Android中访问内置SE和基于SE的卡模拟

Posted 2021-08-05 bobuddy

　　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，

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。

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。