NFC(Near Field Communication，近场通信)相关

摘自《深入理解Android：WiFi模块 NFC和GPS卷 - 邓凡平》

以前的读书笔记贴一下，Android 版本演进，源码相关的一些内容可能有很大变化。
 

NFC(Near Field Communication，近场通信)相关

• NFC Forum
  • 制定NFC相关的技术标准
  • NFC认证测试
• NFC基础知识
  • NFC是从多种不同技术基础上综合发展而来

    

    • RFID技术路线，即无线射频识别技术（图左边）
      (Barcodes=>RFID=>NFC Tag（标签）和NFC Reader)
    • 磁条卡（Magnetic Strip Cards）技术路线（图右边）
      Proximity Coupling Smart Card技术（有效距离为10cm，对应的规范为ISO/IEC 14443
    • 移动终端线路，演化了携带NFC功能的终端设备（图中间）
      NFC Connection Handover技术，它描述了两台智能终端如何通过NFC相关协议来选择合适的数据传输方式​Wi-Fi Simple Configuration时（6.1节）曾介绍过一个例子，即智能手机可通过NFC来和AP交换安全配置信息
  • 物理特性
    • 工作频率为13.56MHz
    • 有效距离为4cm
    • 数据传输速率有106kbps、212kbps和424kbps三种
  • NFC技术框架

    

    • Reader/Write模式：简称R/W，和NFC Tag/NFC Reader相关。
    • Peer-to-Peer模式：简称P2P，它支持两个NFC设备交互。
    • NFC Card Emulation模式：简称CE，它能把携带NFC功能的设备模拟成Smart Card，这样就能实现诸如手机支付、门禁卡之类的功能。
    • 与NFC技术框架相对应的NFC Forum所定义的规范框架

      

      • NFC Forum定义了三个主要规范
        • Analog Specifications：该规范描述了NFC设备RF层的电气特性
        • Digital Protocal Specification：该规范在ISO 18092、ISO 14443及JIS X6319-4之上定义了NFC设备之间的数字通信协议，它使得基于不同底层协议例如Type A或Type F的NFC设备之间或者NFC设备与其他使用ISO 18092等规范的设备之间能够交互
        • NFC Activities Specification：该规范为各运行模式对应的协议栈提供支持，例如P2P模式下两个NFC设备如何建立链接，R/W模式下NFC Device如何操作NFC Tag。
      • Reference Applications表示NFC Forum在应用层面所定义的一些规范。目前有两个规范
        • Connection Handover：两个NFC设备通过它来协商用蓝牙或Wi-Fi来开展后续的数据传输工作。
        • Personal Health Device Communication：该规范定义了如何利用NFC技术在个人健康设备之间交换数据信息。
        • NFC还制定了一个NCI（NFC Controller Interface）规范，该规范制定了一套交互接口，使得主机设备（Device Host，以手机为例，NFC芯片被集成到某个手机中，那么手机就是Device Host）能够使用这套接口来和NFC芯片交互。
    •  
  • NFC三种运行模式
    • NFC R/W运行模式

      

      • 1.NDEF和NFC Record
        • (1) NDEF和NFC Record[8][9]之间的关系, R/W模式下，NFC设备之间每一次交互的数据都会封装在一个NDEF Message中，而一个NDEF Message可以包含多个NFC Record，真正的数据则封装在NFC Record中

          

          
          由图可知，一个NDEF Message可包含一个或多个NFC Record。在一个NDEF Message中，第一个NFC Record需设置其MB位（Message Begin）为1，表示它是该消息中第一个NFC Record，最后一个NFC Record需设置ME位（Message End）位为1，表示它是此消息中最后一个NFC Record。
          • NFC Record组织结构，NFC Record分为NFC Record Header（头部信息）和Payload（数据载荷）两大部分

            

            
            Record Header中最重要的是其第一字节。该字节有6个标志信息，分别如下。·MB（Message Begin标志）·ME（Message End标志）·CF（Chunk Flag标志，表示该Record是否为分片Record）·SR（Short Record标志。如果该标志被设置，则图中的4个Payload Length字段仅需一个，这表明Payload数据长度将限制在255字节以内）·IL（ID_LENGTH标志，它用于指明Header中是否包含ID Length和ID这两个字段）·TNF（Type Name Format标志，用于指明Payload的类型，NFC Forum定义了一些常用的Payload类型，详情见下文分析）​
      • 2.NFC Record实例
        • （1）URI Record Type实例

          

          
          由于该NDEF消息只包含一个NFC Record，所以这个唯一的NFC Record将设置MB和ME标志位为1。另外，由于数据量小于255字节，所以SR标志位为1。最后，该Record携带的数据属于URI类型，它为Well-Known Type的一种，所以TNF取值为0x01。Type Length字段取值为0x01，对应的Type字段取值为"U"，代表URI Record Type。根据本节对URI Record的介绍，这种类型Record的Payload包含ID Code和data两个部分。ID Code取值为0x01占据1字节（代表"http://www"），而data为"nfc.com"占据7字节，所以整个Payload长度为8字节，故Payload length字段取值为0x08。当应用程序获取Payload信息后，将根据ID Code和Data的取值最终计算出对应的URI为"http://www.nfc.com"。
        • （2）Text Record Type实例

          

          
          携带"Hello World"字符串信息的NDEF消息各字段的取值情况。
  • NFC P2P运行模式
    • 梗概
      • LLC层及以下部分

        

      • NFC P2P协议栈的全貌

        

        • SNEP（Simple NDEF Exchange Protocol）紧接LLC层。该协议使得两个NFC Device之间能直接交换NDEF消息
        • 通过Protocol Bindings，NFC可支持其他高层次并且用途更加广泛的协议。根据参考资料[3]所示的内容，NFC可支持IP和OBEX（Object Exchange，对象交换）协议，但经过调查发现NFC Forum官网目前只有LLCP-OBEX-Binding协议的草案，而LLCP和IP协议如何绑定还在研究当中。
        • Other Protocols中目前比较常用的是CHP（Connection Handover Protocol）。
    • 1.LLCP介绍
      • （1）LLCP数据包格式

        

        
        LLCP数据包前3字节为LLCP Header。LLCP Header之后就是Payload，其长度由PTYPE来决定。​
        • DSAP和SSAP分别代表Destination和Source Service Access Point（目标和源服务接入点）。DSAP和SSAP的作用类似于TCP/UDP中的端口号。决定了收发模块到底是谁。

          

          
          以SNEP的使用为例：·位于NFC Device A的服务端模块在SSAP为0x04的端口上进行监听。·位于NFC Device B的客户端模块选择一个合适的SSAP，设置DSAP为0x04。然后该客户端模块发送数据包，LLC负责将数据包打包传递给NFC Device B（假设这两个设备都在彼此的有效距离内）。·NFC Device A的LLC层接收到数据包后发现DSAP为0x04，而其上刚好有一个服务模块工作在0x04端口，故LLC层将把数据包传递给这个在0x04端口上监听的服务模块。
        • PTYPE字段指明LLCP包的类型。NFC LLCP定义了多种不同类型的包，下文将结合面向链接的数据传输服务来学习相关的LLCP包。
        • Sequence字段指明LLCP包的序号，它可分为Send端和Receiver端。由于有一些类型的LLCP包无需Sequence字段，所以Sequence字段长度有可能为0。
      • （2）面向链接数据传输服务

        

        
        ·进入Link Activation时，Device A和Device B将分别扮演Initiator和Target角色，参考资料[13]可用于确定谁来扮演Initiator或Target。·Initiator发送PAX数据包给Target。PAX全称为Parameter Exchange，它用于在两个设备间交换彼此的LLC层配置信息（如协议版本等，详情见下文）。·Target收到Initiator的PAX包后需要相应处理，例如判断协议版本是否匹配等。Target处理完后，它需要发送自己的LLC层配置信息给Initiator。·Initiator检查Target的LLC层配置参数，如果一切正常，双方Logical Link成功建立，随后可进入正常工作阶段。
        • PAX属于LLCP数据包的一种，其格式如图

          

          

        • Link被激活后，Device A和Device B将先建立面向链接的关系，然后再开展数据交互，这一流程如图

          

    • 2.SNEP介绍
      SNEP（Simple NDEF Exchange Protocol）支持在两个NFC Device之间交换NDEF消息。SNEP是一种基于面向链接的数据传输协议，作为Well-Known Service的一种，其服务端口号为0x04，服务名为"urn：nfc：sn：snep"。
      • SNEP属于Request/Response方式，其工作过程如图

        

        
        SNEP的工作流程非常简单，主要包括两个步骤。1）SNEP客户端发送SENP Request消息给服务端进行处理。2）SNEP服务端回复SNEP Response消息给客户端以告知处理结果。
      • SNEP Request/Response消息格式

        

        • SNEP当前支持的Request类型

          

          • SNEP Put消息格式

            

  • NFC CE运行模式

    

    
    NFC CE运行模式使得携带NFC芯片的设备能充当智能卡（例如信用卡）使用。该运行模式所支持的应用场景极具吸引力，例如用支持该功能的Android智能手机来完成购票、支付，甚至充当门禁卡，汽车钥匙、公交卡等。SE和NFC芯片（主要是指NFC Controller，简称NFCC）通过SWP（Single Wire Protocol）或者S2C（SignalIn/SignalOut Connection Interface，也叫NFC Wired Interface，简称NFC-WI）来交互。一般来说，SE上面运行了一些特殊的应用程序，NFC负责将数据通过SWP或S2C传递给SE中的应用来处理。​
    • SE在CE模式中扮演了非常重要的角色，目前SE和NFC的组合有三种方式

      

      • ·SE为一个嵌入式安全芯片，该芯片在手机出厂前就已经安装在其内部，而且无法被替换。
      • ·SE为一个支付型SD卡，这种卡实际上是在SD卡上嵌入了安全模块，相关应用可在这种卡上运行。
      • ·SE为UICC，也就是常说的手机SIM卡，这种组合方式对应的方案也称为NFC-SIM方案，目前由运营商主推。
      • NXP公司pn65 NFC芯片

        

        
        包含一个Secure Element，即图中的SmartMX模块，该模块中运行着一个名为Java Card OS的操作系统。在Java Card OS上，用户可以安装和运行一些应用程序（称为Applets）。除了SmartMX内置的SE外，pn65也支持使用外部的SE，即图中的UICC。
      • CLF-UICC连线

        

        
        CLF（NFC Contactless Front-End缩写）和UICC通过三条线相连。Gnd接地，Vcc提供电源。SWIO为CLF和UICC的数据连接线，数据传输率在212kbps～1.6Mbps之间，每次传输的数据包小于30字节。
  • NCI原理
    NCI（NFC Controller Interface）是NFC Forum于2012年制定的一个规范，其主要关注点为DH（Device Host，主机设备）如何控制并与NFCC（NFC Controller）交互
    • NFCC、NCI和DH三者之间的关系

      

      
      NFCC和DH通过物理连线相连，物理连线对应为Transport Layer（传输层），NFCC和DH在传输层这一块支持SPI、I2C、UART和USB等
      • NCI模块结构

        

        • ·NCI Core模块负责DH和NFCC之间交互的基本功能，包括控制消息（Control Message）和数据消息（Data Message）的传递、DH初始化、重置和配置NFCC等。
        • ·Transport Mapping用于在NFC Core和传输层之间转换数据格式，例如将NCI Core使用的控制消息和数据消息转换成对应传输层使用的数据格式。
        • ·NCI Module包含多个功能模块，例如RF Discovery模块用于搜索周围的其他NFC Device、RF Interface用于和对端的NFC Device交互。
        • 使用NCI的NFC Device中，DH和NCI的工作原理如图

          

          
          NCI的一个很重要的作用就是统一Android中NFC HAL层的实现，即通过一套标准的方法来实现对NFCC的控制以及数据交互。不过，由于NCI规范推出的时间比较晚（该协议最终版的时间为2012年11月6日），所以占据最大市场份额的NXP公司在其Android平台的NFC HAL层中还没有使用NCI。
          • ·DH通过NCI规范定义的Control Message来控制NFCC。目前规范定义的Control Message包括Commands（请求命令，包括初始化NFCC、重置NFCC、设置NFCC配置参数等）、Responses（回复）和Notifications（通知）。这些Message都封装在NCI Control Packages中。其中，Commands只能由DH发送给NFCC。
          • ·DH通过RF Interface和对端NFC设备（图中的Remote NFC Endpoint）交互，也可通过NFCEE Interface和本设备的NFCEE交互。交互数据包括Control Message和Data Message。
  • NFC相关规范

    

    • NFC的三种运行模式以及相关的数据类型定义、协议栈和工作方式
• Android平台中NFC实现
  • Android平台中Nfc模块结构

    

    
    如果使用NXP公司pn系列的NFC芯片，则Nfc模块结构如左图所示，即最终的APK文件名为Nfc.apk，它通过packages/apps/Nfc/nxp目录下dhimpl模块与libnfc_jni以及libnfc这两个动态库交互。libnfc的代码位于external/libnfc-nxp目录下，由NXP公司提供以用于操作NXP公司的NFC芯片。如果使用博通公司2079x系列的NFC芯片，则Nfc模块结构如右图所示，即最终的APK文件名为NfcNci.apk，它通过packages/apps/Nfc/nci目录下的dhimpl模块与libnfc_nci_jni以及libnfc_nci这两个动态库交互。libnfc_nci的代码位于external/libnfc-nci目录下，由博通公司提供以用于操作博通公司的NFC芯片。​
  • NFC客户端示例
    • 1.NFC R/W模式示例
      • （1）NFC Tag分发系统

        

        • Tag分发系统看起来很复杂，实际上其核心内容可概况成三个步骤。
        • 步骤1　如果目标NFC Tag包含了系统支持的NDEF消息，则NFC系统模块将直接把这个NDEF消息分发给感兴趣的Activity。如果有目标Activity，则直接分发给它，否则转步骤2。分支转换的判断标准是NFC Tag是否包含了系统支持的NDEF消息以及同时是否有目标Activity注册了ACTION_NDEF_DISCOVERED通知。
          • 1）ACTION_NDEF_DISCOVERED：由上文可知，NFC系统模块首先尝试将NFC Tag中的数据映射成系统直接支持的数据格式。表8-11列举了Android系统直接支持的NFC Forum数据格式。

            

        • 步骤2　如果目标NFC Tag包含了系统不支持的NDEF消息或者步骤1中没有目标Activity，则NFC系统模块将尝试分发一个ACTION_TECH_DISCOVERED通知。NFC系统模块在分发此通知时，将首先分析目标NFC Tag所支持的Tag Technology（它代表目标NFC Tag所使用的技术，详情见下文分析），然后寻找注册了支持这些Tag Technology的目标Activity并将Intent分发给它。如果没有合适的目标Activity，则转入步骤3。
          • 2）ACTION_TECH_DISCOVERED：如果系统不能映射NFC Tag中的数据，我们该如何处理呢？答案是：应用程序自己去读取并解析Tag中的数据

            

          • Android提供了一个名为"android.nfc.tech"的Java包来帮助应用程序操作对应的NFC Tag

            

            • 注意，一个Tag可能同时支持表8-12中多种Technology。例如下图所示为笔者测试北京市公交卡时所得到的Tag Technology信息。

              

        • 步骤3　NFC系统模块将分发ACTION_TAG_DISCOVERED通知给注册了对该通知感兴趣的目标Activity。
          • 3）ACTION_TAG_DISCOVERED：如果目标NFC Tag不属于表8-12中的一种，则NFC系统模块将发送ACTION_TAG_DISCOVERED Intent并携带一个Tag对象传递给感兴趣的Activity。Activity将根据Tag的ID（调用Tag的getId函数）或该Tag使用的技术（调用Tag的getTechList）来创建合适的处理对象。
    • 2.NFC P2P模式示例
      Android平台中的NFC P2P模式使用了前文介绍的SNEP协议。在SNEP协议基础上，Android设计了"Android Beam"技术架构，该架构使得NFC客户端程序能非常容易得在两个NFC设备间传递NDEF消息。
    • 3.NFC CE模式示例

      

      
      使用NFC CE的应用必须通过标签申明"android.permission.NFC"权限。同时还需通过申明使用动态库"com.android.nfc_extras"。这样，当应用程序运行时，系统会为它加载com.android.nfc_extras.jar包。该包对应的文件位于/system/framework目录下
  • NFC系统模块
    Android平台中，NFC系统模块运行在com.android.nfc进程中，该进程对应的应用程序文件名为Nfc.apk·NFC系统模块的核心NfcService和一些重要成员的作用及之间的关系。·R/W模式下NFC Tag的处理。·Android Beam的实现。·CE模式相关的处理。​
    • 1.NfcService介绍

      

      

      
      Nfc.apk源码中包含一个NfcApplication类。当该应用启动时，NfcApplication的onCreate函数将被调用。正是在这个onCreate函数中，NFC系统模块的核心成员NfcService得以创建
      • NFC系统模块核心成员
        • （1）NfcService核心成员

          

        • NativeNfcManager和NfcService类家族

          

          
          Android NFC系统模块通过接口类DeviceHost和其内部的接口类LlcpServerSocket、DeviceHostListener、LlcpSocket、LlcpConnectionlessSocket、NfcDepEndpoint、TagEndpoint将NFC系统模块中和NFC芯片无关的处理逻辑，以及和芯片相关的处理逻辑进行了有效解耦。图8-36中以"Native"开头的类均定义在packages/app/Nfc/nxp目录下，所以它们和NXP公司的NFC芯片相关。DeviceHost接口中，DeviceHost类用于和底层NFC芯片交互，TagEndpoint用于和NFC Tag交互，NfcDepEndpoint用于和P2P对端设备交互，LlcpSocket和LlcpServerSocket分别用于LLCP中有链接数据传输服务的客户端和服务器端，LlcpConnectionlessSocket用于LLCP中无连接数据传输服务。另外，DeviceHostListener也非常重要，它用于NativeNfcManager往NfcService传递NFC相关的通知事件。例如其中的onRemoteEndpointDiscovered代表搜索到一个NFC Tag、onLlcpActivited代表本机和对端NFC设备进入Link Activation（链路激活）阶段。NativeNfcManager实现了DeviceHost接口，以NXP公司的NativeNfcManager为例，它将通过libnfc_jni及libnfc和NXP公司的NFC芯片交互。NativeNfcSecureElement用来和Secure Element交互。
        • P2pLinkManager家族关系

          

          
          P2pLinkManager家族关系非常复杂，图中的各成员说明如下。·P2pLinkManager包含三个和传输相关的Server，分别是SnepServer、NdefPushServer以及HandoverServer。每一个Server都定义了相关的回调接口类（如SnepServer.callback），这些回调接口类的实现均由P2pLinkManager的内部类来实现。·HandoverServer负责处理NFC Connection Handover协议，而具体的数据传输则由HandoverManager来实现。由图中HandoverMangar的mBluetoothAdapter可知，Android默认使用蓝牙来传输数据（提示：这部分内容请读者学完本章后自行研究）。·P2pEventManager用于处理NFC P2P中和用户交互相关的逻辑。例如当搜索到一个P2P设备时，手机将会震动并发出提示音。SendUi实现了类似图8-29左图的界面及用户触摸事件处理。在Android平台中，当两个设备LLCP链路被激活时，SendUi将显示出来。其界面组成部分包括两个部分，一个是SendUi界面显示之前手机的截屏图像，另外一个是“触摸即可发送”的文本提示信息。当用户触摸SendUi界面时，数据将被发送出去。
    • 2.NFC Tag处理流程分析
      • （1）notifyNdefMessageListeners流程
        当NFC设备检测到一个NFC Tag时，NativeNfcManager的notifyNdefMessageListeners函数将被调用（由libnfc_jni在JNI层调用）
      • （2）dispatchTagEndpoint流程
      • （3）NFC Tag处理流程总结

        

    • 3.Android Beam工作流程分析
      • （1）notifyLlcpLinkActivation流程

        

      • （2）Beam数据发送流程

        

      • （3）Beam数据接收流程

        

      • 4.CE模式
        ·通过NfcAdapterExtras为CE模式的客户端提供INfcAdapterExtras功能实现·当NFC设备进入CE模式后，和它交互的另一端是诸如NFC Reader这样的设备。此时对端发起一些操作，而NativeNfcManagement的一些回调函数将被触发。​
      • 5.Android中的NFC总结
• NFC HAL层讨论
  Android在Hardward目录下为NFC定义了一个nfc.h头文件用于支持NFC HAL操作，但读者如果看过libnfc或libnfc-nci代码会发现，libnfc和libnfc-nci没有太多使用nfc.h定义的接口，而是大量引用各自公司定义的一套API。这种做法无可厚非，但它使得其他更上层的模块很难做到与底层平台或硬件解耦合。相信图8-26已经让读者直观感受到到这种做法恶果了
  • 当前知名的几个NFC HAL层实现

    

  • 未来Linux系统中，NFC整个软件架构将变成如图

    

    
    用户空间运行一个名为neard的NFC Daemon进程，它通过AF_NFC socket以及Generic Netlink机制和内核空间的NFC子系统通信。neard通过不同的插件来支持NFC的协议，例如Handover、NPP、SNEP等。内核空间中，NFC子系统包括Control Command Handler、LLCP Handler、Raw Data Handler以及Core等核心模块。