BLE藍(lán)牙通信卡藍(lán)牙功能的技術(shù)研究與測試

閻占林 黃健文 黃健 李俊磊 蔡秋艷 楊光

摘要：2021年5G開啟大規(guī)模商用，數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識(shí)別等行業(yè)在5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下加速推廣[1]。在手機(jī)通信卡上加載數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識(shí)別等行業(yè)應(yīng)用時(shí)，存在部分Android終端和蘋果終端無法通過ISO/IEC 7816機(jī)卡通道訪問手機(jī)通信卡的問題，導(dǎo)致數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識(shí)別等行業(yè)應(yīng)用無法在此類終端上使用。為提升數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識(shí)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)通信卡叫為了解決部分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)采用非常快速的連接方式，平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)（節(jié)約功耗），此時(shí)鏈路兩端相互之間只是知曉對(duì)方，只有在必要時(shí)才開啟鏈路，然后在盡可能短的時(shí)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。

1BLE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(jí)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(dòng)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(duì)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)。

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(duì)連接成功后，BLE藍(lán)牙通信卡會(huì)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(duì)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(shí)不需要輸入藍(lán)牙配對(duì)碼A'〕。

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(dòng)后且藍(lán)牙處于未連接狀態(tài)時(shí)， 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。

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(gè)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(shí)時(shí)間與從設(shè)備延遲時(shí)間三個(gè)參數(shù)，通過修改這三個(gè)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(duì)碼

為了保證藍(lán)牙配對(duì)碼數(shù)據(jù)安全，BLE藍(lán)牙通信卡實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙配對(duì)碼的安全存儲(chǔ)和訪問，藍(lán)牙配對(duì)碼存儲(chǔ)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(duì)碼默認(rèn)值。手機(jī)終端藍(lán)牙應(yīng)用在首次安裝使用時(shí)提示用戶初始藍(lán)牙配對(duì)碼，并提示用戶修改藍(lán)牙配對(duì)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(duì)碼值，藍(lán)牙配對(duì)碼修改指令命令報(bào)文如表3所示。

2.4藍(lán)牙配對(duì)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(duì)請(qǐng)求，用戶在連接超時(shí)時(shí)限內(nèi)輸入正確的藍(lán)牙配對(duì)碼， BLE藍(lán)牙通信卡的藍(lán)牙模塊會(huì)將藍(lán)牙配對(duì)碼發(fā)送給通信卡SE模塊，通信卡SE模塊會(huì)將其與存儲(chǔ)在通信卡SE 中的藍(lán)牙配對(duì)碼的值進(jìn)行比對(duì)，并將比對(duì)結(jié)果返回給藍(lán)牙模塊，若比對(duì)結(jié)果完全一致，則配對(duì)成功，建立藍(lán)牙連接，若比對(duì)結(jié)果顯示不一致，則配對(duì)失敗，之前的連接自動(dòng)斷開，BLE藍(lán)牙通信卡藍(lán)牙配對(duì)流程如圖2所示。

2.5藍(lán)牙配對(duì)流程及藍(lán)牙配對(duì)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(duì)連接，測試終端藍(lán)牙測試工具界面彈出圖4“藍(lán)牙配對(duì)請(qǐng)求”的彈窗， 輸入正確的藍(lán)牙卡藍(lán)牙配對(duì)碼與測試終端藍(lán)牙進(jìn)行藍(lán)牙連接配對(duì)后，藍(lán)牙卡與測試終端藍(lán)牙功能配對(duì)連接成功，如圖5所示。

藍(lán)牙卡與測試終端藍(lán)牙功能配對(duì)連接成功后，打開測試工具，進(jìn)行修改藍(lán)牙卡配對(duì)碼異常測試;修改藍(lán)牙配對(duì)碼正常測試，修改后藍(lán)牙配對(duì)碼變?yōu)?54321;修改藍(lán)牙配對(duì)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。

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(shí)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。

3BLE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(bào)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(bào)文的下發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和寫入[8-1。1。

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(shí)所發(fā)送和接收的報(bào)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(bào)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。

手機(jī)終端和BLE藍(lán)牙通信卡之間的協(xié)議報(bào)文交互如圖7所示，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，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(huì)話層傳遞的會(huì)話消息由消息數(shù)據(jù)和一個(gè)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(shí)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(hào)、最大序號(hào)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(shí)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(gè)消息數(shù)據(jù)包分為包頭和數(shù)據(jù)兩個(gè)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(huì)發(fā)送下一條消息。采用順序分包方式傳遞一個(gè)消息， 首包序號(hào)為0，發(fā)送方從首包開始按包序號(hào)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(gè)完整的消息。如發(fā)送方發(fā)送的某個(gè)數(shù)據(jù)包返回錯(cuò)誤時(shí)， 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(duì)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(gè)包的最大長度為20 byte ），進(jìn)行數(shù)據(jù)分包，分包時(shí)，計(jì)算數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)M 15個(gè)（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(jì)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(cuò)誤碼，結(jié)束數(shù)據(jù)包的發(fā)送;如果計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)是否M 20 byte，如果不是， 則返回錯(cuò)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)M 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(gè)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(duì)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(gè)數(shù)據(jù)包，如果不是最后一個(gè)數(shù)據(jù)包，則繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包（同時(shí)檢查該數(shù)據(jù)包大小是否M 20 byte，如果不是，則返錯(cuò)誤碼）;如果是最后一個(gè)數(shù)據(jù)包，則檢查最后一^數(shù)據(jù)包否M 20 byte，如果不是，則返錯(cuò)誤碼;如果最后一個(gè)數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)字節(jié)M 20 byte，則判斷消息總長度是否等于第一個(gè)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

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(hào)包重發(fā)測試、異常長度數(shù)據(jù)包發(fā)送測試、異常序號(hào)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。

3.5藍(lán)牙接口通信安全規(guī)則

對(duì)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接口保持一致問。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(duì)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(gè)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(hào)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(shí)無感開鎖，下車時(shí)離開上鎖;以及數(shù)字貨幣、數(shù)字身份識(shí)別等應(yīng)用場景。

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