基于SWP方案的近場通信終端測試

中國聯通研究院 北京 100032

前言

近場通信(Near Field Communication，NFC)是一種工作頻率為13.56MHz、由RFID技術演變而來的近距離無線通信技術，允許電子設備通過簡單觸碰的方式完成信息交換及內容訪問。支持NFC功能的終端有三種工作模式：點對點模式、讀寫器模式和卡模擬模式。

隨著移動支付業務的不斷發展，NFC憑借著安全、迅速、能耗低的優勢成為移動支付市場的熱點。而對NFC終端的測試工作是保證NFC終端穩定快速完成刷卡支付的關鍵。NFC測試主要包括三個方面，即一致性測試、功能性測試和兼容性測試。

1 SWP-NFC終端

1.1 NFC終端技術實現方案

NFC移動支付產業鏈較長，涉及電信運營商、SIM卡商、金融機構、手機制造商、TSM平臺商等參與方，在市場上也存在著多種NFC終端的技術實現方案。這些實現方案的主要區別是安全模塊SE、NFC控制器與NFC天線的位置不同。目前，主流的方案有SD卡方案、全終端方案與SWP方案。

SD卡方案是將安全模塊集成在SD卡中。該方案得到銀行的支持，因為銀行可以自行發放SD卡。但是支持該方案的終端數量較少，且SD卡成本較高，導致SD卡方案發展規模受到較大限制[1]。

NFC全終端方案(如圖1所示)將安全模塊SE集成在終端內，優點是可以將NFC芯片與安全模塊SE芯片集成在一個芯片內，并且能夠有效避免機卡接口和機卡兼容性的問題。缺點是安全模塊SE無法與手機分離，用戶換手機后需要將業務轉移到新手機上[1]。

圖1 NFC終端實現方案

國內外電信運營商主推的是SWP實現方案。該方案用SIM卡作為安全模塊，存儲用戶支付賬戶、密鑰等敏感數據，運行支付應用。用戶更換新手機后，由于敏感數據都儲存在SIM卡中，僅需更換SIM卡即可繼續使用NFC業務。

1.2 SWP-NFC終端軟硬件架構

SWP-NFC終端軟硬件架構如圖2所示，括號內紅色字體為技術規范，綠色字體為測試規范。

基于SWP方案的NFC終端硬件主要由NFC控制器(CLF)、SWP-SIM卡、安全模塊SE、應用處理器及基帶芯片和NFC射頻天線等單元組成。1)NFC控制器。即NFC芯片，實現NFC卡模擬、讀寫器、點對點模式所定定的測試環境下，對被測實體(IUT)進行黑盒測試，通過比較被測終端的實際輸出與標準和規范中規定的預期輸出的異同，來驗證被測終端是否符合相應的標準或規范[2]。

圖2 SWP NFC終端硬件架構

NFC終端的一致性測試是對終端與NFC相關的各模塊間接口進行技術標準符合度檢測，確保終端在接口協議上滿足行業定義的技術標準要求。這是整個NFC測試中最基本的一部分。這一部分測試屬于終端的自測，可以采用行業內已經認證過的一致性測試儀表或工具，或者根據技術規范自行開發測試工具包來完成一致性的測試(如圖3所示)。義的模擬、數字協議的處理。2)安全模塊SE。即安全芯片，所有涉及敏感數據、加密運算等的業務(如銀行卡、公交卡)均需要單獨安全芯片處理，在SWP方案中，SE位于SIM卡中。3)SWP接口。主要用于非接觸讀寫器，通過NFC控制器與SWP-SIM卡安全模塊進行的非接觸通信。4)7816接口。主要用于手機應用客戶端程序與SWP-SIM卡之間的數據交互。

基于SWP方案的NFC終端軟件主要由NFC應用、NFC API、SIM/SE訪問API、訪問控制模塊和NFC協議棧等單元組成。1)NFC應用。NFC客戶端應用程序，實現NFC終端的卡模擬、讀寫器、點對點工作模式相關業務功能，如電子錢包等。2)NFC API。根據不同的底層平臺向客戶端應用程序提供訪問NFC協議棧的接口；提供對讀寫器模式、點對點模式的功能調用，同時，支持對NFC Forum定義的各種數據格式進行解析。3)NFC協議棧。主要實現NFC讀寫器、點對點模式相關協議的分析處理。4)SIM訪問API。提供應用訪問SWP-SIM卡的接口，實現客戶端應用程序與SWP-SIM卡之間的APDU交互。5)訪問控制模塊。完成SWP-SIM卡的安全訪問控制，阻止對SWP-SIM卡中資源的非授權訪問和非法攻擊。

2 一致性測試

終端的一致性測試是指利用一組測試序列，在特

圖3 NFC終端的一致性測試

基于SWP方案的NFC終端的一致性測試應包括射頻一致性測試、協議一致性測試、SWP/HCI測試、Open Mobile API測試和GPAC測試。

2.1 射頻一致性測試

NFC技術由RFID射頻識別技術演變而來，NFC射頻標準主要由NFC Forum制定，NFC Forum是行業性組織，必須遵循國際標準，在底層的規范中納入了ISO/IEC 14443、ISO 18902及ISO 15693。

射頻一致性測試主要是測量NFC設備射頻的模擬特性，NFC Forum定義的NFC設備具有偵聽(Listening)和輪詢(Polling)功能(如圖4所示)。

圖4 NFC Forum輪詢和偵聽設備

輪詢設備產生射頻場并發送輪詢命令，偵聽設備不產生射頻場，利用輪詢設備的射頻場為自己供能。射頻一致性測試需使用NFC參考設備，NFC參考設備是NFC Forum定義的特性化的輪詢或偵聽設備，可以產生各種參數從而提供定義明確的、可比較的測量[2]。

NFC Forum射頻模擬測試的規范為NFC Forum-TS-Analogue，對NFC設備的射頻測試分為兩個部分，即輪詢模式(polling mode)和偵聽模式(listening mode)，圖5和圖6是射頻模擬測試的架構。

圖5 偵聽設備測試

圖6 輪詢設備測試

輪詢設備指令生成器用來產生與一條輪詢指令對應的調制，通過NFC Forum參考輪詢設備發送命令給被測偵聽設備。參考輪詢設備還可以觀察偵聽設備通過負載調制方式發送來的數據。負載調制測量工具用來測量被測偵聽設備響應的負載調制的振幅，對于NFC-A和NFC-B設備，以fc/16的頻率測量副載波調制的電壓峰值，對于NFC-F設備，以fc/64和fc/32的頻率測量載波調制的電壓峰值(fc代表載波頻率)。

在偵聽模式下，測試內容包括：負載調制測試，測量出的負載調制信號強度必須在要求的范圍內；載波頻率測試，在最大最小頻率范圍內，偵聽設備也必須能做出正確回應；幀延遲時間測試，幀延遲時間是指從查詢指令結束到手機卡模擬模式傳輸開始的響應時間；偵聽設備最大負載測試，偵聽設備的負載會減小工作域的磁場強度，因此，其負載需在限定范圍內。

NFC Forum參考偵聽設備用來分析被測輪詢設備發出的射頻場功率和數據傳輸，通過配置不同的電阻負載來模擬不同場景下的輪詢設備。偵聽設備響應生成器用來產生與偵聽設備響應相一致的調制，通過負載調制的方式向輪詢設備發送響應消息，從而觀察輪詢設備的數據接收能力。磁場測量工具用來測量NFC Forum參考偵聽設備傳遞的直流電壓振幅，需要測量不小于10 s的直流電壓平均值。

在輪詢模式下，測試內容包括載波頻率精度測試；功率級別測試，能夠保證設備工作在查詢模式時有足夠的電源；波形特性測量，測量一些時間參數，如上升時間，下降時間等；負載調制靈敏度測試，工作在查詢模式的設備應能夠正確接收負載調制；射頻沖突避免測試，周圍存在射頻場時，NFC設備為避免沖突應關閉自身的射頻場；載波頻率測試，測量出的載波頻率應在規范所限定的13.553～13.567MHz范圍內。

2.2 數字協議一致性測試

數字協議規范規定了NFC-A、NFC-B、NFC-F三種技術，這三種技術有著不同的調制方式、編碼格式、傳輸速率、幀格式和命令集。數字協議的內容如圖7所示。

圖7 NFC Forum數字協議規范架構

初始化階段設備會完成偵聽、RF沖突避免、技術發現和沖突檢測。數字協議規范定義了4種標簽平臺，能夠讓設備支持讀寫器和卡模擬模式。支持點對點的設備采用NFC-DEP協議交換數據，支持ISO 14443的讀寫器或卡模擬采用ISO-DEP作為傳輸協議來交換數據，對于類型1/2/3標簽平臺采用半雙工通信協議[2]。

NFC Forum數字協議測試的規范為NFC Forum-TS-For Digital Protocol，NFC設備的數字協議測試分為三個部分，即支持NFC-A、NFC-B、NFC-F技術的NFC Forum設備的安裝，輪詢模式下的NFC Forum設備和偵聽模式下的NFC Forum設備。

輪詢模式下NFC Forum設備測試包括NFC-A、NFC-B、NFC-F技術的NFC Forum設備的安裝，類型1標簽(T1T)平臺，類型2標簽(T2T)平臺，類型3標簽(T3T)平臺，類型4A標簽(T4AT)平臺，類型4B標簽(T4BT)平臺，NFC-A技術的點對點，NFC-F技術的點對點。

偵聽模式下的NFC Forum設備測試包括NFC-A、NFC-B技術的NFC Forum設備的安裝，類型3標簽(T3T)平臺，類型4A標簽(T4AT)平臺，類型4B標簽(T4BT)平臺，NFC-A技術的點對點，NFC-F技術的點對點。

2.3 SWP/HCI測試

SWP/HCI測試是SWP方案的NFC終端的特有測試(如表1所示)。SWP用于UICC和CLF之間的物理層和數據鏈路層協議，SWP在一條單線上實現了全雙工通信。HCI(Host Control Interface，主機控制接口)用于主機之間的通信接口，在SWP協議之上負責UICC和CLF之間邏輯傳輸管道的建立和路由[2]。

表1 SWP/HCI測試規范

SWP協議技術標準為ETSI 102 613，測試標準為ETSI TS 102 694；HCI協議技術標準為ETSI 102 622，測試標準為ETSI TS 102 695。

SWP的測試涵蓋物理特性測試、電氣特性測試、物理傳輸層測試、數據鏈路層測試、SHDLC LLC定義測試、CTL LLC定義測試、時序和性能測試等。

HCI的測試涵蓋HCI架構測試、HCP測試、指令測試、HCI流程測試、非接觸卡模擬測試、非接觸閱讀器測試、連通性測試等。

全球認證論壇GCF對于支持NFC功能的移動終端也做了測試認證要求，選取ETSI 694-1和695-1中的部分測試用例作為認證測試，具體測試用例詳見GCF WI-133-SWP/HCI和GCF WI-190-SWP/HCI Enhancements for UICC Based NFC Services[3]。

2.4 Open Mobile API測試

Android 2.3以上的安卓手機系統提供了NFC API，但這些API只支持點對點通信模式和讀寫器模式，而卡模式由SIM Alliance組織推出標準規范的OpenMobile API接口，使安卓手機上層應用可以訪問Secure Elements。技術規范為SIMAlliance_Open_Mobile_API_Specification。測試規范為SIMAlliance_OMAPI_transport_test_plan。

Open Mobile API共定義了5個類，每個類里面還包含若干方法(如表2所示)。SIMAlliance OMAPI Transport Test Plan規范按照Transport Layer API接口中的五個類分成五個測試部分，包含了類中所有的公共方法，每個方法又分為三項一致性需求，具體如下文。

第一，正常執行需求。測試目的為檢查該接口方法的基本功能是否正確，是否按照規范要求實現接口的基本能力。第二，參數錯誤需求。測試目的為檢查該方法對異常參數的處理能力，包括參數類型、邊界值等等。第三，環境錯誤需求。測試目的為檢查該方法對異常狀態的處理能力。

針對這些API，OMA的測試主要實現了API功能調用、輸入參數遍歷、各種異常測試，保證上層APK在調用OMA API時可以得到規范定義的預期執行結果。

2.5 Access Control測試

為保證移動支付業務的安全可靠運行，在軟件架構中加入訪問控制模塊，即Access Control。訪問控制流程如圖8所示。

圖8 Access Control訪問控制流程

存放在SWP-SIM卡安全模塊中的訪問規則文件定義了哪些應用可以訪問安全模塊中特定的資源或使用哪些APDU指令。訪問控制模塊負責完成證書獲取、規則管理、規則匹配的功能。訪問控制模塊的規范由Global Platform組織發布。技術規范為Global Platform Device Technology Secure Element Access Control。

訪問控制部分測試規范為SEAC_DeviceSide_ComplianceTests。測試的內容主要是檢測在不同的AC規則下，不同APK對SE內部卡應用Applet的訪問權限[4]。

3 功能性測試

NFC功能性測試是圍繞NFC終端應用場景的軟件性功能測試，從終端用戶的角度來驗證NFC終端能否完成相應的功能，是最直觀最接近用戶使用場景的測試。根據NFC的三種工作模式，可分為點對點功能、讀寫器功能和卡模擬功能的驗證[5]。

3.1 點對點功能測試

使用點對點功能，兩個支持NFC的設備通過近距離觸碰可以進行數據交互。點對點功能常用于手機聯系人信息、電子名片、圖片、視頻、網頁等內容的交換，測試包含以下內容。

讀取傳輸測試。配對傳輸單張圖片，配對傳輸多張圖片，配對傳輸視頻，在設備播放視頻時配對傳輸視頻，配對傳輸word、text、pdf等其他文件。

并發事件測試。并發測試考慮的是NFC手機正在某種業務執行過程中，如刷卡、多媒體業務互傳等時出現來電、短信、彩信、鬧鐘及低電等情況時，不會影響NFC手機正在進行的通信業務。在配對傳輸視頻時接收來電通話，在配對傳輸視頻時接收短信息，在配對傳輸視頻時接收彩信，在配對傳輸視頻時接收視頻電話，在傳輸視頻時使用數據連接。

在點對點模式下，NFC功能幫助兩部設備完成配對，之后的傳輸功能是由藍牙或WiFi直連完成的；因此，如果傳輸照片、文本等較小文件，傳輸時間過短，用戶來不及選擇取消，建議傳送視頻等較大文件。在設備A的媒體庫(相冊)上選擇視頻文件，使用NFC進行配對，輕觸屏幕傳送視頻文件，在設備B上選擇取消傳輸，傳輸應停止，并在設備B上沒有該視頻文件。建立配對開始傳輸文件時，設備B鎖屏，傳輸應能夠繼續，并可以成功傳輸文件到設備B上。

傳輸成功率測試?？梢赃x取不同大小不同類型的文件，使用NFC點對點功能進行傳輸，并統計傳輸成功率。

3.2 讀寫器功能測試

通過NFC讀寫器功能，手機終端可以識別并讀取非接觸標簽(tag)中的內容?？梢詫崿F數字內容傳輸、下載智能廣告牌信息、公交站點信息查詢、物流防偽追蹤等，應用裝載在NFC手機客戶端上。

NFC標簽的規范主要由NFC論壇定義，標簽的數據格式要求符合NFC Forum定義的數據交換格式協議NDEF。NFC論壇一共定義了4類標簽，分別為標簽1、標簽2、標簽3、標簽4。對于每類標簽，NFC論壇定義了相應的標簽操作規范。標簽可以支持文本、圖片、音頻等格式的文件，還可以支持一些運算或加密來控制其數據段的讀寫[5]，各類型的標簽技術規格如表3所示。

表3 NFC Forum非接觸標簽

NFC Forum規定的標簽類型有4種，在讀寫器功能的測試中要能遍歷終端所能支持的標簽類型，在標簽內預先寫入text、URL、聯系人、電話號碼、SMS等數據，使用NFC終端去讀標簽，看是否能夠準確讀取并顯示所讀標簽信息。然后使用NFC終端向各個標簽內寫入數據，并檢查是否寫入成功。在測試過程中，注意反應速度、工作距離及準確度。

3.3 卡模擬功能測試

在卡模擬工作模式中，NFC手機模擬成一張底層兼容ISO 14443A、ISO 14443B或ISO 15693標準的非接觸式智能卡。安卓系統并沒有預制NFC卡模擬功能，NFC卡模擬功能主要通過第三方應用軟件來實現。聯通、移動、電信均推出了“手機錢包”應用程序，配合SWP-SIM卡可以模擬成銀行卡、加油卡、停車卡、交通卡、電子票據和門禁卡等非接觸卡片，可以用于支付、票務、門禁、考勤等應用場景，應用裝載在NFC安全模塊中[5]。

卡模擬功能性測試可以分為兩個部分，一部分是對實現卡模擬功能應用程序(如手機錢包等)的軟件測試，主要是對該應用程序的UI、應用下載安裝和常規功能的測試。另一部分是涉及NFC刷卡功能的測試，需要涵蓋低電模式下的刷卡測試，保證手機在低電關機情況下也可以完成交易或獲得鑒權；刷卡距離測試，以不同距離進行刷卡，并測試NFC手機的最大刷卡距離；并發測試，在接打電話、收發短信等場景下，能夠正常完成卡模擬功能；交易時間測試，測試終端卡模擬從刷卡到完成交易的時間[6]。

4 兼容性測試

NFC終端在移動支付領域的刷卡應用是行業研究的重點。2012年中國移動與中國銀聯達成協議，NFC行業標準統一為13.56M頻段，掃清了NFC普及的標準障礙。2014年，中國移動計劃NFC手機銷售目標達到3 000萬部，而中國電信、聯通也紛紛針對NFC手機給出相應的補貼政策。中國銀聯也加快部署支持“閃付”的POS機。2014年9月，蘋果在發布的iphone 6/6+上，第一次引入了通過NFC技術實現的APPLE PAY。NFC移動支付生態系統日趨成熟。

NFC支付具有許多跨行業的屬性，NFC與POS的兼容性成為NFC支付面臨的重要挑戰。這主要是由于：第一，產業鏈長，相關POS硬件廠商眾多(銀聯、各地市公交卡、地鐵等)，因硬件性能、實現技術帶來的兼容性問題亟待解決；第二，行業標準眾多，且不完全一致[7]；因此，為保證NFC終端能夠模擬非接觸卡刷卡成功，不僅需要對NFC終端射頻協議、機卡接口進行測試，還需要對NFC終端與POS機的兼容性進行測試，將NFC相關的各設備進行交叉使用，檢測不同廠家提供的設備能否很好地兼容，包括實驗室商用POS兼容性測試、模擬POS兼容性測試兩種。

1) 實驗室商用POS兼容性測試。即根據市場占有率或類型選取典型POS機，使用NFC手機進行離線或在線刷卡測試。要實現刷卡，需要在NFC終端和POS端預置或開發應用，POS端還需導入證書或插入PSAM卡，并搭建后臺計費服務器。實驗室商用POS兼容性測試是NFC終端與真實商用POS之間的測試，最接近使用場景，但是該測試方法覆蓋市面上所有POS機型，且需要較多人力來完成測試，測試問題不易復現。

2) 模擬POS兼容性測試。即使用儀表模擬不同傳輸參數的POS機對終端的兼容性進行測試。該測試方法可以彌補實驗室商用POS兼容性測試無法覆蓋市面上所有POS機的不足。儀表可以通過對POS機的發射載波功率、發射載波頻率、通信速率、調制的時間參數、傳輸間隔時間、傳輸幀大小等參數進行不同的組合，來模擬不同的POS進行兼容性測試。雖然儀表兼容性測試POS機類型范圍較廣，但是實際使用的POS機封裝，內部電路等會更為復雜。

5 結束語

NFC在移動支付等領域有著不錯的前景，越來越多的手機將會支持NFC功能，而對NFC設備的一致性測試、兼容性測試以及功能性測試能夠有效確保NFC終端正常穩定工作，在移動支付、門禁、文件交換、智能海報等多應用場景給用戶提供更好的使用體驗；因此，需要產業鏈各方開展多方面的檢測認證，從而確保整個NFC以及移動支付產業的可持續性發展。

參考文獻

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