協(xié)議培訓

1、第5章 非接觸式IC卡國際標準,接近式 PICC 接近式耦合裝置PCD(proximity coupling device ),第5章 非接觸式IC卡國際標準,5.1 非接觸式IC的概述5.2 PICC的物理特性 （14443-1）5.3 射頻能量與信息接口（14443-2）5.4 初始化與防沖突 （14443-3） 5.5 選擇應答和傳輸協(xié)議 （14443-4）,非接觸式IC卡的分

2、類（讀寫器發(fā)射距離）：,,CICC卡（Close-Couple ICC）PICC卡（Proximity ICC)VICC卡（Vicinity ICC）,5.1 非接觸式IC的概述,IC卡如何獲得能量？IC卡與讀寫器間如何交換信息？多卡同時處于讀寫器發(fā)射能量區(qū)域時如何防止操作沖突？,非接觸式IC卡面臨的問題,非接觸式PICC卡的國際標準： ISO/IEC

3、14443-1/2/3/4,5.2 PICC的物理特性 （14443-1）,物理特性與尺寸應符合ISO/IEC7810。,還提出電磁場、射線、工作溫度、機械形變等技術要求。,5.3 射頻能量與信息接口 （14443-2）,5.3.1 操作順序,PCD的RF射頻場激活PICC；PICC等待PCD的命令；PCD發(fā)出命令；PICC發(fā)出應答。,5.3.2 能量傳送,讀寫器PCD產(chǎn)生耦合到PICC的RF電磁場，用來傳送能量

4、和通信（經(jīng)過調(diào)制和解調(diào)）。,PICC獲得能量后，將其轉(zhuǎn)換成直流電壓。,RF場的頻率： fc=13.56 MHz ±7kHz,RF場的磁場強度：H=1.5A/m～7.5A/m,在制造商指定的工作范圍內(nèi)讀寫器PCD產(chǎn)生的磁場強度至少為1.5A/m，且不能超過7.5A/m。,5.3.3 信號接口,Type A ；Type B ；,PCD →PICC ；PICC→PCD；,類型,傳輸方向,1. 從PCD — PICC的信號

5、（Type A）,（1）傳輸率,載波頻率fc： 13.56MHz；,數(shù)據(jù)傳輸率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,調(diào)制深度 ASK（amplitude shift keying）： 100%；,以間隙Pause傳送數(shù)據(jù),（2）調(diào)制,（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時序X時序Y時序Z,信息的編碼,,邏輯“1”：時序X邏輯“0”：時序Y,1個位期間 128/ fc 邏輯1與邏輯0的表示方式

6、 時序X、 時序Y、 時序Z 位編碼 （Manchester編碼定義） 時序D、 時序F、 時序E,（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時序X時序Y時序Z,2. 從PICC — PCD 的信號（Type A）,（1）傳輸率,在初始化和防沖突期間：,數(shù)據(jù)傳輸率：13.56MHZ/128=106Kbit/s；,（2）負載調(diào)制,PICC通過電感耦合區(qū)與PCD進行通信。,在PICC中，

7、利用PCD發(fā)射的載波生成副載波（頻率為fs），副載波在卡中用開通/斷開負載的方法實現(xiàn)的。,調(diào)制深度 ASK（amplitude shift keying）： 50%；,以間隙Pause傳送數(shù)據(jù),（3）數(shù)位的表示和編碼,表示方式,,時序D時序E時序F,信息的編碼,,邏輯“1”：時序D邏輯“0”：時序E通信開始：時序D通信結束：時序F無信息： 無副載波,信息的編碼采用曼徹斯特編碼。,5.4 初始化與防沖突 （144

8、43-3）,ISO/IEC 14443 包括：PICC進入PCD場的轉(zhuǎn)換過程，即登記；在PCD與PICC之間進行通信的初始化階段用的字節(jié)格式、幀和時序；初始化REQ和ATQ（命令和應答）的內(nèi)容；多張卡中檢出1張卡并與之通信的方法；PCD與PICC進行初始化通信的其他參數(shù)；加速從多卡中選出1張卡的可選方法。,PICC應遵守的最大登記復位（Polling Reset）時間在表5.2中規(guī)定。,5.4.1 登記 polling,－

9、為檢出進入PCD能量場的PICC，PCD重復發(fā)出請求命令REQA/REQB，并查尋應答ATQA/ATQB，這一過程稱為“polling”。,5.4.2 Type A －初始化和防沖突,1. 位、字節(jié)和幀格式,（1）同步應答時序,PCD發(fā)送的最后一個間隙Pause結束和PICC發(fā)送的起始位的第一個調(diào)制邊之間的時間應遵守規(guī)定，如圖5.5。,該時序的應用范圍：,REQA命令－應答；Wake-up命令－應答；Anticollision

10、命令－應答；Select 命令－應答。,（2）請求（REQA）保護時間,－相鄰兩個REQA命令的起始位之間的最小時間，其值：7000/fc。,（3）幀保護時間FGT,相反方向傳送的兩幀，其最后一位的上升邊與下一幀起始位下降邊間的最小時間。,（4）幀格式（用于比特沖突檢測協(xié)議）,REQA幀和WAKE-UP幀 －用于初始化通信，包含：,通信起始位S；7位數(shù)據(jù)，低位先發(fā)送；通信結束位E；無奇偶校驗位。,標準幀

11、 －用于數(shù)據(jù)交換，其組成：,通信起始位S；n×（8個數(shù)據(jù)位＋奇校驗位），其中n≥1；通信結束位E。,（5）面向比特的防沖突幀,當至少有兩個PICC發(fā)出不同的比特樣本（位串）到PCD時，就能檢測到?jīng)_突。,第一部分（從PCD到PICC）第二部分（從PICC到PCD）,面向比特防沖突幀的組成,滿足以下規(guī)則：,規(guī)則1 ：數(shù)據(jù)位的總數(shù)為56位。規(guī)則2 ：第1部分的最小長度是16個數(shù)據(jù)位。規(guī)則3 ：第1部分的最大長度是55個

12、數(shù)據(jù)位。,面向比特沖突檢測協(xié)議的標準幀由7個數(shù)據(jù)字節(jié)組成，被分成兩部分：,比特防沖突幀的位組織和傳送,數(shù)據(jù)位的兩部分可在任意位置分開，分兩種情況：,情況1：完整字節(jié)，在一個完整的數(shù)據(jù)字節(jié)之后分開，在第1部分的最后一個數(shù)據(jù)位之后有一個校驗位。情況2：分開的字節(jié)，在一個數(shù)據(jù)字節(jié)內(nèi)分開，在第1部分的最后一個數(shù)據(jù)位之后不加校驗位。,SEL,NVB,UID0,UID1,,,標準幀，在第4個完整數(shù)據(jù)字節(jié)后分開,,防沖突幀，第1部分：PCD到PIC

13、C,,發(fā)送的第2位,發(fā)送的第1位,,,防沖突幀，第2部分：PICC到PCD,情況1：完整字節(jié)比特防沖突幀,SEL,NVB,UID0,UID1,,,標準幀，在第2個數(shù)據(jù)字節(jié)第5個數(shù)據(jù)位分開,,防沖突幀，第1部分：PCD到PICC,,發(fā)送的第2位,發(fā)送的第1位,,,防沖突幀，第2部分：PICC到PCD,情況2：分開字節(jié)比特防沖突幀,2. PICC 狀態(tài),（1）POWER OFF,PICC由于缺少載波能量而處于斷電狀態(tài)，也不發(fā)射副載波。,（

14、2）IDLE （休閑）狀態(tài),電磁場激活后延遲toRA時間，PICC進入IDLE狀態(tài)。,Q：何謂休眠狀態(tài)？,A：此時PICC加電，同時對已被調(diào)制的信號解調(diào)，并認識來自PCD的REQA和WAKE-UP命令。,（3）READY （就緒）狀態(tài),當收到一個有效的REQA或WAKE-UP命令，就進入READY狀態(tài)。當PICC的UID（唯一標識符）被PCD發(fā)來的Selection命令選中時，就退出本狀態(tài)。,（4）ACTIVE（激活）狀態(tài),當P

15、ICC的UID被PCD選中時就進入本狀態(tài)。 在激活狀態(tài)，完成本次應用的全部操作。,（5）HALT（停止）狀態(tài),PICC狀態(tài)圖（圖5.9）,REQA命令,防沖突循環(huán),Select 命令,HALT 命令,應 用,,Wake-up 命令,,,,,3. 命令集,－PCD 管理進入能量場的多張卡的命令,REQA WAKE-UPANTICOLLISIONSELECTHALT,（1）REQA命令和WAKE-UP命令,這兩條命令都是使卡

16、進入Ready狀態(tài)，差別是REQA命令從IDLE進入Ready狀態(tài)，而Wake-up從Halt進入Ready狀態(tài)。,PICC接收到REQA命令或WAKE-UP命令后，在PCD能量場范圍內(nèi)的所有PICC同步發(fā)出ATQA應答，長度為2字節(jié)。,“26”＝REAQ,0100110,1010010,“52”＝Wake-up,獲得REQA的 PICC發(fā)出ATQA，從IDLE進入READY； 獲得WAKE-UP的 PICC發(fā)出ATQA，

17、從HALT進入READY。,* REQA 與 WAKE-UP的區(qū)別,ATQA編碼表：表5.4。其中： UID（唯一標識符）。 UID（Unity Identification）,表5.4 ATQA的編碼,UID大小是可變的，由b8b7決定。,b8b7=00，UID=1；b8b7=01，UID=2；b8b7=10，UID=3；,PCD接收ATQA應答，PICC進入READY狀態(tài)，執(zhí)行防沖突循環(huán)操作。,－用于防沖突循環(huán)，組成如下：

18、,（2）ANTICOLLISION命令與SELECT命令,選擇代碼SEL（1字節(jié)）有效位數(shù)量NVB（1字節(jié)）由NVB指定的UID CLn（0～40位）,命令格式：,校驗位僅當UID的數(shù)據(jù)位為4字節(jié)時才有。,PCD發(fā)出防沖突命令的目的是想從PICC得到卡的UID CLn的一部分或全部，從而選出一張卡。,表5.5 UID的大小,表5.6 UID的結構,見教材 P 124,表5.7 SEL的編碼,SEL的編碼表見教材P 125

19、。,其中高4位代表字節(jié)數(shù)，低4位表示位數(shù)。SEL和NVB字節(jié)也包括在字節(jié)數(shù)內(nèi)。因此，最小字節(jié)數(shù)為2；最大字節(jié)數(shù)為7，此時NVB后面有40個數(shù)據(jù)為（表示UID CLn），表明是Select命令。,（3）HALD 命令,HALD 命令由4個字節(jié)組成：,4. 初始化和防沖突時序,PCD的初始化和防沖突流程（圖5.10）,以應答確認SAK為目標，SAK是由PICC發(fā)給PCD的，是對選擇命令的回答。SAK表示對被檢出的卡的所有UID位已經(jīng)核實

20、。,發(fā)送REQA,接收ATQA,選擇UID CL1,完成比特幀防沖突,專用幀和協(xié)議,CL+1,定義在ISO/IEC 14443－4中命令,,,,,,,,,,,,專用防沖突,比特幀防沖突,UID完整,UID不完整,PCD初始化和防沖突,SAK是一個標準幀，結構如下：,1字節(jié),2字節(jié),SAK的編碼：,PCD防沖突循環(huán)流程（圖5. 11） 以從沖突的PICC中找出與40位UID CLn匹配的卡為目標。見教材 P 127.,要求：

21、課堂看書，基本掌握流程。請見例題：,例題1：假設在PCD場中有2張PICC卡， 試說明初始化和防沖突過程。,已知： PICC＃1的UID 大?。?，UID0=“10” PICC＃2的UID 大?。?,約定：,PCD to PICC,,PICC to PCD,,（× × ×‥ ×）b,,發(fā)送的第1位（最低位）,比特幀防沖突選擇時序如圖所示，操作

22、分三階段：,（1）Request（PCD發(fā)送請求命令）,ATQA,,PICC #1,b1（10000000 00000000）b16,卡＃1采用比特防沖突，b8b7=00, ∴UID＝1,ATQA,,PICC #2,b1（10000010 00000000）b16,卡＃2采用比特防沖突，b8b7=01, ∴UID＝2,’26’,,,所有卡PICC應答ATQA,（2）Anticollision loop, cascade level

23、1（防沖突循環(huán)CL1）,,,PICC #1,b1（00001000 ）b8,∵UID＝1,PICC #2,b1（00010001 ）b8,∵ UID＝2,’93’,’20’,,,表5.6,,First collision at bitpoint ＃4,,’93’,’24’,,b1（0001 ）b4,（0001 ）,PICC #2,∴ coll＝4,SEL命令,’93’,’70’,b1（00010001 ）b8,,b1（× &

24、#215; 1 × × × × × ）b8 b3=1, UID不完整,只有卡2響應，故不沖突,,,,PCD發(fā)防沖突命令,,,（3）Anticollision loop, cascade level 2（防沖突循環(huán)CL2）,,’95’,’20’,,PICC #2,SEL命令,,b1（× × 0 × × × ×

25、 × ）b8 b3=0, UID 完整,’95’,’70’,現(xiàn)在已完整，從UID0～UID7,,“7”－最大字節(jié)數(shù)，表5.8,卡應答SAK，指出UID完整，從Ready狀態(tài)轉(zhuǎn)換到Active狀態(tài),5.4.3 Type B 的初始化和防沖突（自學）,1. 位、字節(jié)和幀格式,2. 幀格式,3. 防沖突序列,4. 命令集,,5.5 選擇應答和傳輸協(xié)議 （14443-4）,本節(jié)將繼續(xù)討論Ac

26、tive狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)換（從Active狀態(tài)轉(zhuǎn)換到HALT狀態(tài)）。,5.5.1 激活序列,分Type A 和Type B兩種情況。,1. 字節(jié)格式和幀格式,遵照ISO/IEC 14443 中為PICC Type A 和Type B定義的格式。,4. PICC Type A的激活過程,2. 位持續(xù)時間,用基本時間單元eut表示。1etu=128/D*fc,3. 等待時間：14443-3,激活順序,PCD檢查SAK字節(jié)；如果S

27、AK已根據(jù)UID選中了一張卡PICC；PCD將發(fā)送RATS；PICC發(fā)送ATS應答RATS。,PCD檢查到不支持該PICC ； 將置PICC于HALT狀態(tài)；PCD檢查到不支持該協(xié)議；將使用PPS將PICC轉(zhuǎn)到另一個協(xié)議。,情況1,情況2,PICC完成一次交易之后，將被置于HALT狀態(tài)。,從PCD角度觀察PICC Type A的激活順序。 見圖 P138。,5. PICC Type B的激活,自學,5.5.2 半雙工分

28、組傳輸協(xié)議 T=CL,定義了半雙工傳輸協(xié)議的結構，該協(xié)議用于 由PCD發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸。協(xié)議采用OSI參考模型的四層：,物理層交換字節(jié)遵循14443-3；數(shù)據(jù)鏈路層交換分組；會話層結合數(shù)據(jù)鏈路層；應用層處理命令，在任一方向至少交換一個分組或分組鏈。,1. 分組格式,分組格式,,開始字段信息字段結尾字段,（1）開始字段,該字段是必備的，最多由3個字節(jié)構成。,協(xié)議控制字節(jié)PCB （protocol contr

29、ol byte）（必備）；卡標識符CID（Card Identifier）（可選）；結點地址字段NAD （Nade Address）（可選）；,PCB 協(xié)議控制字節(jié)，包含三種基本分組類型,信息分組I-block：包含應用層所用的信息，還包含正、負的確認；接受準備分組R –block：包含正負的確認，與最后接收的分組有關；管理分組S –block：用于在PCD和P

30、ICC之間交換控制信息、INF字段是否存在有賴于它的控制；,PCB 的編碼,（1）I-block,b8b7 00（ I-block）b6 0 b5 更多數(shù)據(jù)位需傳送b4 后面有CID（b4=1）b3 后面有NAD（b3=1）b2 1？0b1 分組號,（2）R-block,b8b7 10（ R-b

31、lock）b6b5 00（無錯誤）、11（EDC，奇偶錯）b4 后面有CID（b4=1）b3 后面有NAD（b3=1）b2 1？0b1 分組號,（3）S-block,b8b7 11（ S-block）b6b5 00（HALT）、11（WTX）b4 后面有CID（b4=1）b3 后面

32、有NAD（b3=1）b2 1？0b1 0 S（‥request） 1 S（ ‥response）,CID 訪問指定的PICC （可選）,該PICC的標識符在卡激活時指定；CID的編碼：0000b4b3b2b1，其中 b4～b1 為標識符；PICC激活時固定不變；當PICC進入HALT狀

33、態(tài)時，CID失效。,NAD 結點地址（可選）,在PCD和PICC間建立邏輯連接；NAD的編碼：0 b7 b6 b5 0 b3 b2 b1 其中b7 b6 b5為目標結點地址、 b3 b2 b1為 源結點地址；,該字段包含發(fā)送分組的錯誤檢測碼EDC （Error Detection Code）， 規(guī)定使用循環(huán)冗余校驗碼CRC（Cyclic Redundancy che

34、ck）。,（2）信息字段,信息字段是可選的。如有INF，在I-block中，為應用數(shù)據(jù)； 在S-block中，為狀態(tài)數(shù)據(jù)；,（3）結束字段,（1）幀等待時間FWT（Frame waiting time）,2. 等待時間,FWT用以檢查錯誤或PICC無應答。,超過FWT，卡無應答，PCD收回發(fā)送權；PICC可用S-block請求擴展等待時間WTX；擴展后FWT為臨時值FWTt。,FWTt＝ F

35、WT×WTXM,其中WTXM為等待時間擴展倍增因子,（2）幀保護時間FGT,－接收分組與發(fā)送分組間的最小延遲。 見圖5. 22。,,,,,FGT<t<FWT,FGT<t,PCD發(fā)送,PICC發(fā)送,PCD發(fā)送,5.5.3 專用接口參數(shù),5.5.4 協(xié)議操作,參見教材 P 144,在激活之后，PCD獲得發(fā)送權。無論PCD或PICC在發(fā)送一分組后，將處于接收方式。當PCD或PICC接收一分組或

36、FWT超時，將獲得發(fā)送權。,I-block包含一分組號（1位），起始值對PCD為0，對PICC為1。如確認已接收到一個I-block或一個R-block，分組號將改變。PCD檢查每一次接收到的I-block或R-block的號碼，假如該block的號碼與期望號不相等，則重發(fā)最后一個分組。PICC不必檢查所接收的分組號碼，在發(fā)送后面的block，指出有錯的R-block帶有下一個期望的分組號。,5.5.5 多卡激活,多卡激活過程（

37、表5.10）,PCD在激活狀態(tài)可同時處理幾張卡，可直接在幾張卡之間接通而不需為解除當前已激活的卡和激活新卡多花時間。 在關閉場之前，所有激活的卡都應處于HALT狀態(tài)。,說明：,1、鏈接,鏈接功能允許PCD或PICC發(fā)送的信息長度比FSD或FSC規(guī)定的最大分組長度還要長。如FCD或FICC要發(fā)送的信息長度長于1個分組的最大值，將信息分成幾組。每組長度各自等于FSD或FSC，并利用鏈接功能。I-block PCB中的M＝1

38、時，將被R-block確認。,M=1 在以后分組中有鏈接數(shù)據(jù)。M＝0 鏈的最后一個分組。I（M）x 分組號為x的R-block表示確認 （無錯誤）。,例：發(fā)送數(shù)據(jù)012345‥F，分組鏈接如 下：,,發(fā)送（‥）,,,,,,,,,,,,,,,,,,接收（‥）,I（1）0,I（1）1,I（0）0,R（ACK）0,R（ACK）1,2、解除激活序列,當PCD與PICC之間的交易完成后，PICC應處于HALT狀態(tài)。

39、PCD將發(fā)送S（HALT請求）block將PICC置于HALT狀態(tài)。PICC發(fā)送S（HALT應答）后，并且PCD從PICC接到一個有效S（HALT應答）后，PICC進入HALT狀態(tài)，并釋放CID。,3、無差錯操作協(xié)議規(guī)則,規(guī)則1 PCD發(fā)送第一個分組 。規(guī)則2 接收器應該確認發(fā)送器發(fā)送的I-block，確認可由I-block或R-block表示，如果有鏈接，接收器應轉(zhuǎn)為發(fā)送器。規(guī)則3 S-block成對使用，S