4.1.8.8 NFC и беспроводные интерфейсы приложений

Рис. 1. Сравнение NFC с другими корокодиапазонными коммуникационными технологиями (источник: NFC Forum)

RFID (Radio Frequency Identification) – радиочастотная идентификация

IrDa (Infrared Data Association) - инфракрасный порт передачи данных.

Сравнение NFC с другими технологиями показывает, что это самая короткодиапазонная техника, ориентированная на человека. Некоторые другие технологии имеют сходные параметры, например, RFID (Radio Frequency IDentification), но другие скорее являются дополняющими по отношению к NFC; к таким технологиям можно отнести Bluetooth и Infrared.

NFC стандарты/Стандарты ISO 14443 тип A и тип B + FeliCa представляют собой четыре части международного стандарта для бесконтактных платежных карт. Стандарт ISO 18092 определяет режимы работы интерфейса NFC и протокол.

Режимы NFC. NFC-форум определил три коммуникационных режима, как это показано ниже:

Рис. 2. Режимы работы NFC-коммуникаций (источник: NFC Forum)

где:

• Режим Peer-to-Peer определен для коммуникаций устройство-устройство. Заметим, что этот режим не поддерживается API бесконтактных коммуникаций.
• Режим чтения/записи позволяет приложениям обмениваться NFC-сообщениями. Заметьте, что этот режим не является безопасным. Этот режим поддерживается API бесконтактные коммуникации.
• Режим эмуляции NFC-карты позволяет NFC-телефонной гарнитуре работать в качестве стандартной смарт-карты. Этот режим безопасен и поддерживается API бесконтактных коммуникаций.

API бесконтактных коммуникаций

Java-спецификация API бесконтактных коммуникаций (Nokia) определена документами Java-сообщества JSR-257, которые фиксируют базовые функции бесконтактных коммуникаций. API состоит из пяти Java-пакетов:

Таблица 1 - Java-пакеты JSR 257

* Note that the only mandatory package is javax.microedition.contactless.

API бесконтактных коммуникаций позволяет вам осуществлять выявление и обмен данными с бесконтактными объектами, такими как метки NDEF, RFID и внешние смарт-карты. API осуществляет также поддержку визуальных меток. На диаграмме ниже проиллюстрированы взаимоотношения между различными классами и интерфейсами API:

Рис. 3. Взаимодействие API бесконтактных коммуникаций (источник: спецификация JSR-257)

Анатомия бесконтактных коммуникаций API MIDlet

Рассмотрим элементы типового мобильного Java-приложения (MIDlet), которое использует принципы API беспроводных коммуникаций. Ниже представлена иллюстрация этого:

Рис. 4. Анатомия API бесконтактных коммуникаций, базирующихся на Java MIDlet (Источник: CEnriqueOrtiz.com)

Где мы имеем следующие типовые элементы:

• Java реального времени с реализацией JSR-257,
• Приложение MIDlet, работающее в телефонной гарнитуре,
• Транспондер RFID/NFC, контроллеры и среда передачи,
• SIM-карта, а также элементы безопасности.

Использование API бесконтактных коммуникаций

API бесконтактных коммуникаций позволяет вам выявлять и обмениваться данными через поддерживаемые бесконтактное радио и визуальные метки. Приложения, использующие API бесконтактных коммуникаций обычно следуют схеме, представленной ниже:

Рис. 5. Типовая блок-схема реализации приложения бесконтактных коммуникаций

где

1. На первом этапе для приложения выясняется, какие типы объектов поддерживаются телефонной гарнитурой,
2. Для каждого поддерживаемого типа приложение может регистрировать прослушивающее устройство, чтобы получить уведомление об активности. В качестве альтернативы, приложение может с помощью PushRegistry зарегистрировать активность объекта; поддерживаемыми активностями объекта является NDEF и элемент безопасности в режиме эмуляции карты,
3. При приближении объектов они детектируются (выявляются), после чего активируются соответствующие считывающие средства. Альтернативой является активация MIDlet со стороны PushRegistry,
4. Для каждого выявленного объекта приложение может выяснить его свойства,
5. Приложение может установить соединение, читать, записывать и осуществлять информационный обмен с выявленным объектом,
6. По завершении, с целью освобождения ресурсов, приложение закрывает любые установленные ранее соединения.

API бесконтактных коммуникаций и обобщенная схема соединения

API бесконтактных коммуникаций следующим образом расширяет общую схему соединения (GCF):

Рис. 6. API бесконтактных коммуникаций и общая схема соединения

API бесконтактных коммуникаций определяет следующие интерфейсы:

• TagConnection определяет базовый интерфейс для всех RFID, смарт-карт и NFC-соединений:
• ISO14443Connection расширяет TagConnection и используется для бесконтактного соединения с ISO 14443-4 совместимыми бесконтактными смарт-картами.
• PlainTagConnection расширяет TagConnection и используется для бесконтактного соединения с (не-NFC) метками.
• NDEFTagConnection расширяет TagConnection и используется для бесконтактного соединения с RFID-метками, имеющими формат, заданный NFC-форумом, и с смарт-картами
• VisualConnection используется для бесконтактного соединения с визуальными метками, такими как штриховой код

Выявление и прослушивание поддерживаемых объектов

Для выявления объектов, которые поддерживаются платформой, использовавшей метод DiscoveryManager.getSupportedTargetTypes(), который возвращает массив TargetTypes. Затем для каждого типа объекта регистрируется прослушивающее устройство объекта. Следующий фрагмент кода демонстрирует метод registerTargetListener(), который запрашивает платформу о поддерживаемых объектах, затем об объектах типа ISO 14443-4 (совместимых с бесконтактными смарт-картами), он регистрирует устройство прослушивания объекта:

Листинг 1 – Выявление объектов и их регистрация

import javax.microedition.contactless.TargetListener;
:
DiscoveryManager dm = DiscoveryManager.getInstance();
:
/**
 * Discover supported targets, registers listeners
 *
 * @param targetListener the target listener
 */
public void registerTargetListeners(TargetListener targetListener) {
    // Discover supported types
    TargetType[] tp = DiscoveryManager.getSupportedTargetTypes();
    try {
        // Register listener for each of the supported types
        for (int i=0; i<tp.length; i++) {
            if (tp[i].equals((TargetType.ISO14443_CARD))) {
                dm.addTargetListener(
                    targetListener, TargetType.ISO14443_CARD);
            } else...
               :
               :
            }
        }
    } catch (Exception e) {
        // ...
    }        
}

Заметим, что API бесконтактных коммуникаций определяют следующие типы объектов: ISO14443_CARD, NDEF_TAG, RFID_TAG и VISUAL_TAG.

Когда нужные объекты выявлены и соответствующие приемные устройства зарегистрированы, как это показано выше, программная реализация будет использовать метод TargetListener.targetDetected(TargetProperties[]), если детектирован новый объект:

Листинг 2 – Прослушивание приемных устройств зарегистрированных объектов

import javax.microedition.contactless.TargetListener;
:
/**
 * A new target has been detected. This method is invoked by
 * the platform.
 *
 * @param prop the properties for the detected target
 */
public void targetDetected(TargetProperties[] prop) {
    for (int i = 0; i < prop.length; i++) {
        // Get UID 
        String uid = prop[i].getUid();
        // Get Connection Classes
        Class[] classes = prop[i].getConnectionNames();
        // Get Target Types
        TargetType[] types = prop[i].getTargetTypes();
        // Connect to each Target
        String url = prop[i].getUrl();
        try {
            // Open NDEFTagConnection to the target
            NDEFTagConnection conn = 
                   (NDEFTagConnection) Connector.open(url);
            :
            :
        } catch (IOException e) {
            // ...
        }
    }
}

Метод targetDetected() обычно выполняет следующее:

• Метод targetDetected получает TargetProperties для детектированных объектов,
• Для каждого детектированного объекта, его URL извлекается из перечня свойств объекта,
• Соединение с объектом осуществляется с помощью GCF,
• Производится обмен данными,
• Входные сообщения обрабатываются в соответствии с их атрибутами,
• По завершении, все ресурсы освобождаются, а соединения разрываются.

Следует заметить, что чтение меток RFID требует понимания того, как работают команды ISO14443 I/O и ADPU.

Прослушивание специфических NDEF-объектов

API бесконтактных коммуникаций обеспечивает также распознавание специфических NDEF-объектов без детального знания каких-либо подробностей; единственно, что нужно знать, это тип записи (сообщения) и процедуру их обработки, это существенно упрощает логику коммуникаций информационного обмена. Чтобы прослушивать NDEF-объекты, используется интерфейс NDEFRecordListener и его метод recordDetected(NDEFMessage ndefMessage). Регистрация слушателя NDEF-записей осуществляется с привлечением метода addNDEFRecordListener(listener, recordType). Следующий фрагмент кода иллюстрирует это:

Листинг 3 – Листинг для объектов NDEF

import javax.microedition.contactless.ndef.NDEFRecordListener;
:
DiscoveryManager dm = DiscoveryManager.getInstance();
:
// Register NDEF_TAG target (smart poster) to discover
try {
    NDEFRecordType rt = new NDEFRecordType(
        NDEFRecordType.NFC_FORUM_RTD, "urn:nfc:wkt:Sp");             
    dm.addNDEFRecordListener(this, rt);
} catch (IllegalStateException e) {
    :
} catch (Exception e) {
    :
}

Ниже определены типы NDEF-записей:

• EMPTY- идентификатор записи формата типа имени для пустого рекорда.
• EXTERNAL_RTD – идентификатор записи формата типа имени для имен типов специальных рекордов приложения, которые следуют спецификациям NFC-форума.
• MIME - Record type name format identifier for the MIME type defined in the RFC 2046.
• NFC_FORUM_RTD - идентификатор записи формата типа имени для описаний типов рекордов NFC-форума.
• UNKNOWN - идентификатор записи формата типа имени для неизвестных типов рекордов.
• URI - идентификатор записи формата типа имени для типов URI, определенных в RFC 3986.

Из спецификации JSR 257. Если формат имеет тип EMPTY или UNKNOWN имя должно иметь значение нуль. Типы имен записей NFC_FORUM_RTD и EXTERNAL_RTD должны следовать правилам, определенным в RTD- спецификации NFC-форума. Имя типа рекорда должно содержать только символы из набора US_ASCII.

Обработка NDEFMessages

Если NDEF-приемник зарегистрирован, платформа воспользуется методом recordDetected(NDEFMessage ndefMessage) для запрошенного NDEF, передавая в качестве аргумента сообщение NDEF для объекта NDEF, который становится активным и видимым. Метод recordDetected() получает запись, тип записи и другую информацию из NDEF-сообщения, и обрабатывает сообщение согласно его атрибутам.

Листинг 4 – Обработка сообщений NDEF-объектов

/**
 * Вызывается платформой, когда устройство бесконтактного объекта выявляет 
 * запрошенный тип рекорда NDEF.
 *
 * @param ndefMessage the NDEF message to process
 */
public void recordDetected(NDEFMessage ndefMessage) {
    // Get records and record types from NDEF Message
    NDEFRecordType[] rTypes = ndefMessage.getRecordTypes();
    NDEFRecord[] records = ndefMessage.getRecords();
    for (int i=0; i<records.length; i++) {
        // Handle data, based on type of NDEFMessage
        NDEFRecordType t = recordTypes[i];
        NDEFRecord r = records[i];
        byte[] id = r.getId();
        long len = r.getPayloadLength();
        byte[] p = r.getPayload();
        // Process the record
        // ...
    }    
}

Обработка тела сообщения будет зависеть от вашего приложения; например, после чтения URL, приложение может послать некоторую информацию этому URL, или возможно откроет этот URL на web-браузере.

Использование уведомлений об активности эмуляции карты

В режиме эмуляции карты, элемент безопасности прибора взаимодействует с внешним устройством чтения RFID. Приложения уведомляются о таких транзакциях, но не участвуют в них. Это проиллюстрировано ниже:

Рис. 7. Уведомления активности эмуляции карты

где

1. Внутренний элемент безопасности взаимодействует с внешним устройством чтения,
2. Приложение (MIDlet) уведомляется, когда детектировано внешнее устройство чтения,
3. Если необходимо, приложение взаимодействует с элементом безопасности, используя API бесконтактных коммуникаций интерфейса ISO14443, или SATSA, если такое имеется.

Обмены между элементом безопасности и внешним считывателем открыты для приложения, и происходят с использованием APDU-команд, точно также как Java-карты взаимодействуют с внешними читающими устройствами. Более подробную информацию можно найти в “An Introduction to Java Card Technology - Part 1” (ниже в разделе «Источники”). Заметим, что коммуникации между приложением и безопасным элементом требуют знания специальных безопасных апплетов, используемых в безопасном элементе. APDU-команды определены в спецификации ISO7816-4.

На следующей диаграмме, взятой из статьи “An Introduction to Java Card Technology - Part 1”, иллюстрирует типовое взаимодействие приложения Java-карты (в этом случае MIDlet играет роль считывателя), и элементов безопасности (играющих роль "стороны карты"):

Рис. 8. Типовые элементы приложения для Java-карты. Прикладные сценарии бесконтактных коммуникаций (Источник: CEnriqueOrtiz.com)

где:

• В бесконтактной NFC-гарнитуре, левая сторона может быть внутренним считывателем, сам MIDlet, или и внешним читающим устройством (посредством режима эмуляции NFC-карты),
• Правая сторона, "карта", может быть внутренним или внешним элементом безопасности, который доступен через SATSA или JSR-257, или через оборудование RFID,
• Все обмены осуществляются с помощью APDU-команд.

Регистрация и обработка активности, сопряженной с эмуляцией карты

Как было отмечено выше, в случае режима эмуляции карты, приложения могут уведомляться о том, что детектировано внешний считыватель, но само приложение не участвует в транзакциях. Кроме того, если необходимо, приложение осуществляет обмены с элементом безопасности, используя команды APDU, и для этой цели приложение должно знать об апплетах, работающих в элементе безопасности. Чтобы регистрировать уведомления активности эмуляции карты используются интерфейс javax.microedition.contactless.TransactionListener и его метод externalReaderDetected(byte slot). Регистрация транзакции прослушивателя выполняется путем вызова метода dm.addTransactionListener(...). Ниже приведенный фрагмент кода иллюстрирует это:

Листинг 5 – Регистрация и обработка активности, сопряженной с эмуляцией карты

import javax.microedition.contactless.TransactionListener;
:
:
// Register Transaction Listener
try {
    dm.addTransactionListener(this);
} catch (IllegalStateException e) {
    ...
} catch (Exception e) {
    ...
}
:
:
/**
 * Called by the platform, when a card emulation event 
 * has happened on the RFID hardware.
 *
 * @param slot is the slot needed to open the APDUConnection defined 
 *             in JSR 177 to the external secure element, may be 
 *             UNKNOWN_SLOT constant defined in this interface, if the 
 *             slot can not be identified.
 */
public void externalReaderDetected(byte slot) {

    // Based on slot number above, using ISO14443Connection or SATSA 
    // connect to applet, query applet, update screen, etc.
    ...
}

Для получения более детальной информации о Java-карте и SATSA, смотри раздел Ресурсы в конце данной статьи.

Использование PushRegistry для запуска NFC-приложений

Автоматическая активация приложения является важным моментом реализации доступа для приложений, базирующихся на NFC, в случае приближения или прикосновения к считывающему NFC-устройству. Система PushRegistry, которая является частью MIDP (Mobile Information Device Profile), осуществляет автоматический запуск приложения. Заметим, что API бесконтактных коммуникаций расширяет возможности PushRegistry для запуска приложения только для 1) типов рекордов NDEF и 2) для элементов безопасности (активности) коммуникаций режима эмуляции карты.

URL соединений, используемые для регистрации должны следовать соответствующим требованиям, как это определено в спецификации: