基于藍(lán)牙通信技術(shù)和密鑰芯片的手機(jī)電子錢包支付系統(tǒng)

1.1 項(xiàng)目背景

藍(lán)牙(BlueTooth)是一種支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)。能在移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)能夠有效地簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效。

電子錢包是電子商務(wù)購物活動中常用的一種支付工具，主要適用于小額購物。在電子錢包中存放的電子貨幣，如電子現(xiàn)金，電子零錢等等。常見的電子錢包有如電話IC卡、交通乘車卡等等。

由于藍(lán)牙設(shè)備在手機(jī)中有極高的普及度，使用藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)電子錢包對硬件的更新需求小，開發(fā)復(fù)雜度相對沒那么高，能夠很快的直接投入應(yīng)用。在通信過程中的安全主要依賴于加密算法。

實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)之后，手機(jī)不僅僅能夠用做支付手段，而且能夠用作門禁功能。另一方便，如果在家電之后嵌入藍(lán)牙設(shè)備，那么就能夠容易的實(shí)現(xiàn)一臺手機(jī)與所有家電及外設(shè)通信，控制所有的家電。這樣，一臺手機(jī)實(shí)現(xiàn)購物、公交、門禁……幾乎擁有無限的可能性。

1.2設(shè)計(jì)摘要

本項(xiàng)目的目標(biāo)旨在實(shí)現(xiàn)一個(gè)使用手機(jī)作為支付終端的電子錢包支付系統(tǒng)。將FPGA構(gòu)建為一個(gè)密鑰芯片，利用手機(jī)中的藍(lán)牙設(shè)備作為通信手段，實(shí)現(xiàn)整一套的電子錢包系統(tǒng)。密鑰芯片通過藍(lán)牙接收手機(jī)傳送過來的錢包數(shù)據(jù)，解密認(rèn)證，之后實(shí)施消費(fèi)支付，然后改變錢包參數(shù)，通過藍(lán)牙重寫入手機(jī)之中。整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵在于三個(gè)地方：藍(lán)牙通信的具體實(shí)現(xiàn)、交易協(xié)議的設(shè)計(jì)以及密鑰算法的安全性。

1.3 申請捐贈實(shí)驗(yàn)板

Nexys3 FPGA開發(fā)板

二 方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理與需求分析

密鑰芯片系統(tǒng)需要提供兩大功能，一個(gè)是認(rèn)證，另外一個(gè)則是加密、解密數(shù)據(jù)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要，在FPGA外圍需要接入一個(gè)藍(lán)牙的通信設(shè)備，以便與手機(jī)藍(lán)牙設(shè)備通信、交換數(shù)據(jù)。

由于支付系統(tǒng)的商業(yè)性質(zhì)，該系統(tǒng)最重要的特性就是安全性。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全特性，在設(shè)計(jì)交易協(xié)議和加密算法的時(shí)候就需要有更多的考慮。以抵御非法用戶的各種攻擊，保護(hù)系統(tǒng)。

此外，系統(tǒng)需要考慮一個(gè)效率的問題。用戶愿意花費(fèi)在支付或者認(rèn)證的時(shí)間是非常短的，這種非接觸式的支付必須在1秒之內(nèi)完成。考慮到藍(lán)牙的傳輸速率很高，通訊協(xié)議以及密鑰算法的耗時(shí)則是主要的瓶頸因素。

2.2 硬件資源配置與架構(gòu)

需要的硬件資源有：

具備藍(lán)牙功能的手機(jī)、Nexys3 FPGA開發(fā)板、相應(yīng)的藍(lán)牙外設(shè)

2.3 軟件架構(gòu)

軟件層次的設(shè)計(jì)，首先涉及到密鑰芯片與手機(jī)端的交換數(shù)據(jù)的過程，然后是外設(shè)(PC)控制芯片并與芯片交換數(shù)據(jù)的過程。在外設(shè)控制芯片的設(shè)計(jì)時(shí)，主要與具體的應(yīng)用有關(guān)。如果是實(shí)現(xiàn)門禁功能，可能外設(shè)只需要實(shí)現(xiàn)開門或者拒絕認(rèn)證的功能則可，如果是實(shí)現(xiàn)支付功能，則需要從外設(shè)中獲取具體的扣費(fèi)信息，并返還認(rèn)證、扣費(fèi)成功與否的信息給外設(shè)。同時(shí)，外設(shè)需要設(shè)定其扣費(fèi)額度等信息，配置密鑰芯片的運(yùn)行。

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是電子錢包，以之為例，外設(shè)需要啟動密鑰芯片的扣費(fèi)功能，令其開始接受外部的扣費(fèi)請求;外設(shè)需要設(shè)定密鑰芯片的扣費(fèi)額度;當(dāng)扣費(fèi)成功(或者失敗)的時(shí)候，芯片需要返回該信息給外設(shè)，而外設(shè)則可以做相應(yīng)的處理。

在密鑰芯片與手機(jī)端藍(lán)牙設(shè)備交換數(shù)據(jù)的時(shí)候，需要遵循一定的交易協(xié)議。由于該協(xié)議的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)的核心部分，決定了整個(gè)系統(tǒng)的安全性，因此需要慎重考慮。在本申請書中先提出一個(gè)草案，此草案將在具體項(xiàng)目實(shí)施的過程中逐步完善，已達(dá)到所需的安全性。首先在密鑰芯片被設(shè)定為可接受請求狀態(tài)，接著手機(jī)端主動發(fā)出認(rèn)證請求，之后密鑰芯片返還一段隨機(jī)明文要求其簽名。手機(jī)端簽名后發(fā)送給密鑰芯片獲得認(rèn)證。接著手機(jī)端獲得密鑰芯片返還的認(rèn)證成功的信息之后將加密過的電子錢包數(shù)據(jù)發(fā)送給密鑰芯片。芯片完成解密、扣費(fèi)和加密之后將數(shù)據(jù)返回給手機(jī)端。手機(jī)端存儲芯片返回的數(shù)據(jù)，并通知芯片存儲成功。整個(gè)扣費(fèi)過程就此結(jié)束，接著芯片返回初始狀態(tài)，等待下一次認(rèn)證請求。

下圖將給出整個(gè)業(yè)務(wù)的粗略流程圖。為了保證整個(gè)流程的安全性，在實(shí)際開發(fā)中需要使用到時(shí)間戳、唯一可識別序列號、簽名私鑰等等信息，而圖中為了描述方便，省略這些信息。而在實(shí)際的開發(fā)中，這些要素是必不可少的。