Android下的基于NFC的金融业务开发

2016-09-23 / modified at 2024-11-10 / 2.8k words / 11 mins

随着物联网与O2O业务的发展，NFC在小额支付领域的前景越来越广阔。本文结合多个公开文档，简要介绍了NFC的工作场景，同时使用RxAndroid实现了对NFC字节流的读取与异常捕捉；介绍了卡模拟过程中与Android底层的交互原理与简单示例。

NFC开发是大坑，适配很累，而且在第三方联调对接上很费时间，属于那种吃力不讨好最后又啥都没学到的。我不建议深入折腾。

1. NFC工作模式

1.1. 读卡器模式

直接操作“NFC Tag”对象对实体卡片进行I/O操作，目前的NFC卡片大多都是运行Applet服务的嵌入式JAVA虚拟机（俗称CPU卡，比较贵，这个卡的性能非常弱，只能进行写改删查操作），我们通过AndroidAPI连接后，就可以使用各种字节命令（APDUS）控制卡片。比如网上的“公交卡充值/查询”APP就是与公交公司合作的读卡器。

1.2. 点对点模式

使用 Android Bean 技术进行点对点通信，NFC本身速度很慢，所以这项技术最多的场景就是通过两台同品牌手机的NFC私有的应用协议数据单元(APDU)配对，然后建立高速的蓝牙/WIFI通信进行数据交换，以节约适配蓝牙/WIFI的时间。比如蓝牙耳机QC35，华为路由器就支持NFC快速配对。

1.3. 卡模拟模式

这个场景下，我们可以把手机看成一张“公交卡/银行卡”。真正的应用过程在上级应用层与物理加密芯片之间。建行的"Quick Pass"/ApplePay等技术就是基于此的。

1.3.1. 虚拟卡模式(Virtual Card Mode)

某些手机内置了安全芯片(SE，Secure Element)，比如

SD卡（银联主推）
手机内置（Embeded，终端厂商主推）
SIM卡内置（运营商主推），经过测试我的电信4G天翼卡就是支持卡模拟的

这些芯片的内部实际上运行一个微型JAVA虚拟机，，一个卡（手机）可以装多个applet，它有自己的证书，上层协议是卡片与芯片内置的Applet进行加密交互。通过OAT（空中发卡）业务可以实现把服务器中的Applet二进制文件下载到手机芯片中（是不是有点像HotFix技术？），俗称“卡包”。

举个例子，我通过软件下载了“深圳通”“招商银行”两个applet到手机内置芯片中。当我要刷公交卡时，公交车上的机器将进行如下操作：

1
2
3

select 公交卡applet from applets
select 余额文件块  from  公交卡applet
...i/o work...

它最大的好处就是写入了Applet后，手机没电了同样可以刷卡使用（取决于电路设计）。而且它支持多张卡，节约空间。

1.3.2. 主机卡模式(Host Card Mode)

在Android文档中可以看到，谷歌在Kitkat后，提供了一种HCE(Host Card Emulation)的方法，只要在Android开发中继承HostApduService服务（类似于J2EE中的Applet），就可以实现软件上进行卡模拟，当然这类的应用层的安全性非常重要，最终还是通过云服务的一些Token/证书进行交互。以后移动互联网公司可能会在这个地方发力。

1	CardReader <----> NFCAdapter <----> HostApduService <----> BackendCloudServer

2. NFC的传输层协议栈

JAVA中 byte 是有符号一字节的，而char是编码过的两个字节的；C中byte(也就是#define byte (unsigned char))是无符号一个字节的，而char是有符号一字节的; 为了方便，我们全部使用byte与16进制进行表示

APDU的数据结构如图，本质是一种编码，网上有很多序列化/反序列化的工具

发送的数据报

简书不支持table标签！！

返回值是

居然不支持table！

3. NFC读卡器的Android开发

3.1. 配置Manifest

配置权限与feature

<!--Use NFC feature and Permissions-->
<uses-permission android:name="android.permission.NFC"/>
<uses-feature
  android:name="android.hardware.nfc"
  android:required="true"/>

注意配置Activity的模式为singleTop，配置Activity不可转变屏幕（防止Intent丢失，支付宝也是这样做的）,配置NFCTech过滤器，配置Intent接收器

<activity
    android:name=".NfcReaderActivity"
    android:launchMode="singleTop"
    android:alwaysRetainTaskState="true"
    android:label="@string/title_activity_nfcscanner">

      .....

   <!--nfc filter-->
   <meta-data android:name="android.nfc.action.TECH_DISCOVERED" android:resource="@xml/nfc_tech_filter" />
   <intent-filter>
      <action android:name="android.nfc.action.TECH_DISCOVERED" />
      <action android:name="android.nfc.action.TAG_DISCOVERED" />
      <category android:name="android.intent.category.DEFAULT" />
    </intent-filter>
</activity>

配置NFC卡片技术过滤器，每个卡对应一个<tech-list>

<!--file nfc_tech_filter.xml -->
<resources>

  <!--重庆一卡通-->
  <tech-list>
    <!--ISO 14443-4-->
    <tech>android.nfc.tech.IsoDep</tech>
    <!--ISO 14443-3A-->
    <tech>android.nfc.tech.NfcA</tech>
  </tech-list>
</resources>

3.2. 获取Intent

在Activity中针对收到的Intent进行处理，onCreate是从其他App进入的情况，onNewIntent是已经在本App中收到新的Intent的情况

@Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {
    super.onCreate(savedInstanceState);
    setContentView(R.layout.activity_nfcscanner);
    handleIntent(getIntent());
}

@Override protected void onNewIntent(Intent intent) {
    super.onNewIntent(intent);
    handleIntent(intent);
}

接下来处理Intent，获取到Tag对象

private void handleIntent(Intent intent) {
  //获取到Intent的Action，注意多打Log
  Log.d(TAG, "handleIntent: " + intent.getAction());
  if (!intent.getAction().equals(NfcAdapter.ACTION_TECH_DISCOVERED)) {
    Log.d(TAG, "handleIntent: no valid action");
    return;
  }
  //获取Tag对象
  tag = intent.getParcelableExtra(NfcAdapter.EXTRA_TAG);
  //获取卡ID，这个ID一般没什么用，有可能是卡自动生成的
  Log.d(TAG, "Id:" + Util.byteArraytoHexString(tag.getId()));
  //NFC卡片所支持的技术标准
  Log.d(TAG, "TechList:" + Arrays.toString(tag.getTechList()));
}

3.3. I/O处理

接下来，我们通过Tag获取到I/O对象，通过字节流进行处理，这里的例子按照如下的标准进行解析

1	ISO-DEP (ISO 14443-4) 注意它与ISO-7816也是兼容的

目前最完善的代码如下，基于RxAndroid进行异步处理，可以处理所有的异常，注意这里的subscriber是一个RxAndroid的回掉接口，它处理成功，下一个，异常这三个回掉

public final Observable<ResponseAPDU> getResponseAPDUObservable(final Tag tag,
    final byte... bytes) {

  return Observable.create(new Observable.OnSubscribe<ResponseAPDU>() {
    @WorkerThread @Override public void call(Subscriber<? super ResponseAPDU> subscriber) {
      if (tag == null) {
        subscriber.onError(new NullPointerException(
            "Tag is null,try again to turn on NFC and keep your card close to your phone!"));
        return;
      }
      if (bytes == null || bytes.length == 0) {
        subscriber.onError(
            new NullPointerException("apdu is null or empty, cheak your command!"));
        return;
      }
      IsoDep iso = IsoDep.get(tag);
      byte[] result_all;
      //NfcA iso = NfcA.get(tag);
      if (iso == null) {
        subscriber.onError(new NullPointerException("Tech was not enumerated in NfcTechList"));
        return;
      }
      iso.setTimeout(5000);//ms
      try {
        if (!iso.isConnected()) {
          iso.connect();
        } else {
          iso.close();
          iso.connect();
        }
        result_all = iso.transceive(bytes);
        subscriber.onNext(ResponseAPDU.createFromPdu(result_all));
        subscriber.onCompleted();
      } catch (IOException e) {
        subscriber.onError(e);
      } finally {
        if (iso != null) {
          try {
            iso.close();
          } catch (IOException ignored) {
            subscriber.onError(ignored);
          }
        }
      }
    }
  });
}

在UI线程下，进行如下的调用

//RxAndroid的回掉
Subscriber subscriber = new Subscriber<ResponseAPDU>() {
  @Override public void onCompleted() {
    Log.d(TAG, "onCompleted:");
  }

  @Override public void onError(Throwable e) {
    mTextView_response.setText(e.getMessage());
  }

  @Override public void onNext(ResponseAPDU responseAPDU) {
    Log.d(TAG, "onNext:" + responseAPDU.toString());
    mTextView_response.setText(responseAPDU.toString());
  }
};

getResponseAPDUObservable(tag, data)
    .subscribeOn(Schedulers.newThread())
    .observeOn(AndroidSchedulers.mainThread())
    .subscribe(subscriber);

这里还有很大的优化空间，比如加入 keep-alive 机制，避免每读写一次都重新打开关闭流，当然这个需要与场景进行适配

3.4. 封装成高级对象(DTO)

通过以上步骤，我们能够得到一个简单的基于字节流的NFC读取器，但是更加进一步的开发（比如查询命令，SDK等）需要卡厂商提供内部公开的SDK，均有私钥的，就不能具体写了。有兴趣的可以去网上搜索PBOC2.0，网上有泄露的代码，貌似是GPL协议，各位慎重学一下。这个开发一点都不难，封装好I/O后，写改删查即可，主要难点在能够与公交公司谈拢（人家说不定看不上你，当然这个活不是程序员干的），以及谈拢后与对方开发进行联调。

4. NFC的卡模拟

从12年开始，随着O2O的发展，国外的品牌手机都开始加入了对SE芯片的支持，中华酷联也开始加入了对SE卡的支持。

4.1. 判断手机是否支持SE

手机中必须有如下的文件，这是一个开源的项目，各大手机厂商都毫不吝啬的使用了，注意SmartcardService需要在后台运行才能调用，某些ROM被精简了，12年以后的高档机（比如三星，Sony大法）到现在的千元机（比如魅蓝NOTE）的ROM中一般都有这个文件

1 2	/system/framework/org.simalliance.openmobileapi.jar /system/app/SmartcardService.apk

如果没有的话，会报错ClassNoFoundException，这里我也没有比较好的解决方案，建议先放着，优先把支持的机子给适配好。

4.2. AndroidSE的通信架构

经过阅读开源代码，交互流程如下，NFC卡模拟开发实际上是基于Binder的，对AIDL与Binder通信需要有理解。

Activity(调用者)
	 ↑
	 | ServiceConnection
	 ↓	
SmartcardService:remote
	 ↑
	 | Parcel
	 ↓	
SmartcardService
	 ↑
	 | ServiceConnection
	 ↓	
com.android.internal.telephony.ITelephony:remote
	 ↑
	 | Parcel
	 ↓	
com.android.internal.telephony.ITelephony
	 ↑
	 | transmitIccBasicChannel()
	 ↓	
Framwork(JNI/HAL/Kernal)

上文中的 :remote实际上就是 Stub.asInterface()实现远程打桩的代理调用，类似于Spring中的依赖查找。当然在SDK端，只用写AIDL即可，甚至SDK都被写好了。

Binder机制实际上是基于 ASHMEM(匿名共享内存) 的IPC

4.3. 开发卡模拟

在AndroidStudio中，需要注意jar包的依赖形式，由于这个包是已经在系统框架中使用了，防止classloader重复加载，所以这个jar包不能打包到app中，只用在编译时设置为provided即可

dependencies {
    compile fileTree(include: ['*.jar'], exclude: ['org.simalliance.openmobileapi.jar'], dir: 'libs')
    //provided表示只在编译时使用jar包，运行时默认环境中已经存在这个jar包了
    //jar包在网上有下载，注意要与ROM版本一直，不要一味求最新
    provided files('libs/org.simalliance.openmobileapi.jar')
}

剩下的事情都交个openmobileapi的SDK了，SDK提供了基于字节流的通信，我们可以使用okio这样的工具来转换字节与string，当然更高级的使用涉及到厂商的私钥，一般通过TSM发卡厂商提供的私有SDK与密钥进行更高层的封装（反正这些都有SDK），就完成开发了。

注意两点：

回调是在Binder线程池中，所以注意谨慎操作UI组件
onDestory时注意释放连接

常见金融协议

PBOC3.0: 国内银联协议
EMV: MasterCard, VISA, JCB和国际银联等

5. Source Code

代码详见我的Github示例，只保留了基于字节流的查询功能。

参考

Android NFC