一、NFC概述
NFC（Near Field Communication）也叫近距离无线通信，是一项无线技术。 NFC由非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来,在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，利用移动终端能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。
NFC具有距离近、带宽高、能耗低等特点。适用于一些敏感信息或个人数据的传输等，在安全性上具有优势，NFC与现有非接触智能卡技术兼容，已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。利用NFC功能，可以实现消费、门禁等多种应用，代替卡包里的多种卡片，如移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。
参考《深入理解Android:Wi-Fi、NFC和GPS卷》一书：该技术最早由Philips和Sony两家公司于2002年年末联合推出，从原理上说，NFC和ＷiFi类似，二者都利用无线射频技术来实现设备之间的通信。但是区别是，NFC的工作频率为13.56MHz，有效距离为<4cm。
所以这在很大程度上要求使用NFC的双方设备具备相当高的信任程度，不然不可能使其靠近自己的设备，这在一定程度上表明NFC技术的安全性。
接下来说一下RFID即无线射频识别技术，而NFC技术起源于RFID技术,RFID有低频，高频（13.56MHz）和超高频工作频率，.在应用领域：RFID更多的应用在生产，物流，跟踪和资产管理上，而NFC则工作在门禁，公交卡，手机支付等领域。在工作模式：NFC同时支持读写模式和卡模式。而在RFID中，读卡器和非接触卡是独立的两个实体，不能切换。
二、NFC应用
NFC设备可以用作非接触式智能卡、智能卡的读写器终端以及设备对设备的数据传输链路。NFC应用可以分为四个基本类型：
1.接触、完成。诸如门禁、活动检票之类的应用，用户只需将储存有票证或门禁代码的设备靠近阅读器即可。还可用于简单的数据撷取应用。
2.接触、确认。移动付费之类的应用，如食堂消费、交通工具支付，用户必须输入密码确认交易，或者仅接受交易。
3.接触、连接。将两台支持NFC的设备链接，即可进行点对点网络数据传输，例如下载音乐、交换图像或同步处理通信录等。
4.接触、探索。NFC设备可能提供不止一种功能，消费者可以探索了解设备的功能，找出NFC设备潜在的功能与服务。
三、NFC工作模式
NFC支持如下3种工作模式：读卡器模式（Reader/writer mode）、仿真卡模式(Card Emulation Mode)、点对点模式（P2P mode）。
下来分别看一下这三种模式：
1、读卡器模式：
数据在NFC芯片中，可以简单理解成“刷标签”。本质上就是通过支持NFC的手机或其它电子设备从带有NFC芯片的标签、贴纸、名片等媒介中读写信息。通常NFC标签是不需要外部供电的。当支持NFC的外设向NFC读写数据时，它会发送某种磁场，而这个磁场会自动的向NFC标签供电。
2、仿真卡模式：
数据在支持NFC的手机或其它电子设备中，可以简单理解成“刷手机”。本质上就是将支持NFC的手机或其它电子设备当成借记卡、公交卡、门禁卡等IC卡使用。基本原理是将相应IC卡中的信息凭证封装成数据包存储在支持NFC的外设中 。
在使用时还需要一个NFC射频器（相当于刷卡器）。将手机靠近NFC射频器，手机就会接收到NFC射频器发过来的信号，在通过一系列复杂的验证后，将IC卡的相应信息传入NFC射频器，最后这些IC卡数据会传入NFC射频器连接的电脑，并进行相应的处理（如电子转帐、开门等操作）。
3、点对点模式：
该模式与蓝牙、红外差不多，用于不同NFC设备之间进行数据交换，不过这个模式已经没有有“刷”的感觉了。其有效距离一般不能超过4厘米，但传输建立速度要比红外和蓝牙技术快很多，传输速度比红外块得多，如过双方都使用Android4.2，NFC会直接利用蓝牙传输。这种技术被称为Android Beam。所以使用Android Beam传输数据的两部设备不再限于4厘米之内。
点对点模式的典型应用是两部支持NFC的手机或平板电脑实现数据的点对点传输，例如，交换图片或同步设备联系人。因此，通过NFC，多个设备如数字相机，计算机，手机之间，都可以快速连接，并交换资料或者服务。
下面对比一下NFC、蓝牙和红外之间的差异：
对比项 NFC 蓝牙 红外 网络类型 点对点 单点对多点 点对点 有效距离 <=0.1m <=10m，最新的蓝牙4.0有效距离可达100m 一般在1m以内，热技术连接，不稳定 传输速度 最大424kbps 最大24Mbps 慢速115.2kbps，快速4Mbps 建立时间 <0.1s 6s 0.5s 安全性 安全，硬件实现 安全，软件实现 不安全，使用IRFM时除外 通信模式 主动-主动/被动 主动-主动 主动-主动 成本 低 中 低
四、Android实现仿真卡模式(Card Emulation Mode)
这里通过NFC的仿真卡模式(Card Emulation Mode)实现了公司所有读头产品相关配置和固件升级功能；
1：通过手机NFC模拟配置卡功能来配置读头相关参数；
2：通过手机NFC模拟电子工牌，实现刷手机开门功能；
3：通过手机NFC模拟卡片升级，升级读头固件等功能；
NFC具体细节可参阅博文这里不做过多赘述，直接上代码：
1：NFC权限
<uses-permission android:name="android.permission.NFC" />
<!--API 9 设备可以使用近场通信（NFC）进行通信。-->
<uses-feature
android:name="android.hardware.nfc"
android:required="true" />
<!--API 19 该设备支持基于主机的NFC卡仿真。-->
<uses-feature
android:name="android.hardware.nfc.hcef"
android:required="true" />
<!--API 24 该设备支持基于主机的NFC-F卡仿真。-->
<uses-feature
android:name="android.hardware.nfc.hce"
android:required="true" />
2：Service implementation
Android 4.4带有一个便利Service类，可以作为实现HCE服务的基础：HostApduService类。
processCommandApdu() 只要NFC阅读器向您的服务发送应用程序协议数据单元（APDU），就会调用此方法。APDU也在ISO / IEC 7816-4规范中定义。APDU是NFC读取器和HCE服务之间交换的应用程序级数据包。该应用程序级协议是半双工的：NFC读取器将向您发送命令APDU，它将等待您发送响应APDU作为回报。
注： ISO / IEC 7816-4规范还定义了多个逻辑信道的概念，您可以在不同的逻辑信道上进行多个并行APDU交换。然而，Android的HCE实现仅支持单个逻辑通道，因此只有APDU的单线程交换。
如前所述，Android使用AID来确定读者想要与之通信的HCE服务。通常，NFC读取器发送到您的设备的第一个APDU是“SELECT AID”APDU; 此APDU包含读者想要与之交谈的AID。Android从APDU中提取该AID，将其解析为HCE服务，然后将该APDU转发到已解析的服务。
onDeactivated() 卡片移走或断开连接时调用，并带有一个参数，指示两者中的哪一个发生了。
package com.radio.www.m355.service;
import android.content.Context;
import android.content.Intent;
import android.nfc.cardemulation.HostApduService;
import android.os.Build;
import android.os.Bundle;
import android.os.Handler;
import android.util.Log;
import androidx.annotation.RequiresApi;
import com.radio.www.m355.ui.M355App;
import com.radio.www.m355.utils.Aes128EcbUtils;
import com.radio.www.m355.utils.HexDump;
import java.util.Arrays;
import javax.crypto.Cipher;
/**
* Created by Roy.lee
* On 2022/6/27
* Email: 631934797@qq.com
* Description:
*/
public class CardEmulationService extends HostApduService {
private static final String TAG = CardEmulationService.class.getSimpleName();
private static final String SEND = " : ==> ◇ ";
private static final String RECE = " : <== ◆ ";
private static Handler mHandler;
private static StringBuffer mSb;
private static final int INIT_CARD = 0;
private static final int READ_CARD = 1;
private static int MODE = READ_CARD;
private byte[] RANDOM_NUMBER = new byte[8];
private static final String str = "6f15840e315041592e5359532e4444463031a503880101";
public static Intent newHCEServiceIntent(Context context, Handler handler, StringBuffer mBuf){
Intent hceIntent = new Intent(context, CardEmulationService.class);
mHandler = handler;
mSb = mBuf;
return hceIntent;
}
@Override
public void onCreate() {
Log.i(TAG, "... CardEmulationService on create ...");
logAppend(TAG + " : ... CardEmulationService on create ...");
super.onCreate();
}
private void logAppend(String log){
if (mSb != null)
mSb.append(log + "\r\n");
if (mHandler != null)
mHandler.sendEmptyMessage(1);
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.O)
@Override
public byte[] processCommandApdu(byte[] commandApdu, Bundle extras) {
Log.i(TAG, RECE + HexDump.toHexString(commandApdu));
logAppend(TAG + RECE + HexDump.toHexString(commandApdu));
String cmdApdu = HexDump.toHexString(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,2));
Log.i(TAG, "cmdApdu : " + cmdApdu);
switch (cmdApdu){
case "00A4"://选择文件
if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_INIT_AID))){//
MODE = INIT_CARD;
logAppend(TAG + " : ... write card ...");
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_READ_AID))){//
MODE = READ_CARD;
logAppend(TAG + " : ... read card ...");
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_AID)) || Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_AIDS))){//
MODE = READ_CARD;
logAppend(TAG + " : ... read Aid ...");
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_FILE_DIRECTORY))){//
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_FILE_01))){//
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_FILE_02))){//
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_FILE_3F00))){ //3F00
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(str),ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(str),ApduCommands.SW_9000);
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.SELECT_FILE_DF99))){ //3F00
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(M355App.mmkv.decodeString("AppID")),ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(M355App.mmkv.decodeString("AppID")),ApduCommands.SW_9000);
}
break;
case "00B0"://读取数据
if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.READ_UID))){//
Long intUserCarcNmu = M355App.mmkv.decodeLong("UID",0);
// TODO 判断卡号
byte[] cardNum = new byte[5];
byte[] bytes = HexDump.longTo4Bytes(intUserCarcNmu);
System.arraycopy(bytes,0,cardNum,0,bytes.length);
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(cardNum,ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(cardNum,ApduCommands.SW_9000);
}
else if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.READ_CUID))){//
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(M355App.mmkv.decodeString("CUID","0000000000000000")),ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(HexDump.hexStringToByteArray(M355App.mmkv.decodeString("CUID","0000000000000000")),ApduCommands.SW_9000);
}
break;
case "0084"://获取随机数
if (Arrays.equals(commandApdu, HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.GET_CHALLENGE))){//
RANDOM_NUMBER = HexDump.getRand(8);
//logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(RANDOM_NUMBER));
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(RANDOM_NUMBER,ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(RANDOM_NUMBER,ApduCommands.SW_9000);
}
break;
case "0082"://外部认证
if (commandApdu.length == 13 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,5),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.EXTERNAL_AUTH))){
byte[] subArray = HexDump.getSubArray(commandApdu, 5, 8);
byte[] desDecrypt = new byte[8];
String external_auth_key = M355App.mmkv.decodeString("EXTERNAL_AUTH_KEY","");
if (external_auth_key == null || external_auth_key.equals("") ){
logAppend(TAG + SEND + "KEY 文件未找到");
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_6A82));
return ApduCommands.SW_6A82;
}
desDecrypt = Aes128EcbUtils.DESede(subArray,
HexDump.hexStringToByteArray(external_auth_key),
Cipher.DECRYPT_MODE);
//logAppend(TAG + RECE + HexDump.toHexString(desDecrypt));
if (Arrays.equals(RANDOM_NUMBER,desDecrypt)){
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}else {
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_63CF));
return ApduCommands.SW_63CF;
}
}
break;
case "0088"://内部认证
if (commandApdu.length == 13 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,5),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.INTERNAL_AUTH))){
byte[] randArray = HexDump.getSubArray(commandApdu, 5, 8);
logAppend(TAG + RECE + HexDump.toHexString(randArray));
byte[] desEncrypt = Aes128EcbUtils.Des(randArray,
HexDump.hexStringToByteArray(M355App.mmkv.decodeString("INTERNAL_AUTH_KEY")),
Cipher.ENCRYPT_MODE);
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(HexDump.concatenate(desEncrypt,ApduCommands.SW_9000)));
return HexDump.concatenate(desEncrypt,ApduCommands.SW_9000);
}
break;
case "800E"://擦除当前目录文件
if (commandApdu.length == 5 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,5),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.ERASE_DF))){
// TODO 清除数据
clearCardData();
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
break;
case "80E0"://创建文件
if (commandApdu.length == 17 && Arrays.equals(commandApdu,HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.CREATE_EC01_FILE))){
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (commandApdu.length == 12 && Arrays.equals(commandApdu,HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.CREATE_SECRET_KEY_FILE))){
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (commandApdu.length == 12 && Arrays.equals(commandApdu,HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.CREATE_FILE_01))){
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (commandApdu.length == 12 && Arrays.equals(commandApdu,HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.CREATE_FILE_02))){
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
break;
case "80D4"://写KEY
if (commandApdu.length == 26 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,10),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.WRITE_EXTERNAL_AUTH_KEY))){
//TODO 保存外部认证秘钥
byte[] exAuthKeyBytes = HexDump.getSubArray(commandApdu,10,16);
M355App.mmkv.encode("EXTERNAL_AUTH_KEY",HexDump.toHexString(exAuthKeyBytes));
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (commandApdu.length == 18 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,10),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.WRITE_INTERNAL_AUTH_KEY))){
//TODO 保存内部认证秘钥
byte[] inAuthKeyBytes = HexDump.getSubArray(commandApdu,10,8);
M355App.mmkv.encode("INTERNAL_AUTH_KEY",HexDump.toHexString(inAuthKeyBytes));
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
break;
case "00D6"://写uid
if (commandApdu.length == 9 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,5),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.WRITE_UID))){
byte[] uidBytes = HexDump.getSubArray(commandApdu,5,4);
//TODO 保存UID
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
M355App.mmkv.encode("UID",HexDump.toHexString(uidBytes));
return ApduCommands.SW_9000;
}
else if (commandApdu.length == 13 && Arrays.equals(HexDump.getSubArray(commandApdu,0,5),HexDump.hexStringToByteArray(ApduCommands.WRITE_CUID))){
//TODO 保存CUID
byte[] cuidBytes = HexDump.getSubArray(commandApdu,5,8);
M355App.mmkv.encode("CUID",HexDump.toHexString(cuidBytes));
if (mHandler != null)
mHandler.sendEmptyMessage(2);
logAppend(TAG + SEND + HexDump.toHexString(ApduCommands.SW_9000));
return ApduCommands.SW_9000;
}
break;
}
return ApduCommands.SW_6300;
}
private void clearCardData() {
M355App.mmkv.encode("UID","");
M355App.mmkv.encode("CUID","");
M355App.mmkv.encode("EXTERNAL_AUTH_KEY","");
M355App.mmkv.encode("INTERNAL_AUTH_KEY","");
}
@Override
public void onDeactivated(int reason) {
Log.i(TAG, "onDeactivated(). Reason: " + reason);
logAppend(TAG + "onDeactivated(). Reason: " + reason);
}
}
3：注册CardEmulationService
<service
android:name="com.radio.www.service.CardEmulationService"
android:exported="true"
android:permission="android.permission.BIND_NFC_SERVICE">
<intent-filter>
<action android:name="android.nfc.cardemulation.action.HOST_APDU_SERVICE" />
</intent-filter>
<meta-data
android:name="android.nfc.cardemulation.host_apdu_service"
android:resource="@xml/hceservice" />
</service>
4：配置hceservice.xml
hceservice.xml中配置AID,可以配置一个或多个AID，AID是这个service标识，通过AID来找到对应的service；这里也可以不配置AID，可以通过代码动态注册AID。
<host-apdu-service xmlns:android="http://schemas.android.com/apk/res/android"
android:description="@string/hce_service_descr"
android:requireDeviceUnlock="false">
<aid-group android:description="@string/hce_aid_descr"
android:category="other">
<!-- TODO: change ID to F...-->
<!-- see: https://stackoverflow.com/questions/27533193/android-hce-are-there-rules-for-aid-->
<!-- 以“A”开头的AID:国际注册的AID-->
<!-- 以“D”开头的AID:国家注册的AID-->
<!-- 以“F”开头的AIDs:专有AIDs(无需注册)-->
<aid-filter android:name ="444639395f3030303030303030303030"/>
</aid-group>
</host-apdu-service>
5：动态注册AID
使用CardEmulation类实现代码动态注册AID：
package com.radio.www.m355.ui;
import android.annotation.SuppressLint;
import android.content.ComponentName;
import android.nfc.NfcAdapter;
import android.nfc.cardemulation.CardEmulation;
import android.os.Build;
import android.os.Bundle;
import androidx.annotation.RequiresApi;
import androidx.appcompat.app.AppCompatActivity;
import com.radio.www.m355.R;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import javax.crypto.Cipher;
import butterknife.BindView;
import butterknife.ButterKnife;
import butterknife.OnClick;
/**
* Created by Roy.lee
* On 2022/6/27
* Email: 631934797@qq.com
* Description:
*/
public class MainActivity extends AppCompatActivity {
private CardEmulation mCardEmulation;
private ComponentName mService;
private static final List<String> AIDS = new ArrayList<>();
static {
AIDS.add("444639395f3030303030303030303030");
}
@Override
protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
super.onCreate(savedInstanceState);
setContentView(R.layout.activity_main);
NfcAdapter mNfcAdapter = NfcAdapter.getDefaultAdapter(this);
mCardEmulation = CardEmulation.getInstance(mNfcAdapter);
mService = new ComponentName(this, CardEmulationService.class);
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
protected void onResume() {
super.onResume();
mCardEmulation.setPreferredService(this, mService);
mCardEmulation.registerAidsForService(mService, "other", AIDS);
startService(CardEmulationService.newHCEServiceIntent(MainActivity.this, mHandler, mStrBuf));
}
@RequiresApi(api = Build.VERSION_CODES.LOLLIPOP)
@Override
protected void onPause() {
super.onPause();
Log.d("CardEmulation", "removeAidsForService");
mCardEmulation.removeAidsForService(mService, "other");
mCardEmulation.unsetPreferredService(this);
}
}
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