近場通信技術

孫成丹 彭木根

近場通信技術近年來逐漸受到人們的關注，相關的技術標準和協議規范也日臻完善。講座將分3期對該技術進行介紹：第1期講述近場通信的背景及概況，概述性介紹近場通信技術的技術架構；第2期對近場通信的具體技術規范做詳細介紹，包括數字協議規范、相關動作規范、邏輯鏈路控制協議、標簽類型及數據交換格式；第3期介紹近場通信的安全技術、設備的連接切換規范和業務應用。

中圖分類號：TP393.03 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2013） 06-0057-05

4 近場通信的安全技術

近場通信的安全技術（NFC-SEC）可以分為兩部分：近場通信接口與協議（NFCIP-1）的安全服務和協議、安全機制要求。NFC-SEC的安全技術架構如圖8所示。

NFC-SEC的工作流程可以描述為：NFC-SEC用戶通過NFC-SEC服務訪問點（NFC-SEC-SAP）來激活和訪問NFC-SEC服務。NFC-SEC實體從NFC-SEC用戶處獲取服務數據單元（NFC-SEC-SDU）并且向NFC-SEC用戶返回NFC-SEC-SDU。為提供NFC-SEC服務，對等NFC-SEC實體根據NFC-SEC協議要求，在NFC-SEC連接上交換協議數據單元（NFC-SEC-PDU）。對等NFC-SEC實體之間通過NFCIP-1服務訪問點（NFCIP-1-SAP）來互相通信，訪問NFCIP-1數據服務，發送和接收NFC-SEC-PDU。一個NFC-SEC-PDU包含NFC-SEC協議控制信息（NFC-SEC-PCI）和一個單獨的NFC-SEC-SDU[8]。

常用的服務有安全通道服務（SCH）和共享秘密服務（SSE）。一旦服務被調用，這些服務將按照協議規定通過密碼方式保護對等實體間NFC-SEC用戶消息的傳輸。SSE在兩個對等用戶之間建立一個共享秘密，用戶可自行使用，調用SSE應根據NFC-SEC安全機制部分提供的密鑰協商和密鑰確認機制建立共享秘密；SCH提供一個安全通道，調用SCH應根據NFC-SEC安全機制部分提供的方法，通過密鑰協商和密鑰確認機制建立的共享秘密來導出連接密鑰，并且還應該保護之后通道中的雙向通信安全。

NFC-SEC協議包含以下機制：

·密鑰協商機制。在該機制中，對等NFC-SEC實體應使用ACT_REQ和ACT_RES來建立共享秘密。

·密鑰確認機制。在該機制中，對等NFC-SEC實體應使用VFY_REQ和VFY_RES來確認共享秘密。

·協議數據單元（PDU）安全機制。PDU安全只是SCH服務中的一種機制，對等的NFC-SEC實體應根據NFC-SEC安全機制部分提供的方法，使用加密包PDU（ENC）保護數據交換，該機制包含序列完整性、機密性、數據完整性、原發鑒別等之中的一項或幾項。

·終止機制。對等NFC-SEC實體間應使用終止PDU（TMN）來終止SSE和SCH。當NFCIP-1協議被釋放或取消，或NFCIP-1設備電源關閉時，則應終止SSE和SCH實例。當NFC-SEC實體轉變為空閑（IDLE）狀態時，應銷毀相應的共享秘密和連接密鑰。

NFC-SEC安全服務的建立應通過上述定義的協議以及相應的安全機制來完成。為保證事先沒有共享秘密的NFC設備的通信安全，公鑰密碼機制被用來在設備之間建立共享秘密，確切地說，即為橢圓曲線Diffie-Hellman（ECDH）密鑰交換方法。這個共享秘密被用來建立SSE和SCH服務。

在NFC的安全機制中，分別為SSE和SCH服務各指定一個密鑰導出函數（KDF）。當根據服務選擇KDF過程生成密鑰時，對等的NFC-SEC實體都要檢查并確定雙方是否確實擁有相同的密鑰，每個實體應產生一個密鑰確認標識并且應將其發送到對等實體，接受實體根據規定核實該密鑰確認標識。

5 近場通信設備連接切換

規范

近場通信技術雖然可以在兩個設備之間提供非常直觀方便的用戶接口，但是對于某些場景來說僅僅依靠NFC技術卻難以滿足用戶需求，比如傳送大規模文件的情況。由于NFC技術的傳輸速度，設備間需要長時間保持足夠近的距離，而這降低了便捷性和實用性。此外，許多現存的應用是基于其他的通信頻段（如藍牙、Wi-Fi），我們很難將這些應用移動到NFC頻段。

近場通信的連接切換規范的提出就是為了解決上述問題，該規范使具有NFC功能的兩個設備通過協商機制切換到更適合具體業務需求的通信頻段。

5.1 切換分類

NFC連接切換機制分為兩種：協商切換和靜態切換。請求方在NFC鏈路上通過與選擇方協商，選擇新的通信頻段，這種情況稱為協商切換。發起方也可以通過NFC標簽中的信息切換到其他可選頻段，這種切換受限于標簽中存儲的靜態信息，因此稱之為靜態切換。圖9分別展示了協商切換和靜態切換的場景。

在協商切換中，發起方設備負責初始化切換操作，而選擇方負責做出響應。發起方首先向選擇方聲明可選頻段，由選擇方選擇其中一個并做出響應，最后雙方執行新的配對過程并完成數據交換。如果選擇方支持多個可選頻段則返回多個選擇。此時由發起方自由選擇一個頻段或者同時通過選擇多個頻段發起連接。然而，如果發起方只選擇一個頻段，則發起方應該在切換請求消息中指明優先級，這可以通過各選項在切換請求消息列表中的順序來實現。如果選擇方設備功率資源受限（如電池驅動），則它可能不愿意激活所有可選頻段，此時，選擇方可以將所有可選頻段的功率狀態標識設置為0，發起方從返回的可選頻段中選擇其中一個，并重新發送切換請求消息，接收方將頻段功率狀態標識設置為1并通過切換選擇消息做出應答。在切換過程中，切換選擇消息中必須包含頻段特定的配置記錄，以指示如何在可選頻段上建立連接。如果選擇方接受發起方推薦的附帶配置信息的頻段，其需要將相關信息復制到對應的切換選擇消息中。如果接收方對至少一個可選頻段未做出回應，請求方可以在進行不同的設置后重復發送。此外，切換選擇方必須在1 s內對切換請求消息做出回應，否則請求方任務則會出現處理錯誤。

靜態切換適用的情景為：切換選擇方設備并不是一個完整的NFC設備，但是卻附著NFC標簽。很明顯，這些標簽不能完成接收并解讀切換請求消息的工作，也不能動態構造響應的切換選擇消息。此時，標簽中包含的切換選擇記錄可以提供所需連接建立消息。這種情況下的消息是靜態的，不能像協商切換中那樣，動態適應發起方提供的任何可能的連接要求[9]。

5.2 切換消息

切換消息由切換請求記錄或切換選擇記錄加上任意數目的NFC數據交換格式（NDEF）記錄構成。在切換請求記錄或選擇記錄中，一系列可選頻段記錄指明了請求頻段或選擇頻段。其余有用信息由頭部消息記錄后緊跟著的NDEF記錄提供，并通過參考可選頻段記錄證實NDEF消息的有效性。

可選頻段記錄提供的頻段類型由頻段數據參考鏈路間接給出。如果作為參考的NDEF記錄是一個切換頻段記錄，頻段類型由切換頻段記錄中凈負荷內的頻段名稱結構體給出。頻段名稱結構體的語法與NDEF記錄類型結構體的語法等同。切換頻段記錄僅在推薦的可選頻段沒有配置數據的情況下由切換請求方使用。如果作為參考的NDEF記錄不是一個切換頻段記錄，頻段類型則由NDEF記錄中凈負荷的類型（包括TNF、TYPE_LENGTH、TYPE3部分）給出，并且記錄凈負荷必須提供所需的頻段特定的配置信息，以切換到相應頻段上，這種情況下的NDEF記錄稱為頻段配置記錄。

正如前面所說，設備可以在可選頻段記錄中指明每一種可用頻段的功率狀態，狀態值可分為已激活、非激活、激活中、未知狀態。在已激活狀態下，如果獲得了頻段配置信息，對等設備利用配置數據可以即刻連接到心頻段。在激活中狀態下，因消息發送時電路尚未供電，對等設備需要在一定時延后發起連接，具體延時取決于技術和實現問題，因此很難定義。如果切換請求方的請求中功率狀態為激活中，請求方需要等待選擇方的選擇消息后才為電路供電；如果切換選擇方的響應中功率狀態為激活中，選擇方在返回切換選擇消息后應立即啟動激活過程。非激活狀態用于靜態切換中，此時NFC標簽中儲存的切換選擇消息包含了一系列未激活的可選頻段，此時需要用戶手動激活設備上的響應頻段的電路。當設備并不直接支持與某個頻段的接口，僅能通過路由和其他頻段才可達時，該頻段的狀態為未知狀態，此時設備必須提供足夠的頻段配置數據以方便對等設備連接到其他頻段上。未知狀態既可能用于切換請求消息也可能用于切換選擇消息。

當對等設備建立NFC連接后同時發送切換請求消息，就會發生切換請求沖突。需要說明的是，如果一個打算發送切換請求消息設備在其發送消息前收到了來自其他設備的切換請求消息，則該設備停止發送請求消息，轉而充當切換選擇設備。如果設備偵測到發生了切換請求沖突，則該設備會比較收到的請求消息中的隨機數與發送的請求消息中的隨機數大小。

隨機數存在于請求消息中的沖突解決記錄中。兩個設備中的隨機數比較按照下述步驟進行：

（1）比較兩個隨機數的數值大小；

（2）如果隨機數相等，自動沖突規避方案不可行，設備重新發送切換請求消息；

（3）如果隨機數不等，比較兩個隨機數的最低有效位。如果最低有效位相同，則隨機數較大的發送設備充當切換選擇設備，隨機數較小的設備忽略收到的請求消息；如果最低有效位不同，則隨機數較小的發送設備充當切換選擇設備，數值較大的設備只需忽略收到的請求消息即可。

切換協議指出，在一個設備連接到另一個設備提供的無線網絡時需要提供網絡接入數據和接入許可。雖然NFC技術本身要求設備的間距足夠小，導致頻段配置數據很難被竊聽，但是未經合法用戶許可，竊取數據依然可能發生。尤其是當合法用戶關注數據的機密性時，額外的安全分析機制就顯得格外重要。

6 近場通信的業務與應用

作為一種新興的近距離無線通信技術，近場通信技術應用在世界范圍內受到了廣泛關注。在早期的各種應用中，該技術主要用于替代公交卡、銀行卡、會員卡等非接觸式智能卡，同時用戶還可以用NFC設備讀取廣告牌上附帶的射頻識別（RFID）標簽信息。

如今，隨著這種技術的發展和研究應用，已經可以應用于消費類電子產品、移動設備、PC 和智能控件工具間進行近距離無線通信，與D2D、M2M技術具有很大的相似性。目前，近場通信技術已成功地應用于手機支付、門禁、各種POS終端，以及各種自動收費、身份管理等應用中，新的應用業務與場景也在進一步挖掘中。

圖10展示了NFC技術的可能應用場景。近場通信業務結合了移動通信技術和近場通信技術，是移動通信領域的一種新型業務。這種結合改變了用戶使用移動電話的方式，使用戶的消費行為逐步走向電子化，同時建立了一種新型的用戶消費和業務模式。

6.1 業務分類

基于NFC技術的業務與該技術的3種工作模式（卡模式、點對點模式、讀卡器模式）密切相關，根據業務是否涉及資金轉移，可將具體業務劃分為兩大類：一類是支付類應用，即與現金或代金券消費相關聯的業務，另一類是非支付業務，即不涉及資金的轉移。

相對而言，非支付類業務目前受關注的程度較低。在支付類業務中，目前業界關注的焦點是手機支付、移動錢包等業務。此類業務以手機為載體，以NFC技術為手段，通過集成相應的安全芯片及賬戶，幫助用戶完成消費支付過程。但由于該領域利益群體復雜，導致非技術因素成為阻礙其大規模商用的關鍵因素。隨著智能手機的普及所帶來的數據業務的大規模興起，移動互聯網的流量急劇增加，都為運營商帶來了新的利潤增長點，因此非支付類業務逐漸成為電信運營商的關注重點。眾所周知，在近場通信的非支付業務中，廣告、信息查詢等業務能夠帶給電信運營商大量的流量及收入。在歐美、日本等地區或國家，基于NFC近場通信技術實現的電子廣告、信息查詢等業務已經逐漸發展起來。在中國，基于流量和廣告的業務模式也逐漸起步，具有很大的發展空間。

Innovision技術研究公司的研究指出：基本上可以確定NFC的首要大眾市場應用是相對價值較低的應用。這些應用以現有的通信基礎設施和用戶行為為基礎，具有用戶獲益顯著、商務模式強大、商業風險很小的特點，并且這些應用利用了現有設備和技術，不需要對新的后端基礎設施進行大量投資，欺詐的風險較小，部署成本低。

根據該公司研究，NFC技術的初期應用主要分為三大類：付款和票務類業務，其主要特點是將NFC業務搭建在新興的智能票務和電子付款基礎設施之上；服務啟動類業務，目的是將NFC技術用于實現服務發現和“開啟”另一種服務（例如為數據傳輸開啟另一條通信鏈接）；點到點應用，利用NFC技術在兩個對等裝置設備中進行通信[10]。

目前，業界廣泛討論的移動支付技術屬于付款和票務類業務，這類業務因其商業收益明顯獲得了信用卡發行商、銀行和移動網絡運營等各方的重視。付款和票務業務所帶來的明顯的商業價值，也是創建NFC標準的動因之一。以信用卡發行商為例，與使用現金和其他傳統付款方式相比，采用NFC技術的付款方式更加便捷，成本更低。另外，即使用戶的付款額度再小，也可以為這些微小額度的付款建立記錄，這項功能是如今的現金交易所不能提供的。在支付類業務的開始階段，具有NFC功能的裝置可用于欺詐低、價值有限的付款情況，例如快餐廳、快餐窗口、自動販賣機和停車計費器，待商業模式顯著、技術成熟后，即可應用于其他的一些支付領域。

在服務啟動應用方案中，用戶通過將具備NFC功能的手機等設備對準NFC標簽，將必要的信息傳輸到NFC裝置，這些信息通常數據量較小，可以是幾行文本、一個網址（URL）、電話號碼或其他簡單數據。推銷新產品、服務或活動的智能海報上應用這類技術是最常用的業務模式。通過對準海報上嵌入的NFC標簽，NFC設備可以直接將用戶轉到提供詳情或訂票的網站上，而不再需要對手機進行鍵盤操作來打開瀏覽器或輸入網址等復雜操作。

在點到點應用方案中，NFC技術用來在兩個對等裝置之間建立本地通信，從而進行業務交互。如果通信數據量較小（最多幾千字節），NFC本身就可用于傳輸數據，在兩個NFC裝置互相接觸的短暫時間內實現數據的交換。

但是對于較大的數據量，NFC技術利用連接切換技術可以切換到其他可選頻段上，建立獨立的無線連接（如藍牙或Wi-Fi）來進行大容量內容的傳輸。一個典型的點到點應用是直接從手機或數碼相機上打印照片：用戶只需選擇要打印的照片或文件夾，然后對準啟用了NFC的打印機觸摸手機或相機，即可以通過建立藍牙連接，將照片傳至打印機，完成打印工作，這極大的簡化了用戶的操作，提升了工作效率。

6.2 業務發展

在NFC技術的發展與應用的歷史中，手機巨頭諾基亞始終扮演著重要的角色。2004年，飛利浦、索尼、諾基亞共同發起NFC論壇，開始推廣NFC技術的商業應用。諾基亞從一開始就意識到了NFC技術在手機上的潛力，早在2004年就拿出了全世界第一款 NFC 產品——諾基亞3220 NFC外殼，可以讓3220支持部分地區的手機錢包業務。諾基亞2006年推出的6131NFC是第一款內置NFC技術的手機，該手機能直接與其他NFC設備交互，用戶能夠進行購物、移動訪問服務。為了推廣NFC，諾基亞還與捷德公司成立一家合資公司VENYON，來幫助運營商、交通運營公司、零售商、銀行、信用卡公司以及世界范圍內電子服務和媒體提供商等，向擁有通信移動設備的客戶提供服務和應用。但是由于戰略性失誤，諾基亞并未能抓住機會，失去了主導優勢。

目前大部份內置NFC功能的設備皆以移動電話為主，2006年諾基亞推出第一部NFC手機后，各廠商開始陸續推出具有相關功能的產品，如Nokia Lumia 610、Samsung Galaxy Note II、Sony Xperia P和Asus Nexus 7等。尤其是隨著智能手機的普及使用，現在越來越多的智能手機廠商開始看好NFC，最先發力的是 Google公司，Android自2.3開始支持NFC，相關軟件棧與API由Google和恩智浦共同開發，其力推的Nexus S也成為第一款支持NFC技術的安卓平臺手機。

在中國，NFC技術也在諸多領域獲得了實際應用：

· 2006年6月諾基亞攜手中國移動廈門公司、易通卡公司和飛利浦共同啟動了中國首個NFC手機支付商用試驗。用戶在廈門市易通卡覆蓋的公交汽車、輪渡、餐廳、電影院、便利店等營業網點，只要輕輕刷一下NFC手機就可以實現消費交易。而且還可以通過手機查詢最近的歷史交易以及余額。

·2006年8月1日，諾基亞與銀聯商務公司在上海啟動中國第二個近場通信測試，也是全球范圍首次進行近場通信空中下載試驗。2007年底，中國銀聯支持近場通信技術的手機支付測試將在上海的浦東商業區展開，包括八百伴和正大廣場的購物中心。

·2007年3月13日，近場通信技術移動認證業務正式在上海推出。這個業務由諾基亞公司和上海質監、上海消防聯合實施。執法人員只需持定制防偽應用的近場通信手機，即可隨時隨地讀取煙花爆竹所貼電子標簽的全球唯一識別碼，并實時上傳至防偽服務器與數據庫校驗。

·2011年11月，中國人民銀行、工信部、國標委的相關司局組織銀聯和三大電信運營商召開了移動支付工作研討會，會上明確了近場支付采用13.5 6 MHz標準，2.45 GHz方案僅用于封閉應用環境，不允許進入金融流通領域。

·2012年8月29日，中國光大銀行與中國銀聯簽署移動支付戰略合作協議，標志移動支付正式向商業化部署邁進。

NFC 的前景很美好，但挑戰依然存在。如何有效面對這些挑戰對NFC技術的廣泛應用至關重要。

（1）首先是商家的支持。雖然手機廠商和運營商目前已經積極行動起來，但NFC在基于位置的服務（LBS）、支付等領域必須要有商家的支持。商家是否愿意為該項技術帶來實際的明顯利潤前進行足夠的嘗試，對于NFC業務的推廣至關重要。因此運營商和廠商需要考慮采用何種措施促進商家的支持。參考當初 NTT Docomo的例子，為了推廣RFID 支付，該公司大范圍補貼商家，減少了商家的壓力，拓寬了業務市場。反觀世界其他地區，似乎還沒有多少這樣的措施。

（2）其次是如何建立統一的標準。利用短信、紅外、藍牙發送名片的技術早就被提出，但最終都沒有得到推廣，究其原因，各平臺之間不兼容是一大挑戰。NFC 雖然極大地簡化了傳輸的操作步驟，但如果沒有一套得到各方認可的統一標準，傳來的信息很容易亂碼或者內容錯位，從而導致跨平臺應用不切實際。

（3）最后是各平臺內部的分裂問題。同一廠商的不同型號NFC設備對NFC技術的支持不盡相同，對手機之間的交互應用有很大影響。不同廠商不同設備間的問題更加復雜。

對于中國來說，需要密切關注的是，中國政府正在制訂自己的RFID標準，而飛利浦的NFC技術是否完全兼容并得到中國政府的認可，對消費者來說相當重要。為了使中國獲得相關的自主知識產權，又能將RFID發展納入標準化、規范化的軌道，中國國家標準化管理委員會成立了國家標準工作組，負責起草、制訂中國有關RFID的國家標準。整個認證過程還需要飛利浦等公司公開一些關鍵的技術，這成為NFC在中國推廣應用的重要障礙。

7 結束語

鑒于近場通信技術在未來的廣闊應用空間和日益重要性，本專題分3期系統介紹了近場通信技術的背景、技術架構、協議規范、安全策略、和業務應用等。

需要注意的是，由于近場通信技術本身的傳輸性能并不好，且可替代性強（例如，蘋果iPhone5棄用近場通信芯片導致近場通信活動減少），在消費者中的知名度下降，造成最近幾年近場通信發展停滯不前，相關應用大幅度越少。所以，從近場通信技術本身挖掘提高其傳輸性能和安全性，從應用角度探索固有優勢的業務和殺手锏業務，從設備簡易和成本方面進行增強，這些將決定近場通信技術的未來。 （續完）

參考文獻

[8] NFC Forum. Type 3 Tag Operation Specification Technical Specification 1.1[S]. 2011.

[9] NFC Forum. Type 4 Tag Operation Specification Technical Specification 2.0[S]. 2011.

[10] 袁琦，劉東明，徐東升. 近場通信業務技術研究[J]. 電信網技術， 2008（1）：1-3.