基于NFC的手机支付的研究与应用

摘要
NFC技术的出现得益于现代通信技术的不断发展。在现代通信领域，移动终端-手机使用非常的广泛且功能非常强大，手机支付就是这些强大功能中的一个。NFC技术的出现使得人们可以通过可视化、触控式的方式实现信息互换的目的从而实现支付功能。
NFC手机支付不仅需要硬件平台的支撑，而且需要功能丰富、稳定的操作系统的支持。硬件平台以成熟的手机平台和基于磁场感应的短距无线通信技术-近场通信技术为基础。软件方面则是基于成熟的谷歌Android操作系统平台。NFC手机支付实现的关键就是在Google公司的Android平台上开发出界面友好、方便、快捷且便于移植的应用软件。安全性方面需要借助基于WPKI的加密软件实现。
客户和服务器模型是NFC手机支付采用的框架。为了方便支付且考虑成本，服务器采用单端模式，客户端为多端，多客户与服务器采用握手协议通信。手机支付流程分两步：一是服务器完成客户的密码核实的请求；二是客户的再确认。基于NFC的手机支付平台的开发与软件测试同步进行，从而减少了后期修复的成本，实现了平台的设计要求。在应用方面，基于NFC的手机支付可谓五花八门，主要是付款和购票。

关键词 手机支付；NFC；Android；WKPI；应用

第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 研究背景
最经，NFC技术可谓炙手可热。包括手机生产商、电信运营商、金融机构和软件开发商都参与其中。根据瑞典的调查机构对全球的移动设备（包括平板电脑）的销量调查，2013年度，搭载NFC软硬件的手机的出货量将从3000万部增长到1亿部[1]。到2016年，全球NFC手机将增长到7亿部。如图1-1所示。
图1-1 NFC手机销量图
Figure 1-1 NFC phone sales chart
移动支付前景广阔，相关调查显示，2013年移动支付市场规模预计超过8000亿元，达到2012年规模的5倍以上。移动支付市场的潜力正在逐步释放，吸引了各方力量的关注。而各大银行、运营商、手机开发商的合作在移动支付大好的背景下，相推出的新业务“手机钱包”自然也便备受瞩目。近日，中国联通与中国光大银行也在去年12月的“手机支付”业务推广会后，再度联合在广东市场推出新业务“沃支付手机钱包”，简称手机钱包，即通过手机实现在POS机上的近场支付及互联网支付交易，目标直指市场占有率第一的位置。
NFC手机支付需要强大的软件的支持。Android系统是Google于2007年11月5日宣布的基于Linux平台的开源手机操作系统的名称，该平台由操作系统、中间件、用户界面和应用软件组成，号称是首个为移动终端打造的真正开放和完整的移动软件。Android系统的优势在于其基于Linux+Java的模式，是开源系统。它开放的开发空间和模式，允许开发者定制自由化的差异性软件，降低了软件的开发成本。作为开源软件，Android平台允许不同厂商自主加入其NFC技术是Android系统的另一个优点。
1.1.2 研究意义
基于NFC手机支付的实现旨在模拟实际手机支付场景。“Point-to-end”支付模式是嵌于智能手机的NFC硬件模块与Android系统相结合所实现的。NFC由于其物理特性，决定了只能在近距离的应用场合，比如电子票证、电子支付等应用。电子票证只需要在被动的识别中，而手机支付则从支付和识别两个角度应用，从而更多地体现出了NFC的优势。在NFC现场支付中，SIM卡成为一栋“智能大厦”，除原有电信功能外，开放更多“房间”给社会第三方应用，而NFC手机则实现与POS机交互，并提供客户端界面管理SIM卡。运营商通过打造基于NFC手机SIM卡的开放平台，向合作伙伴开放SIM卡空间，实现将日常生活中使用的各种卡片应用（如银行卡、公交卡、校园/企业一卡通、会员卡等）装载在具有NFC功能的手机中，客户随时随地刷手机消费，实现手机变钱包的功能。
到目前为止，NFC技术已经在为很多行业提供原料跟踪、产品识别、物流供应、批发零售、防伪认证和设备控制等服务，有效提升了企业的价值链水平[2]。NFC还被应用于交通管理、小额消费、身份识别等众多领域，并带来良好的社会、经济效益。
1.2 国内外的研究现状
1.2.1 国外研究现状
在日本，NTT DoCoMo最早提出“手机钱包”概念，用手机逐步替代人们在钱包中放置的所有物品，即现钞、银行卡、会员卡、积分卡、钥匙、车船飞机票、影剧和旅游景点门票以及证件等等。2004年7月，NTT DoCoMo推出基于非接触式IC卡式手机钱包业务，一年多时间发展用户1000多万人，签约商户28000家，自动售货机6000多台[3]。另外两家移动运营商KDDI和沃达丰也在积极拓展非接触式手机钱包业务。2007年，NTT DoCoMo公司联合麦当劳推出“手机付费麦当劳”业务。在韩国，每月超过30万人选购能储存银行交易资料并进行交易信息加密的手机，70%的数字商品都是用手机方式付费的，交易额超过10亿美元。2006年，飞利浦半导体和SKT在首尔展开为期6个月的世界最大规模的NFC现场测试。400名由SKT公司员工和参观者组成了测试群体。2007年初，SK电讯和威士公司推出采用空中下载技术的业界第一个非接触式支付应用。在初始阶段，该合作使SK电讯3万左右的3G用户通过LG提供的WCDMA终端在1500个商场和零售店购买商品和服务。2007年10月，KTF、LG电子和三星电子联合在韩国进行端到端的试验，NFC价值链上的其他一些关键角色也参与了该试验，包括银行、信用卡公司、商场、通用集成电路卡(UICC)制造商等。
在美国，试验了通过 Nokia的NFC手机(3220)从球场内具有特殊标记的“智能海报” 处下载新闻，图片，视频。可以用手机对准RFID支付终端来购物并进行电子交易。汇丰银行信用卡服务与MasterCard和ViVOtech合作，在美国推出为期6个月的测试，利用NFC手机触发非接触式信用卡购物。在纽约、芝加哥和美国其他几个大型城市采用空中下载技术将银行信用卡中的数据资料安全的转入手机。在芬兰，2006年Oulu城市公交公司和运输设备供应商Buscom公司合作，由Buscom公司的员工在Oulu市的公交车上利用手机付费。2007年9月3号在Oulu市中心启动NFC手机停车支付试点，参与者将SmartTouch标签贴在汽车的挡风玻璃处。手机采用Nokia 6131 模块，内含一个NFC RFID模块。Oulu在市中心附近区域的街灯岗、停车计时器和车库大门上安装了大约400个RFID标签。在法国，ORANGE电信与SAGEM合作，推出机卡分离模式NFC手机，目前已开始试商用，包括巴黎地铁项目、万事达Paypass项目。2007年6月，Orange宣布将于2008年初在法国波尔多联合数个合作伙伴推出基于NFC的移动非接触式业务，包括广告业务提供商ClearChannel、公共交通服务提供商Veolia和金融服务提供商LaSer。
1.2.2 国内研究现状
2006年6月，诺基亚、厦门移动、厦门易通卡公司、飞利浦公司共同在厦门启动中国首个近距离通信（NFC）手机支付现场试验。使用具备NFC功能的诺基亚3220手机实现了厦门市任何一个厦门易通卡覆盖的公交汽车、轮渡、餐厅、电影院、便利店等营业网点的手机支付。2007年3月13日，诺基亚成功完成中国第一例NFC移动验证解决方案试点，应用于上海地区的烟花爆竹管理工作。2007年8月，诺基亚宣布其手机支付正式在中国投入商用，广州、厦门和北京是三个率先启用的城市。用户能够直接在手机上进行余额查询，还可以通过银行账户进行充值，随时读取交易记录，并浏览手机内的WAP站点，查询商户范围和商品信息，对手机支付过程进行加密等[4]。2007年6月26日，中国移动重庆公司联合重庆市商业银行、结行移动商务有限公司推出“长江掌中行”手机钱包业务。计划先后推出标准外观银行卡、手机钱包卡和基于SIM卡的手机钱包三种形式，目前已有重百超市、中百仓储超市等30余家餐饮、超市商家率先开通了长江掌中卡服务。2007年9月19日，“中国信托”、VISA、诺基亚、“中华电信”联合宣布将率先提供NFC信用卡手机支付商用服务，这也被业界看作是一次“移动通信结合金融消费迈向商用化应用的指标性与示范性合作”。
在银行机构和运行商方面，2008年1月9日，由中国银联牵头，工商银行、中国银行、交通银行、兴业银行、深圳发展银行等五家银行参与，通过NFC技术的诺基亚6131i手机实现手机银行卡非接触支付试点项目。持卡人可使用这款内置有银行卡的NFC手机在陆家嘴、五角场、四川北路等上海核心商业区商铺，如殴尚超市、八佰伴等的消费终端上实现基于NFC技术的非接触银行卡支付。中国联通重庆分公司和渝城一卡通于2008年12月底推出基于握奇SIMPASS和长虹手机的“渝城通付宝”业务；中国联通在2008年北京通信展上推出了基于双界面和基于UICC SWP协议的手机支付功能演示，引起了参会观众的浓厚兴趣。
1.3 本文研究的主要内容
首先，本文阐述了基于NFC的手机支付的研究背景、研究意义以及研究的现状。其次分析了NFC手机支付的理论知识，对比了传统手机支付方式与新型的手机支付方式，发现了现在支付方式中存在的问题并通过WPKI技术解决了安全问题。再次是实现了基于NFC的手机支付方案。最后列举了多样的手机支付，阐述了票务和付款应用。
1.4 本文的结构安排
第1章是主要阐述了NFC手机支付的研究意义和研究背景。通信技术的发展将使得支付方式更加快捷。NFC技术已经在为很多行业提供服务，有效提升了企业的价值链水平。就商家而言，手机支付会降低成本提高效率。就用户而言，手机支付为人们提供更快捷和便利的生活。
第2章是NFC手机支付原理论述部分。介绍了Android NFC手机支付的实现原理，说明了NFC技术的种种优势。解决了第4章中的手机支付项目的技术问题。
第3章是NFC手机支付的分析和改进。对比了传统手机支付方式与新型的手机支付方式，发现了现在支付方式中存在的问题并通过改进的WPKI技术解决了安全问题。
第4章是X公司的NFC手机支付项目的实现。具体描述如何实现NFC手机支付，设计它的实现过程，我们首先要设计总体方案，其中有设计的目标，手机支付界面设计实现，手机支付通信（客户端与服务器端），最后讨论了在Android系统中NFC的分布与使用。
第5章介绍了NFC手机支付的应用。阐述NFC技术在日常生活中的使用，总结了NFC在电子商务和娱乐中的角色。在国内，移动、联通等运营商和银联的推动使得NFC有了施展的机会。在不远的将来，NFC将在电子票务和消费领域应用的更加广泛。
最后，总结了本课题的研究工作，指出了需要进一步改进的地方，并做了进一步的研究设想。

第2章 Android NFC手机支付理论基础
2.1 NFC硬件平台
2.1.1 NFC支付概念
NFC即近场通讯功能，NFC是Near Field Communication的缩写，即近距离无线通讯技术。由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC 和智能控件工具间进行近距离无线通信。
NFC是近年来在手机上应用较多的技术，主要是两个NFC设备之间，在相当近的距离内靠近时，互相交互信息，并完成对应的交易等功能。NFC最大的特点是将阅读器和应答器整合到同一个芯片中。NFC是RFID的一个子集，区别是在一些设计现金支付、信用卡的应用中，RFID的通信距离情况下，其他设备也可以收到个人RFID信息，存在不安全因素；这就是NFC提出的原因。

结论
本课题建立于现有研究的基础之上，通过学习和研究NFC通信原理、体系架构、以及在日常生活中的应用，并基于Google公司的Android系统实现了一种NFC的设计方案，方案实现了基于客户和服务器模型的安全支付方法。
基于NFC的手机支付给出了Android系统手机工程应用实例，重点分析了NFC支付的工作原理以及关键技术的解决途径。
经历了一年多的努力，终于完成了手机支付系统的开发。该系统在充分理解X公司对手机支付的需求上，已经成功地进行了测试，并在X公司完成与服务器联试，实践证明该系统的成功满足了X公司的需求和技术要求。目前，系统运行稳定，使用效果良好。
在一年多的研究工作中，经过对项目全方位地接触，深入地了解，认真地研究，到最终研究成果的实现，处处都让我体会到了“学无止境”的真谛。整个开发过程，让我真切地体验了系统的开发过程与方法和软件工程的实施步骤；基本掌握了软件编程的技术；对软件的架构有了崭新的认识和深刻理解；规范了软件设计过程和代码编写格式；丰富了项目开发的的相关管理知识；社会经验和团队协作能力也得到了很大的提高。
本课题的研究成果主要体现在以下几个方面：
（1）研究了NFC芯片的体系架构、组成原理和工作性能等指标，通过数据说明了NFC技术的种种优势。
（2）对比了传统手机支付方式与新型的手机支付方式，发现了现在支付方式中存在的问题并通过改进的WPKI技术解决了安全问题。
（3）探讨了NFC手机支付项目的具体实现，描述了主要的系统原理，估计了软件工作量。进行了软件概要设计、软件详细流程设计等可靠性工程工作。对产品测试进行了分析，提出了测试方案。
（4）本文的最后总结了NFC手机支付在日常生活中的应用，特别是在电子商务和娱乐中扮演的角色。预测了NFC手机支付在国内的的可用性。
本文按照预订计划完成了课题研究要求，但是由于实验环境和条件的限制，加之作者的水平有限，在很多方面还存在着不少的问题，下面就针对一些实际存在的问题提出进一步的设想和展望。
由于实验设备和环境条件的限制，再加之本文作者水平所限，本课题还存在着一些问题，对于实际的问题提出进一步的展望是必要的。
（1）NFC手机硬件平台系统在不同的支付界面时存在微秒级的抖动，这一现象虽不影响使用，但其背后的原因有待探索；对于软件如何有效地控制硬件系统的时间精度还有待进一步的研究。
（2）支付系统的人机界面还需要更加易用，更加友好，这也是客户提出的改进建议。