BLE藍(lán)牙通信卡藍(lán)牙功能的技術(shù)研究與測試

摘要：為提升數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識別等行業(yè)應(yīng)用在終端上的適配性，在手機(jī)通信卡上集成BLE（Bluetooth Low Energy）藍(lán)牙模塊，讓手機(jī)通信卡具備藍(lán)牙通信接口，終端可以通過藍(lán)牙通信接口或ISO/IEC 7816機(jī)卡通道接口訪問手機(jī)通信卡，進(jìn)而可加速推進(jìn)數(shù)字貨幣、數(shù)字身份等行業(yè)應(yīng)用在5G網(wǎng)絡(luò)下的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：ISO/IEC7816機(jī)卡通道；通信卡；BLE藍(lán)牙；藍(lán)牙通道

當(dāng)今日常生活工作中，人們出行手機(jī)不離手，結(jié)合2021 年5G 大規(guī)模商用，數(shù)字貨幣、數(shù)字身份應(yīng)用等行業(yè)應(yīng)用發(fā)展如火如荼^[2]，以及小區(qū)門禁、公司門禁、搭乘公交地鐵、醫(yī)院健康卡等各種應(yīng)用場景，設(shè)想在手機(jī)通信卡上加載上述應(yīng)用場景，但是部分Android（基于Linux 的智能操作系統(tǒng)）終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC7816 機(jī)卡通道訪問手機(jī)通信卡^[3]，為了解決部分Android 終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC7816 機(jī)卡通道訪問手機(jī)通信卡的問題，在手機(jī)通信卡上集成BLE（bluetooth low energy，低功耗藍(lán)牙技術(shù)）藍(lán)牙模塊，從而手機(jī)通信卡具備BLE 藍(lán)牙通信接口，手機(jī)終端可以通過藍(lán)牙通信接口或ISO/IEC 7816 機(jī)卡通道接口訪問手機(jī)通信卡。

BLE 低功耗藍(lán)牙技術(shù)，具有低成本、短距離等技術(shù)特點(diǎn)，工作頻段為2.4GHz ISM 射頻頻段。BLE 藍(lán)牙技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，平時可以處于“非連接”狀態(tài)（節(jié)約功耗），此時鏈路兩端相互之間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內(nèi)關(guān)閉鏈路。在手機(jī)通信卡上封裝BLE 藍(lán)牙模塊，讓手機(jī)通信卡具備BLE 藍(lán)牙通道，通過BLE 藍(lán)牙通道，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端與卡片通信模塊的數(shù)據(jù)交互，解決部分手機(jī)終端無法通過ISO/IEC 7816 機(jī)卡通道訪問手機(jī)通信卡的問題，從而提高用戶的使用體驗(yàn)感，滿足用戶的各類需求。

1   BLE藍(lán)牙通信卡組成架構(gòu)

BLE 藍(lán)牙通信卡的硬件構(gòu)成包括通信卡SE 芯片模塊和BLE 低功耗藍(lán)牙芯片模塊兩部分^[4]。采用SIP（System In a Package 系統(tǒng)級封裝）封裝工藝，將通信卡SE 芯片和BLE藍(lán)牙芯片封裝在一張手機(jī)通信卡上面，形成既有通信功能，又滿足各行業(yè)的非接觸應(yīng)用場景的BLE 藍(lán)牙通信卡，BLE 藍(lán)牙通信卡的形狀和目前運(yùn)營商發(fā)行的手機(jī)通信卡的形狀是相同的。其中BLE 低功耗藍(lán)牙芯片支持Bluetooth Specification Version 4.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及以上版本^[5]。

BLE 藍(lán)牙通信卡生態(tài)系統(tǒng)包括手機(jī)終端藍(lán)牙應(yīng)用、BLE 低功耗藍(lán)牙芯片模塊、通信卡SE 芯片模塊共同構(gòu)成，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

手機(jī)終端藍(lán)牙應(yīng)用和BLE 藍(lán)牙通信卡之間的所有數(shù)據(jù)交互過程均由手機(jī)終端藍(lán)牙應(yīng)用主動發(fā)起，手機(jī)終端應(yīng)用將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)按照藍(lán)牙接口應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行協(xié)議封裝后通過藍(lán)牙接口發(fā)送給BLE 藍(lán)牙通信卡，BLE 藍(lán)牙通信卡收到手機(jī)終端消息后執(zhí)行的內(nèi)部邏輯處理流程如下：

1）BLE 藍(lán)牙模塊按照藍(lán)牙接口應(yīng)用層協(xié)議對收到的消息進(jìn)行協(xié)議解析；

2）若解析后的數(shù)據(jù)不需要發(fā)送到通信卡SE 模塊進(jìn)行處理，則由BLE 藍(lán)牙模塊直接進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果按照藍(lán)牙接口應(yīng)用層協(xié)議交由手機(jī)終端進(jìn)行響應(yīng)。

若解析后的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到通信卡SE 模塊進(jìn)行處理，則由BLE 藍(lán)牙模塊將解析后的數(shù)據(jù)通過其與通信卡SE 模塊之間的硬件鏈路傳輸給通信卡SE 模塊進(jìn)行處理，通信卡SE 模塊處理完畢后通過硬件鏈路將處理結(jié)果返回給BLE 藍(lán)牙模塊，最后，BLE 藍(lán)牙模塊將從通信卡SE 模塊獲取的數(shù)據(jù)處理結(jié)果按照藍(lán)牙接口應(yīng)用層協(xié)議進(jìn)行協(xié)議封裝后交由手機(jī)終端進(jìn)行響應(yīng)。

2   BLE藍(lán)牙模塊接口要求

BLE 藍(lán)牙接口支持Paring/Bonding 模式，BLE 藍(lán)牙通信卡和手機(jī)終端配對連接成功后，BLE 藍(lán)牙通信卡會保存LTK（Long Term Key，長期密匙），保證BLE 藍(lán)牙通信卡在不修改藍(lán)牙配對碼的前提下，BLE 藍(lán)牙通信卡與該手機(jī)終端再次進(jìn)行藍(lán)牙連接時不需要輸入藍(lán)牙配對碼^[6-7]。

2.1 藍(lán)牙廣播參數(shù)

藍(lán)牙通信中BLE 藍(lán)牙通信卡是從設(shè)備，負(fù)責(zé)進(jìn)行藍(lán)牙廣播。在上電啟動后且藍(lán)牙處于未連接狀態(tài)時，BLE 藍(lán)牙通信卡以約定的廣播間隔持續(xù)發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，直至藍(lán)牙被連接。

藍(lán)牙廣播參數(shù)取值范圍如表1所示。

表1 藍(lán)牙廣播參數(shù)取值范圍

BLE 藍(lán)牙通信卡藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)包由6 字節(jié)藍(lán)牙MAC 地址與31 字節(jié)廣播數(shù)據(jù)組成。

BLE 藍(lán)牙模塊MAC 地址，通常表示為11:22:33:44:55:66 的形式，長度為6 Bytes。手機(jī)終端藍(lán)牙主設(shè)備通過藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)獲取BLE 藍(lán)牙從設(shè)備MAC 地址。

2.3 藍(lán)牙連接參數(shù)

BLE 藍(lán)牙通信卡和手機(jī)終端建立連接之后，所有的數(shù)據(jù)通信都是在連接事件（Connection Events）中進(jìn)行，每個連接事件中，都需要由手機(jī)終端發(fā)起數(shù)據(jù)包，再由BLE 藍(lán)牙通信卡回復(fù)。藍(lán)牙連接參數(shù)包含BLE 藍(lán)牙通信卡的藍(lán)牙連接間隔、藍(lán)牙連接超時時間與從設(shè)備延遲時間三個參數(shù)，通過修改這三個參數(shù)，可設(shè)置藍(lán)牙連接過程中的傳輸速度和功耗。

藍(lán)牙連接參數(shù)取值范圍如表2 所示。

2.4 藍(lán)牙配對碼

為了保證藍(lán)牙配對碼數(shù)據(jù)安全，BLE 藍(lán)牙通信卡實(shí)現(xiàn)對藍(lán)牙配對碼的安全存儲和訪問，藍(lán)牙配對碼存儲于通信卡SE 模塊中，BLE 藍(lán)牙通信卡設(shè)置出廠初始藍(lán)牙配對碼默認(rèn)值。手機(jī)終端藍(lán)牙應(yīng)用在首次安裝使用時提示用戶初始藍(lán)牙配對碼，并提示用戶修改藍(lán)牙配對碼。

支持通過藍(lán)牙接口、ISO7816 接口修改藍(lán)牙卡的藍(lán)牙配對碼值，藍(lán)牙配對碼修改指令命令報文如表3 所示。

2.4 藍(lán)牙配對流程

BLE 藍(lán)牙通信卡作為從設(shè)備，持續(xù)發(fā)送藍(lán)牙廣播，手機(jī)終端作為主設(shè)備，在收到藍(lán)牙廣播后發(fā)起藍(lán)牙配對請求，用戶在連接超時時限內(nèi)輸入正確的藍(lán)牙配對碼，BLE 藍(lán)牙通信卡的藍(lán)牙模塊會將藍(lán)牙配對碼發(fā)送給通信卡SE 模塊，通信卡SE 模塊會將其與存儲在通信卡SE中的藍(lán)牙配對碼的值進(jìn)行比對，并將比對結(jié)果返回給藍(lán)牙模塊，若比對結(jié)果完全一致，則配對成功，建立藍(lán)牙連接，若比對結(jié)果顯示不一致，則配對失敗，之前的連接自動斷開，BLE 藍(lán)牙通信卡藍(lán)牙配對流程如圖2 所示。

2.5 藍(lán)牙配對流程及藍(lán)牙配對碼修改測試

在測試終端藍(lán)牙中進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備搜索，搜索到圖3“CT02000108”名稱的藍(lán)牙卡設(shè)備，點(diǎn)擊該藍(lán)牙卡設(shè)備名稱，進(jìn)行藍(lán)牙卡與測試終端藍(lán)牙配對連接，測試終端藍(lán)牙測試工具界面彈出圖4“藍(lán)牙配對請求”的彈窗，輸入正確的藍(lán)牙卡藍(lán)牙配對碼與測試終端藍(lán)牙進(jìn)行藍(lán)牙連接配對后，藍(lán)牙卡與測試終端藍(lán)牙功能配對連接成功，如圖5 所示。

圖3 藍(lán)牙卡設(shè)備名稱

圖4 藍(lán)牙配對請求

圖5 藍(lán)牙卡設(shè)備與測試終端藍(lán)牙連接成功

藍(lán)牙卡與測試終端藍(lán)牙功能配對連接成功后，打開測試工具，進(jìn)行修改藍(lán)牙卡配對碼異常測試；修改藍(lán)牙配對碼正常測試，修改后藍(lán)牙配對碼變?yōu)?54321；修改藍(lán)牙配對碼后修改藍(lán)牙參數(shù)等測試案例，測試結(jié)果如圖6 所示。

圖6 藍(lán)牙配對碼修改測試

2.6 藍(lán)牙服務(wù)與特征值

終端和藍(lán)牙卡之間的藍(lán)牙連接一旦建立，則可通過Generic Attribute Profile（GATT） 中的Service 和Characteristic 進(jìn)行藍(lán)牙通信。

UUID 完整長度為128 位，主從設(shè)備間為提高傳輸效率只發(fā)送16 位UUID，接收方收到后需補(bǔ)上藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）定義的128 位通用唯一識別碼UUID 基數(shù)。示例如下：

藍(lán)牙UUID 基數(shù)：

00000000–0000–1000–8000–00805F9B34FB

如要發(fā)送的16 位UUID 為0xFF10，完整的128 位的UUID 為：

0000FF10–0000–1000–8000–00805F9B34FB

BLE 藍(lán)牙卡使用的服務(wù)與特征值如表4 所示。

3   BLE藍(lán)牙模塊藍(lán)牙接口通信協(xié)議

藍(lán)牙接口通信協(xié)議是手機(jī)終端與BLE 藍(lán)牙通信卡之間的應(yīng)用層通信協(xié)議，定義了手機(jī)終端與BLE 藍(lán)牙通信卡通過藍(lán)牙接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的消息報文格式。通過藍(lán)牙接口通信協(xié)議，可進(jìn)行APDU 指令或終端管理數(shù)據(jù)報文的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入^[8-10]。

藍(lán)牙接口通信協(xié)議定義的主要內(nèi)容如下：

（1）卡外實(shí)體與BLE 藍(lán)牙通信卡通過藍(lán)牙接口進(jìn)行APDU 指令交互時所發(fā)送和接收的報文格式；

（2）卡外實(shí)體通過藍(lán)牙接口設(shè)置和查看BLE 藍(lán)牙通信卡相關(guān)藍(lán)牙參數(shù)的報文格式；

（3）消息交換的方法。

藍(lán)牙接口通信協(xié)議結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 藍(lán)牙接口通信協(xié)議結(jié)構(gòu)

手機(jī)終端和BLE 藍(lán)牙通信卡之間的協(xié)議報文交互如圖7 所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)的發(fā)送端根據(jù)消息長度將消息數(shù)據(jù)拆分成若干包，交由通信鏈路層完成發(fā)送，接收端根據(jù)協(xié)議把收到的數(shù)據(jù)包合并成為消息，從而完成單次數(shù)據(jù)交互。

本協(xié)議在會話層傳遞的會話消息由消息數(shù)據(jù)和一個2 bytes 的消息校驗(yàn)和組成，校驗(yàn)和采用CRC16 算法。消息進(jìn)行分包時需嚴(yán)格遵循以下原則：

（1）每包的協(xié)議字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的總長度不超過20 bytes；

（2）4bits 表示的當(dāng)前包位置從0x00 開始編號、最大序號為0x0E；

（3）多包發(fā)送的情況，除末尾包外，其余包須填充滿20 bytes。

3.1 藍(lán)牙接口通信協(xié)議消息格式

消息數(shù)據(jù)包是手機(jī)終端與BLE 藍(lán)牙通信卡之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的載體，傳輸方向?yàn)殡p向傳輸。消息數(shù)據(jù)包在傳輸時按實(shí)際長度進(jìn)行分包，每包的協(xié)議字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)的總長度不超過20 bytes，多包發(fā)送的情況，除末尾包外，其余包須填充滿20 bytes。每個消息數(shù)據(jù)包分為包頭和數(shù)據(jù)兩個部分，數(shù)據(jù)包定義具體如表5 和表6所示。

3.2 藍(lán)牙接口通信協(xié)議消息數(shù)據(jù)包示例

3.2.1 單包發(fā)送單包接收情形

3.2.2 多包發(fā)送多包接收情形

3.3 藍(lán)牙接口通信協(xié)議消息傳輸

通信雙方的消息傳輸遵循一問一答通信方式，即發(fā)送方發(fā)送完一條消息后，需等待該條消息的回復(fù)，否則不會發(fā)送下一條消息。采用順序分包方式傳遞一個消息，首包序號為0，發(fā)送方從首包開始按包序號遞增順序逐包發(fā)送，接收方收到消息數(shù)據(jù)包后按順序重新組合成一個完整的消息。如發(fā)送方發(fā)送的某個數(shù)據(jù)包返回錯誤時，則發(fā)送方需從首包開始重新發(fā)送此消息。

3.3.1 藍(lán)牙接口消息發(fā)送流程

藍(lán)牙卡和手機(jī)終端進(jìn)行藍(lán)牙配對連接，連接成功后，發(fā)送指令信息。

當(dāng)指令信息有效數(shù)據(jù)字節(jié)長度＞ 16 byte（一個包的最大長度為20 byte），進(jìn)行數(shù)據(jù)分包，分包時，計算數(shù)據(jù)包的個數(shù)≤ 15 個（除末尾數(shù)據(jù)包外，其余數(shù)據(jù)包內(nèi)容必須填充20 byte），如果計算出數(shù)據(jù)包總數(shù)大于最大數(shù)據(jù)包總數(shù)的限制，則返回錯誤碼，結(jié)束數(shù)據(jù)包的發(fā)送；如果計算出數(shù)據(jù)包總數(shù)在最大數(shù)據(jù)包總數(shù)之內(nèi)，則檢查每一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)是否≤ 20 byte，如果不是，則返回錯誤碼，結(jié)束數(shù)據(jù)包的發(fā)，如果每一數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)≤ 20 byte，則進(jìn)行數(shù)據(jù)包依次分包發(fā)送，所有數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，結(jié)束指令信息的發(fā)送。

當(dāng)指令信息有效數(shù)據(jù)字節(jié)長度＜ 16 byte（一個包的最大長度為20 byte），則發(fā)送一次單數(shù)據(jù)包，發(fā)送成功后，結(jié)束指令信息的發(fā)送。

藍(lán)牙接口消息發(fā)送流程如圖8所示。

3.3.2 藍(lán)牙接口消息接收流程

藍(lán)牙卡和手機(jī)終端進(jìn)行藍(lán)牙配對連接，連接成功后，接收指令信息。

開始接收指令信息數(shù)據(jù)包后，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)包是否為最后一個數(shù)據(jù)包，如果不是最后一個數(shù)據(jù)包，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包（同時檢查該數(shù)據(jù)包大小是否≤ 20 byte，如果不是，則返錯誤碼）；如果是最后一個數(shù)據(jù)包，則檢查最后一個數(shù)據(jù)包否≤ 20 byte，如果不是，則返錯誤碼；如果最后一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)≤ 20 byte，則判斷消息總長度是否等于第一個數(shù)據(jù)包顯示的數(shù)據(jù)包總長度，如果是，則表明指令信息數(shù)據(jù)包接收完成，如果不是，返回錯誤碼。

藍(lán)牙接口消息接收流程如圖9 所示。

圖9 藍(lán)牙接口消息接收流程

3.4   藍(lán)牙接口通信協(xié)議測試

藍(lán)牙接口通信協(xié)議測試包括藍(lán)牙協(xié)議透傳功能測試與藍(lán)牙協(xié)議透傳功能異常測試。

藍(lán)牙協(xié)議透傳功能測試包括大小數(shù)據(jù)包的透傳測試。

藍(lán)牙協(xié)議透傳功能異常測試包括數(shù)據(jù)包總數(shù)位置測試、當(dāng)前數(shù)據(jù)包位置測試、標(biāo)志字節(jié)測試、長度字節(jié)測試、短數(shù)據(jù)包的發(fā)送及接收測試、長數(shù)據(jù)包的發(fā)送及接收測試、數(shù)據(jù)包亂序發(fā)送測試、隨即子包漏發(fā)測試、同序號包重發(fā)測試、異常長度數(shù)據(jù)包發(fā)送測試、異常序號數(shù)據(jù)包發(fā)送測試、異常封裝數(shù)據(jù)包發(fā)送測試等，測試結(jié)果如圖10 所示。

圖10 藍(lán)牙接口通信協(xié)議測試

3.5   藍(lán)牙接口通信安全規(guī)則

對于從BLE 藍(lán)牙接口傳入的APDU 指令信息，通信卡SE 模塊采用和SWP 接口相同的處理方式，藍(lán)牙接口的通信接口訪問配置與SWP 接口保持一致^[11]。為了安全、有效地管理通信卡中USIM、CSIM 等通信類應(yīng)用，BLE 藍(lán)牙通信卡的USIM、CSIM 等通信類應(yīng)用只能在ISO/IEC 7816 接口進(jìn)行安全訪問，禁止在藍(lán)牙接口訪問^[12-13]。

4   結(jié)束語

本文對BLE 藍(lán)牙通信卡的組成架構(gòu)、藍(lán)牙接口要求以及藍(lán)牙接口通信協(xié)議三個方面進(jìn)行了研究與測試，BLE 藍(lán)牙通信卡的藍(lán)牙通道，解決了部分Android 終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC 7816 機(jī)卡通道訪問通信卡的問題，利用其支持的藍(lán)牙通道，可以搭載多種卡應(yīng)用，例如門禁應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端刷卡開門，應(yīng)用于社區(qū)、公司園區(qū)等；一卡通應(yīng)用，直接在公司園區(qū)刷手機(jī)消費(fèi)；交通卡應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)公交地鐵手機(jī)刷卡進(jìn)站上車；電子健康卡應(yīng)用，在各大醫(yī)院輕松掛號問診；電子車鑰匙應(yīng)用，手機(jī)終端作為車鑰匙，實(shí)現(xiàn)上車時無感開鎖，下車時離開上鎖；以及數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識別等應(yīng)用場景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 閻占林,黃健文,黃健,李俊磊,蔡秋艷,楊光.5G通信卡中SUCI隱私保護(hù)的研究[J].無線電工程,2020,50(04):269-275.

[2] 中國人民銀行.中國金融集成電路(IC)卡規(guī)范[S].中華人民共和國金融行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),JR/T 0025.18-2018.

[3] 3GPP 3rd Generation Partnership Project; Technical Spe cifica tio n Gro up Co r e N e tw o rk a n d Te rm in a ls; Characteristics of the Universal Subscriber Identity Module(USIM) application(Release 16):TS 31.102,V16.0.0 [S].(2019-06).

[ 4 ] E T S I T S 1 0 2 2 2 1 Smar t c a r d s ; U I C C - T e r m i n a l interface;Physical and logical characteristics[S].European Telecommunications Standards Institute Project Smart Card Platform(EP SCP).

[ 5 ] Bl u e t o o t h S p e c i f i c a t i o n V e r s i o n 4 . 1 [ V o l 1 ] [ S ] . Architecture & Terminology Overview.03 December 2013.

[6] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 2] [S].Core System Package[BR/EDR Controller volume].03 December2013.

[7] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 3] [S].Core System Package[Host volume].03 December 2013.

[8] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 4] [S].Host Controller Interface[Transport Layer].03 December 2013.

[9] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 5] [S].Core System Package[AMP Controller volume].03 December2013.

[10] Bluetooth Specification Version 4.1 [Vol 6] [S].Core System Package [Low Energy Controller volume].03 December 2013.

[11] Global Platform Card Contactless Services Card Specification - Amendment C V1.0.1[S].

[12] ISO/IEC 7816-4 Identification cards-Integrated circuit cards-Part 4:Organization,security and commands for interchange[S].

[13] ETSI TS 102 225 Smart cards;Secured packet structure for UICC based applications,European Telecommunications Standards Institute Project Smart Card Platform(EP SCP)[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年4月期）