速產(chǎn)業(yè)化[5].

[1]國民技術(shù)股份有限公司.一種帶低頻磁通信的射頻SIM卡沖突檢測方法[P].中國：201010138492.2，2011-10-12.

[2]王愛英.智能卡技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2000.

[3]于宏軍,趙東艷.智能（IC）卡技術(shù)全書[M].北京：電子工業(yè)出版社,1996.

[4]CARL JW.射頻和無線技術(shù)入門[M].北京：清華大學(xué)出版社,2005.

[5]盛泉,李林森,湯惠莉.應(yīng)用于手機支付的2.4GRF-SIM卡[J].電信快報,2010(1):36-42.