近場通訊之萬用服務框架
張玉山(Yue-Shan Chang) 陳宏志(Honh-Jhih Chen)
台北大學通訊工程學系 中央大學通訊工程學系
台北縣三峽鎮大學路 151 號 桃園縣中壢市五權里 2 鄰中大路 300 號 [email protected] [email protected]
摘要
近場通訊技術(Near Field Communication, NFC)，一種以 RFID 為基礎的短距離無線通訊 技術，使用者在操作時只要將擁有 NFC 功能的 裝置互相靠近感應，再視情況加上使用者確 認，即可完成服務。其能涵蓋的應用範圍相當 廣泛，舉凡小額付費、P2P 傳送、驗證服務等皆 可為其應用。但相對的當 NFC 裝置收到 NFC 應 用服務訊息時該如何處理，將成為一個問題。 故規範一個良好的 NFC 應用服務互動流程、建 置一個泛用的應用服務平台，便成為 NFC 目前 的重要議題之一。於是本論文中，我們首先訂 定共通的 NFC 應用服務訊息格式，接下來規範 應用服務訊息的溝通流程，最後依據此溝通流 程與訊息格式建立行動裝置軟體框架。 關鍵字：近場通訊(NFC)、射頻識別(RFID)、非 接觸智慧卡(Contactless Smart Card)、行動商 務、驗證識別系統、點對點傳輸
一 、簡介
近場通訊(Near Field Communication, NFC) 技術是一種短距離無線通訊技術，通訊距離約 10~20 公分，常見之傳輸速率為 106、212 及 424kbps 。 NFC 技 術 以 射 頻 識 別 技 術 (Radio Frequency Identification, RFID)技術為基礎，結合 現存的互連技術演變而來，並且相容於非接觸 智慧卡技術(Contactless Smart Card)。自國際標 準訂定以來，已被世界多個國家接受，並進行 試驗推廣或實際應用。 NFC 行動裝置的操作非常簡單，如同 RFID 一樣，啟動 NFC 功能後，將 NFC 裝置互相靠近 接觸，即可建立連線且自動完成應用服務。行 動裝置結合 NFC 技術能讓應用服務的操作與互 動更加的便捷，更能加速應用服務的推廣以及 提高其接受度。目前已有相當多 NFC 應用服 務，如非接觸式付費、門禁系統、智慧型看板 等，皆為其現今或未來之可行應用。 然而NFC技術在標準訂定的時候，對於應用 服務的部分卻未有完善的規範。如七[2]中，NFC 目前尚無一個整合的互動模式框架。在七[3]、[4] 中，分別提出人Virtual Tag及Profiles的概念，希 望能定義自己的NFC應用服務訊息包裝。至此我 們可知目前NFC在應用服務的互動與訊息包裝 方面仍未完善。如此，NFC的用戶們便很可能因 沒有一個共通的訊息格式，而無法使用應用服 務。 於是在本論文中，將會評估近場通訊之應 用服務，訂定一個通用的 NFC 應用訊息格式， 並且規範 NFC 應用服務溝通、解析之流程，最 後建立整合的 NFC 應用服務軟體框架。如此方 能讓 NFC 之應用服務在操作時符合當初設計之 理想。 接下來，會依序從 NFC 的技術背景開始介 紹，而後帶到本論文的主體，規範通用的訊息 格式與訊息解析流程，將 UNFCS 框架建構出 來，最後實際的部署在軟、硬體的環境之上。 文末，會帶上結論以及未來研究方向的探討。
二 、技術背景
2.1 Radio Frequency IdentificationRFID 技術的基本運作原理是將欲傳送的訊 號載在電磁波上，而接收端在接收訊號的時候 可以識別訊號源及讀取訊號中資訊。目前訂定 射頻識別技術標準的組織主要有兩個，ISO 及 Auto-ID Centre(由 EPC Global 管理)。
一般的 RFID 系統中，通常包含以下三個部 份，射頻識別標籤 (RFID Tag)、射頻識別讀寫 器 (RFID reader) 以 及 訊 息 服 務 系 統 (Data processing subsystem)。而工作頻率大致上可以 分成三個區域，低頻(125 ~ 134.2 kHz 或 140 ~ 148.5 kHz)、高頻(13.56 MHz)及超高頻(868 ~ 928 MHz)。 由於其非接觸式、唯一識別及被動標籤無 須內建電源等特性，使得射頻識別技術其可應 用的領域十分廣泛，舉凡物流管理、電子收費 系統、通行證等，皆為其常見的應用服務。 2.2 Near Field Communication
近場通訊(Near Field Communication, NFC) 是一種新的無線連接技術，由Philips、Sony及 Nokia所共同開發的X，並於 2004 年成立近場通 訊論壇(NFC Forum)，負責制定近場通訊的協定 及技術推廣等事務X。目前NFC主要的技術標 準，如NFCIP-1(ECMA 340、ISO/IEC 18092)、 NFCIP-2(ECMA 352 、 ISO/IEC 21481) 、 NFC-WI(ECMA 373、ISO/IEC 28361)等，皆已 通過國際標準組織ISO/IEC及ECMA的認證[1]。 最主要的標準為 ISO 18092 (NFCIP-1)，其 中制定 NFC 技術的介面與協定等相關細節。 NFC 裝置工作的載波射頻頻率域 (RF field)為 13.56 MHz。訊息傳送的位元編碼使用曼徹斯特 碼。通訊模式分為被動模式(Passive Mode)與主 動模式(Active Mode)兩種。傳送的位元速率(bit rate) 由通訊模式來劃分，在被動模式下可為 106~424 Kbps，在主動模式下可為 106~6780 Kbps。雖然位元速率最高可達 6780 Kbps，但目 前市面上主要仍為 106、212、424Kbps 這三種。 NFC裝置分成發起者與目標設備，而主、被 動模式主要的差別也在於，目標設備在主動模 式下會以自身的電力產生RF場並依照發起者選 定的速率回應(如圖 1)，而在被動模式下則是由 感應發起者的RF場產生能量後，回應發起者的 命令(如圖 2)。 圖 1、NFC 通訊－主動模式 圖 2、NFC 通訊－被動模式 2.3 NFC Data Exchange Format
，需要將 當資料訊息要使用NFC技術傳送時
資料訊息轉為NDEF Message的形式傳送(如圖 3)，關於這部份的規範NFC Forum制定了NFC Data Exchange Format (NDEF 1.0)。其中NDEF Record即為NFC技術的資料封包。關於NDEF Record之欄位、格式、長度等的相關定義。
圖 3、由數個 Records 組成的 NDEF Message
Record 即為 NFC 通訊的資料封包，其封包的格
NDEF Message 是由許多 Records 所組成，
稱所言，在於資料封包的長度大小。Record 的 結構大致上可以分成三個部份：
Record 的 狀 態 ： Record 的 第 一 個
Byte。紀錄 Record 在 NDEF Message
著 Record 格式的
通用訊息與溝通流程
NFC 把 麼 N 所需要傳送 置中，可以安裝不只一種 lue)：訊息中會帶 Content)：應用服務 s)：視不同應用服務所提供 的位置(MB、ME)、型態(TNF)、長或 短格式(SR)等資訊 Record 的長度：記錄此 Record 中所夾 帶的負載的長度。隨 長、短有所不同。短格式有一個 Byte， 亦及負載大小最多為 28 等於 256 個 Bytes。而長格式則有四個 Bytes，負載 長度可以高達 232 Bytes Record 的負載：擺放欲傳送的資料或 指令三 、訂定
在理想上，一般 應用的操作情境，使 用者在操作的時候只需要將 NFC 功能打開，然 後 NFC 裝置靠近在一起，便會自動完成應用 服務，此動作亦有一個名稱“接觸(Touch)”。某 些較複雜的應用服務，則需要使用者確認。 若要使得 NFC 應用服務在 NFC 裝置上，能 夠如理想中自動化、人性化的應用情境，那 在 FC 應用服務方面就需要有一個通用的應用 服務訊息格式以及其溝通的協定。 經過綜觀NFC的應用服務後，可以觀察出大 致上分成五種類型(如圖 5)，而其中 的必要資料有： 應用程式名稱(Application Name)：在 近場通訊裝 的應用程式，來提供不同的應用服 務。故訊息中必須指明該訊息應由何 應用程式來處理，抑或此訊息為何應 用程式所有。例如，電子票卷中，要 有發行公司之名稱 執行動作(Action Va 有欲執行之動作的指令，如儲存、開 啟、檢視、傳送、刪除、修改、查詢 等動作。通常都是以傳值的方式代表 要執行的動作，然後在應用程式中會 有值與動作指令的對照表。例如，小 額付費服務的訊息中可藉由“2”的值， 代表“扣款”的動作 資料內容本體(Data 程式所需要或欲傳送的資料。例如， 電子票卷的驗證碼、點對點傳輸的照 片檔案等 其他(Other 的功能，其訊息亦需要夾帶相對應的 資料。例如，用來描述優惠卷的文字 說明、電影票的有效時間、欲傳送檔 案的大小等 圖 4、近場通訊應用服務通用訊息格式 圖 5、近場通訊應用服務 - 運作模式分類圖 於是，我們可以整理出一個近場通訊應用 服務的通用格式(如圖 4)，其內容欄位依序為： Service Type：此欄位中是紀錄應用服 務訊息屬於五種運作模式中的哪一種 模式(如表 1) 表 1、應用服務模式與欄位中代號對照表 Application Name：此欄位中存放的資 訊，代表該訊息由哪家公司所發行， 又或該訊息將交由哪家公司所開發的 程式所執行
Decision Code：依照 Application 的不
同，其代表的意義也會跟著不同。可 為以發行之 Record 之序號，亦可為判 斷該以何種動作執行運算 Content 之 Action Code，其代表的意義完全取決 於 Application 在設計時的定義 Content：應用服務進行訊息交換時， 存放訊息資料的地方。比方說，門禁 驗證的金鑰、電子票卷的驗證碼、小 額消費的金額、裝置連接設定時的設 定參數等 Description：應用服務對於這個訊息 Record 的描述，其描述內容是要展示 給用戶端觀看的。比方說，描述門禁 驗 證 的 金 鑰 是 屬 於 哪 一 道 門 禁 系 統 的、描述電子電影票卷所屬電影的內 容簡介、描述小額付費的消費資訊等 定義了 NFC 應用服務的通用訊息格式，當 應用服務有共通的訊息溝通格式之後，NFC 裝 置在接收到訊息時便能夠明確的理解且作出正 確的反應。 NFC應用服務的操作上有基本兩種狀態，傳 送訊息與接收訊息。關於傳送訊息方面十分簡 單，只要將欲傳送的資訊依照通用訊息格式編 排，再編寫成NDEF Message的格式送出。而重 點即在於接收訊息方面，當NFC裝置收到訊息
時，將如何去解讀，且作出反應。接收訊息及 解析的流程如圖 6。 圖 6、訊息解析流程圖 首先檢查其 Application name，查詢該訊息 是否以有相對應的應用程式註冊且負責處理。 若有的話，便呼叫其應用程式，而後將該訊息 交由應用程式作後續的判斷處理。若無相對應 的應用程式註冊，則比對 Service Type，判斷其 是否為五種基本運作模式其一。如果是的話， 接下來依照其訊息內容，以及所屬的基本運作 自動處理，執行 NFC 應用服務。若其運作模式 非基本模式中的任何一種，那麼便需要通知使 用者，並將接收到的訊息顯示出來，再交由使 用者作後續的判斷。
四 、UNFCS Framework 之建構
本章我們開始著手建立遵循且能夠解析、 處理NFC應用服務的通用訊息格式之應用服務 框架，NFC通用應用服務框架如圖 7。主要分成 三個階層： 應用層(Application Layer)：所有應用服 務程式皆放在這一個 Layer 中。該層 中的應用服務設計，皆以此應用框架 為基底，然後再針對不同的應用服務 需求來撰寫其所需要的功能、控制指 令及訊息內容 UNFCS 核心層(Universal Near Field
Communication Service Core Layer)：此 Layer 主要的目的在於管理、解析及儲 存近場通訊相關的資料及 Records NFC 介面層(NFC Interface Layer)：該 層屬於近場通訊實體層的部份，為近 場通訊裝置的最前端，實際與其他裝 置連結(非接觸式的)的部份 UNFCS Co re L aye r In ter fac e La yer A p pli ca tio n L aye r Nea r Fie ld C o m m un ica ti on E n a b le d Devi ce 圖 7、NFC 通用應用服務框架示意圖 UNFCS 核心層則是 NFC 技術實體層的部 份。UNFCS 核心層即為本章的主軸，其中包含 八 個 部 件 ， 分 別 是 Dispatcher 、 Application
Register 、 Record Manager 、 Record Parser 、 Network Connecter、NFC Controller、AppName Repository 及 NFC Repository。分別提供近場通 訊應用程式所需要的各種能力，亦可以獨自執 行簡單的近場通訊服務應用。 Application Register AppName Repository Register Component Dispatcher Application Layer Match Filter Dispatcher (DP)：DP負責通用訊息之解 析與判斷且為NFC工作平台與應用服 務程式之橋樑(圖 8)。Dispatcher中分 成三個部份，Dispatching Component (DCom)、Application Interface (AppIf) 與Basic Rule。當Dispatcher收到指令與 訊息時，會由DCom做動作的判斷處 理，若為基本應用服務的話，則會讀 取Basic Rule中相對應的規則協助執行 應用服務。AppIf則提供一個應用服務 框架與應用服務程式溝通的介面。 圖 9、Application Register 示意圖 Record Manager (RM)：RM擁有操作 圖 8、Dispatcher 示意圖
Application Register (AR)：AR主要協
助串接應用服務框架與NFC應用服務 程式，建構在此框架上之應用程式可 向AR註冊。當DP收到屬於已註冊應用 程式的訊息時，即會呼叫相對應的程 式並將訊息轉交給程式執行(圖 9)。 Register Component(RCom)提供DP查 詢註冊資訊、Application Programs進行 註冊等功能。Match Filter中存有註冊資 訊比對之規則。 NFCR中資料之能力。依照DP之請求， 可以將訊息存入NFCR中，亦可執行讀 取、修改、刪除、比對驗證NFCR中資 料等動作(圖 10)。主要由RMCom提供 上述之能力，Match Filter輔助資料的讀 取與比對驗證。 圖 10、Record Manager 示意圖 Record Parser (RP)：RP 為通用訊息格 式與 NDEF Message 的中繼點，負責將 訊 息 制 作 成 NFC 的 Record ， 再 將 Record 串成 NDEF Message 交由 NFC Controller 傳送出去；反之，收到 NDEF Message 時，便將訊息從封包中讀出 來，交給 DP 解析處理()。由 Record Packaging Rule 提供 NFC 定義的基本 Record 封包格式，如 Text、URI、Smart Poster 等。
圖 11、Record Parser 示意圖 NFC Repository (NFCR)及 AppName Repository(ANR)：此二部件為儲存單 元。NFC Repository 用於存放 NFC 應 用服務通用訊息，其中的資料僅開放 給 RM 使用，如要對其中的資料執行 儲存、讀取、刪除等動作，皆需透過 RM。AppName Repository 用於存放 NFC 應用服務程式之註冊資訊，應用 程式申請註冊時，AR 會將其註冊資訊 存在其中，而 DP 收到訊息時，則會透 過 AR 查詢應用程式是否已註冊。 接著簡單以「門禁驗證-設定鑰匙」與「門 禁驗證-驗證鑰匙」展示兩張流程圖做為範例。 圖 12是「門禁驗證-設定鑰匙」的工作流程， 門禁系統(ID Badge System)建立鑰匙，並將鑰匙 傳送給用戶儲存。工作初始時，鑰匙建立的部 分由門禁系統之後端程式完成，接著門禁系統 為初始者開啟NFC通訊並等待NFC裝置靠近接 觸。NFC裝置端部分，則由用戶操作開啟NFC 功能，靠近接觸門禁系統。圖 13為「門禁驗證 -驗證鑰匙」之工作流程圖，當NFC行動裝置中 存有鑰匙的時候，只要開啟NFC功能，靠近接觸 門禁系統即會自動感應回傳鑰匙，由門禁系統 驗證執行後續驗證鑰匙的動作。 圖 12、「門禁驗證-設定鑰匙」之工作流程
Authentication Authentication of key NFC Device Service Application Dispatcher Record Manager NFC Controler NFC Interface & Hardware
ID Badge System Record Parser Instruction of setting : Recv Mode
Call method to set operation mode
Set Mode : Receive Tag of Authentication Query
Tag Content : (AU, AppName, DcCode, FFFFFFFFFFFFFFFF, Description) Receiving Tag
Event : Tag Received Parsing tag and pass the
NFC Service Message
AU query need to be compared (AU, AppName, DcCode)
Matching record
Initial in IDLE state
Back to IDLE state after receiving
Back to IDLE state after receiving Inform : Received AU Query NFC Enabled Device Communication in RF Field
NFC Devices should close to ID Badge System to start communication Search and Retrieve
the matching record in Repository Inform :
Compare success
NFC Service Message needs to be packaged
Tag Set Mode :
Deliver(Tag)
Tag of Authentication Reponse Tag Content : (AU, AppName,
DcCode, key data, Description) Authenticate the key by ID Badge
System Start to Transmit Query
Recv Mode : Wait for Response
圖 13、「門禁驗證-驗證鑰匙」之工作流程圖
五 、UNFCS 框架與應用服務之實作
關於NFC行動裝置部份，我們使用筆記型 電腦加上具有NFC通訊能力之Reader，然後在 筆 記 型 電 腦 上 運 行 Sun Java (TM) Wireless Toolkit 2.5.2 for CLDC模擬手機環境，藉此取 代NFC手機(圖 14)。NFC Reader採用維識科技 (WAVE-TEK) WR100 RFID/NFC HF Reader。圖 14、筆電與 NFC Reader 示意圖 關於 UNFCS 框架之實作，我們選用 J2ME 將其編寫成 J2ME MIDlet，並直接部署上樹枝 環境中。UNFCS 框架 MIDlet 分成三個部份： 用 戶 使 用 之 UNFCS Framework MIDlet 介面撰寫，使用者實際感受 到與操作的介面，架構在 UNFCS 框 架之各部件類別上
UNFCS Framework 內部各部件之類 別撰寫 WAVE-TEK WR100 SDK 之串聯與 修改，使用 Borland C++ Builder 6.0 撰寫，提供 NFC 通訊技術相關的實 體功能，其間與 J2ME MIDlet 透過 Socket Connection 連接傳送指令，操 控 NFC Reader 之狀態
實作完成的UNFCS Framework MIDlet之 運行圖。其主要有兩個部份，分別是Look up Files頁面與NFC Mode ON/OFF頁面，用戶透 過操作這兩頁面所提供的選項，即可以進行 NFC應用服務(圖 15)。Look up Files頁面即為 UNFCS訊息資料庫之操作頁面。當頁面開啟 的時候，會讀取NFCR中的資料並將目前建立 的 NFC 運 作 模 式 顯 示 出 來 。 NFC Mode ON/OFF頁面即為開啟NFC功能之操作頁面， NFC應用服務之運作即從此開始。
圖 15、UNFCS Framework MIDlet 運行圖 應 用 服 務 伺 服 端 的 部 份 ， 我 們 使 用 Borland C++ Builder 6.0 撰寫 NFC 應用服務後 端之訊息處理系統，並將其架設在 Intel Core 2 Due 桌上型電腦上。在此我們撰寫了一個綜 合的 NFC 應用服務伺服端程式，包含有三種 智慧型海報-優惠卷下載與商家小額消費系 統。 圖 16、「門禁驗證-設定鑰匙」之手機介面流 程 圖 17、「門禁驗證-設定鑰匙」之工作流程
六 、效能分析
以下根據第五章中所舉的例子，我們測量 「驗證模式-設定鑰匙」與「驗證模式-鑰匙驗 證」兩個部份在 UNFCS 框架中的工作時間。 其後顯示之數據皆為實測 5 次之後，再取其平 均值而得的。 圖 18為「驗證模式-設定鑰匙」之UNFCS 框架運作時間。其中傳送的資料有請求檔案傳 送 之 訊 息 (43 Bytes) 與 鑰 匙 資 料 本 體 (57 Bytes)。由圖中可以觀察出，在於Record封包 之拆解與包裝上，需要較長的時間，這是由於 當收到NFC封包之後，還需要將訊息從封包中 抽取出來，再轉換成通用訊息格式。接著，當 訊息以通用訊息的形式在UNFCS框架下運行 時，即可進行快速的判斷與處理。Authentication - Key Setting 370.4 4.6 12.6 762.6 0 200 400 600 800 1000
Receiving & Parsing DP RM total
Tim
e (u
s
ec
)
Authentication - Key Authenticating (ten keys in database) 378.2 0 12.4 390.6 0 100 200 300 400 500
Receiving&Parsing DP RM comparing total
T ime (u s ec) 圖 18、「驗證模式-設定鑰匙」之 UNFCS 框架 運作時間 圖 21、鑰匙驗證 (資料庫中：十隻鑰匙) 圖 19~圖 21為鑰匙驗證在UNFCS框架 下之工作時間數據，其資料庫中分別儲存著 1 隻、5 隻與 10 隻的驗證鑰匙。從數據中可以 看出當資料庫中的鑰匙從 1 隻增加到 5~10 隻 的時候，Record Manager在比對的時候，時間 明顯跟著增加。而Dispatcher的部份，在此僅 需要做單次的訊息要求的判斷，其工作時間小 於 10-6秒。
Authentication - Key Authenticating
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Receiving&Parsing DP RM comparing total
Tim e ( u s ec ) 1 5 10 圖 22、鑰匙驗證時間比較圖
七 結論與未來研究方向
Authentication - Key Authenticating (one key in database) 237.4 0 6.4 243.8 0 50 100 150 200 250 300
Receiving&Parsing DP RM comparing total
T ime (u s ec) 本論文在緒論中，由現今 NFC 之應用服 務以及論文文獻等方面進行探討，發現現今的 NFC 應用服務，尚無一個良好的訊息溝通協 定與整合的應用服務互動框架。於是在本論文 中，先從整合 NFC 應用服務訊息開始，訂定 一個泛用於各種 NFC 應用服務的訊息格式， 接著規範其溝通與解析的流程，最後再建立整 合的應用服務互動框架。 圖 19、鑰匙驗證 (資料庫中：一隻鑰匙)
Authentication - Key Authenticating (five keys in database) 391 0 15.2 406.2 0 100 200 300 400 500
Receiving&Parsing DP RM comparing total
T ime (u s ec) 經過本論文的研究之後，我們成功的規範 出一個良好的 NFC 應用服務溝通協定，且建 立一個名為 UNFCS 近場通訊應用服務整合框 架確保訊息的溝通能夠流暢。此外，我們尚藉 由撰寫幾個 NFC 應用服務程式，模擬本論文 之框架在 NFC 應用服務中之使用情境。透過 與 NFC 應用服務的互動可以明顯看出，應用 UNFCS 框架建構出之 NFC 應用服務，能讓使 用者在操作時，感到更加的自動化以及人性 化。 圖 20、鑰匙驗證 (資料庫中：五隻鑰匙) 在未來延伸研究的部份，我們希望能近一 步將本架構實作到 Nokia 6131i 等 NFC 手機 上，如此便能夠直接跨足實際生活之應用。除
此之外，也希望將檔案傳輸、消費以及驗證部 分的安全性考量納入討論
參考文獻
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