Android中访问内置SE和基于SE的卡模拟

  我们已经了解,NFC RF模块可以支持卡模拟工作方式,而且可以通过两种方式实现卡模拟,

一种是基于硬件的,被称为虚拟卡模式(Virual Card Mode);

一种是基于软件的,被称为主机卡模式(Host Card Mode)。

无论哪种方式,都是NFC RF模块将外部读写器的指令转发到相关的处理模块,SE或手机上的应用程序,然后将回复信息发回外部读写器。

  本文不讨论基于软件的方式,因为在Android中,必须修改相关固件以支持该功能,也就是必须使用第三方ROM,例如Cyanogenmod。本文的重点是,如果使用硬件SE的方式,我们是否能够做到:

  1, 从手机内部访问SE,建立手机应用程序与SE之间的通讯连接并发送命令。

  2, 将NFC模块和SE置于卡模拟工作方式,使用外部读写器中的命令转向SE。

  3, 在SE中安装自己的应用,实现最终的卡模拟。

  这里先预告一下本文的结论,以免浪费大家的时间,在目前看来,没有SE密钥的用户,只能在特定条件下实现功能1和2,而功能3则是不可能的。而功能1和2的条件对一般用户也是非常苛刻的,包括手机支持NFC,并且SE为内置SE或SWP-SIM,手机已经ROOT,

  Android版本在Android 4.0.4 (API Level 15)上,而且因为用到了一些未公开类,所以不能保证在今后的版本中还能使用。(经测试这些未公开类在目前最新版本4.3中还可以工作)。

  当然,深入讨论需要更多的专业知识,包括Android编程,智能卡等,虽然不需要全部精通,但至少有所了解。

  SE硬件形态

  SE是一个CPU卡,可以运行智能卡应用程序(称为小应用或卡应用)。一个智能卡从本质上讲就是在单一芯片上的微型计算环境,具有完备的CPU,ROM,EEPROM,RAM和I/O接口。一般智能卡还具有密钥算法协处理器,可以支持常用的加解密算法,例如DES,AES和RSA等。智能卡通过多种技术实现抗攻击特性,很难通过分解或分析芯片提取数据。事实上手机用户对SE都不陌生,因为手机的SIM卡本身就是一个SE(技术上讲只能在GSM中叫做SIM卡,更通用的应该叫做UICC)。

  SE可以有多种集成形态:UICC,内置SE或在SD插槽上的插卡。本文主要讨论内置SE的方式,但首先简要了解一下其它形态的SE。

  UICC形式的SE

  普通的UICC仅仅和手机中的基带处理器相连,但基带处理器与运行Android的应用处理器是分离的,因此不能通过Android应用程序直接访问。所有的通讯需要通过射频界面层Radio Interface Layer (RIL),这是与基带处理器的IPC界面。UICC SE的通讯基于扩展AT命令 (AT+CCHO,AT+CCHC, AT+CGLA等),在目前Android中的telephony manager不支持。目前还没有能够通过RIL访问UICC SE的标准方式(尽管有些带有定制化固件的商业设备据说支持这种方式),因为这个原因,普通的UICC并不适合NFC应用。还有一种方法是使用Single Wire Protocol (SWP)方式,SWP类型的UICC通过SWP连接到NFC控制器,目前很多移动支付都使用该方式,只要手机支持NFC功能,就可以通过更换UICC实现移动支付应用。

  SD卡形式

  另一种形态是AdvancedSecurity SD card (ASSD),本质上是一个带有嵌入式SE芯片的SD卡。将SD卡插入Android设备SD插槽,并运行一个SEEK补丁过的Android版本,可以通过SmartCard API访问SE。但是并不是所有手机都具有SD插槽,因此ASSD方式不太可能成为主流。

  内置SE模式

  正如其名,内置SE是设备主板的一部分,并作为NFC芯片的专用芯片,或者干脆集成为NFC芯片的一部分,因此内置SE不能从手机上移除。第一个支持内置SE的设备是Nexus S,这款手机也是首款支持NFC的Android手机。我们实验用的设备,Galaxy Nexus,带有内置的NXP PN65N 芯片,该芯片在一个单独的封装中集成了一个NFC射频控制器和一个SE(NXP SmartMX系列的P5CN072)。下图为P5CN081的硬件架构图,由于没有找到P5CN072的图,用P5CN081代替,它们之间的区别仅仅是EEPROM大小不同。

改变SE工作模式

在NfcAdapterExtras类中,有两个关于卡模拟的函数,getCardEmulationRoute和setCardEmulationRoute,分别用于得到和设置卡模拟工作模式,其中getCardEmulationRoute返回一个CardEmulationRoute类对象,而setCardEmulationRoute需要构造一个CardEmulationRoute类对象作为参数。

CardEmulationRoute类为NfcAdapterExtras中定义的内部类,主要包括:

 NfcExecutionEnvironment

     nfcEe 
          The NFcExecutionEnvironment that is Card Emulation is routed to.

 int

     route 
          A route such as ROUTE_OFF or ROUTE_ON_WHEN_SCREEN_ON.

由于CardEmulationRoute是一个内部类,我们甚至不能用类名反射得到类定义,只能从NfcAdapterExtras类中提取,由于NfcAdapterExtras中只有一个内部类,我们可以简单的取第一个即可。通过构造CardEmulationRoute类,可以将相关SE设置为ROUTE_OFF或ROUTE_ON_WHEN_SCREEN_ON,即卡模拟关闭和卡模拟在屏幕开启时打开。以下 具体的实现:

int  routeOption = ROUTE_ON_WHEN_SCREEN_ON;

 //Get route inner class

Class nfcAdapterExtrasClazz =Class.forName("com.android.nfc_extras.NfcAdapterExtras");

Class[]  innerClazz =nfcAdapterExtrasClazz.getDeclaredClasses();

Constructor clazzConstuctor = innerClazz[0].getConstructor(Integer.TYPE,Class.forName("com.android.nfc_extras.NfcExecutionEnvironment"));

Object route = clazzConstuctor.newInstance(routeOption, se);

 //Setcard emulation route

Method setCardEmulationRouteMethod = nfcExtras.getClass().getMethod("setCardEmulationRoute",innerClazz[0]);

setCardEmulationRouteMethod.invoke(nfcExtras,route);

通过这些代码,我们可以将得到的SE(NFcExecutionEnvironment)设为卡模拟模式,

Android中访问内置SE和基于SE的卡模拟

相应的,通过

int routeOption = ROUTE_OFF;

Object route =clazzConstuctor.newInstance(routeOption, null);

setCardEmulationRouteMethod.invoke(nfcExtras,route);

可以关闭卡模拟模拟。

Android中访问内置SE和基于SE的卡模拟

如果不进行模式设置,使用getCardEmulationRoute得到的CardEmulationRoute中,NFCEE为空,状态为ROUTE_OFF,可见缺省状态下,卡模拟为关闭,且不关联到任何NFCEE上。

Object cardEmulationRoute = getCardEmulationRouteMethod.invoke(nfcExtras, null);

Field route = cardEmulationRoute.getClass().getDeclaredField("route");

Object r= route.get(cardEmulationRoute);

return Integer.parseInt(r.toString());

为了检查手机是否真正工作在卡模式下,我们需要一个读写器。注意不能用另外一个NFC手机,因为NFC手机之间总是优先使用NFC的P2P模式,而不会使用读写器-卡模式工作。

以下是使用读写器读取的例子

GALAXY NEXUSI9250                           

ISO/IEC 14443A(106 kbps) target:                                                                              

ATQA (SENS_RES):00  02                                                                                     

UID (NFCID1):2f  8a c6  99                                                                               

SAK (SEL_RES):38                                                                                            

ATS: 78  80 70  02  00 31  c1  73 c8  40  00 00  90  00     

可见模拟卡的UID为2f 8a c6 99,符合ISO14443-4协议。

再选择空的AID,能够得到从内部访问同样的GP数据。

[root@TestAgmnewDisk]# ./readnfccc

SELECT_APP-------------------------106

< 6f658408a000000003000000a5599f6501ff9f6e06479100783300734a06072a864886fc6b01600c060

a2a864886fc6b02020101630906072a864886fc6b03640b06092a864886fc6b040215650b06092b8510

864864020103660c060a2b060104012a026e01029000

在SE中添加应用以实现自己的卡模拟

         既然我们建立了与SE的连接,是否就可以安装应用了呢?当然不是,如果这样,SE也没有安全性可言了。前面提到SE是一个CPU卡,一般符合GP标准。GP标准的目的就是支持卡上的多应用的同时,保证卡内容的安全。

SE的发行者拥有GP卡管理器的密钥,即主安全域(ISD)密钥,可以进行辅助安全域和应用的创建和安装。

为了让不同的应用提供商都可以使用SE上的空间,应用提供商可以向SE发行者申请,建立辅助安全域,并通过密钥转换,控制一部分SE空间,并进行应用的下载/更新/删除。为了在后台自动完成这些流程,就需要一个代理中介实现,即所谓的授信服务管理器(Trusted Service ManagerTSM)。SE发行者通过建立发行者TSM(SE-TSM),提供对其拥有的SE的操作。应用提供商通过与SE发行者的达成合作协议,实现自己应用的下载安装。

因此,目前有以下几种方式可以获得在SE上安装应用的权力:

1,  自行发卡,自己控制SE的主密钥。

2,  从SE发行者得到密钥,在一般情况下,SE发行者是不可能提供这些密钥的,但是有些开发测试机是公开密钥的,以便提供给应用合作伙伴进行测试。

3,  不获取密钥,而是通过SE-TSM代理完成。

4,  破解,但由于SE一般有自锁功能,因此暴力破解是很困难的。

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