首先感谢各位兄弟姐妹们的耐心等待。根据今天得到的消息，本书预计在下周各大网店提供预订。注意，此处连载的是未经出版社编辑的原始稿件，所以样子会有些非专业。

注意，如下是本章目录，本文节选8.1~8.2.2.2，8.3.2.1和8.5

为了方便读者深入学习，本系列连载都会将作者研究过

程中所学习的参考文献列出来

第8章  深入理解NFC

本章主要内容：

• 介绍NFC基础知识；
• 介绍Android中NFC实现。

8.1  概述

NFC，全称是Near Field Communication，中译为近场通信，也叫做近距离无线通信技术。该技术最早由Philips和Sony两家公司于2002年末联合推出。2004年，Nokia、Philips、Sony等公司还共同组建了一个名为NFC Forum的非盈利性组织来推广和发展NFC技术。NFC Forum的职责和Wi-Fi Alliance类似，它制定NFC相关的技术标准，同时还通过NFC认证测试[1]来保证各厂家的NFC产品符合NFC规范。

从原理上说，NFC和Wi-Fi类似，二者都利用无线射频技术来实现设备之间的通信。不过，和Wi-Fi相比，NFC的工作频率为13.56MHz，有效距离为4cm左右，目前所支持的数据传输速率有106Kbps、212Kbps和424Kbps三种。

NFC技术从创建到现在已超过10年，在技术层面上已相当完善。但NFC至今未能像Wi-Fi一样被普及，其中一个重要原因就是大众消费者没有一个合适的载体来使用它。显然，随着越来越多携带NFC功能的Android智能终端的出现，NFC这种有价无市的状况有望很快得以改善。

本章将从以下几个方面来介绍NFC以及它在Android平台中的实现：

• 首先将介绍NFC基础知识，它是本章的核心内容。相比Wi-Fi而言，本章介绍的NFC理论知识相对比较简单。相信读者能轻松掌握它们。
• 然后将介绍Android平台中NFC实现，这部分内容包括NFC客户端示例以及NFC系统模块。
• 最后将探讨目前一些开源NFC相关模块的实现情况。

先来看NFC基础知识。

8.2  基础知识介绍

简而言之，NFC是从多种不同技术基础上综合发展而来，图8-1[2]展示了NFC技术的演化历程。

8.2.1  概述

图8-1  NFC技术演化历程

通过图8-1所示的NFC技术演化历程可知，NFC融合了三条主要的技术发展路线[2]：

• 最左边一条为RFID技术路线，即无线射频识别技术。该技术路线发源于条形码（Barcodes），然后发展出了RFID，最终出现了NFC中的两个重要组件NFC Tag（标签）和NFC Reader。NFC Tag的作用和Barcodes类似，它是一种用于存储数据的被动式（Passive）RFID Tag，其最重要的特征就是NFC Tag自身不包含电源组件，所以它工作时必须依靠其他设备（比如NFC Reader）通过电磁感应的方式向其输送电能。和NFC Tag相对应的组件是NFC Reader，它首先通过电磁感应向NFC Tag输送电能使其工作，然后再根据相关的无线射频通信协议来存取NFC Tag上的数据。
• 最右边一条为磁条卡（Magnetic Strip Cards）技术路线，该路线最终演化出了NFC使用的Proximity Coupling Smart Card（有效距离在10cm之内，对应的规范为ISO/IEC 14443。注意，图8-1中的Close Coupling Smart Card的有效距离为1cm之内，对应的规范为ISO/IEC 10536。Vicinity Coupling Smart Card的有效距离为1m之内，对应的规范为ISO/IEC 15693）技术。粗看上去Smart Card和RFID Tag类似，例如二者都只存储一些数据，而且自身都没有电源组件，但Smart Card在安全性上的要求远比RFID Tag严格。另外，Smart Card上还能运行一些小的嵌入式系统（如Java Card OS）或者应用程序（Applets）以完成更为复杂的工作。
• 中间一条技术路线为移动终端，它演化出了携带NFC功能的终端设备。随着移动终端越来越智能，NFC和这些设备也融合得更加紧密，使得NFC的应用场景得到了较大的拓展。本书第六章在介绍Wi-Fi Simple Configuration时（第6章6.1“概述”一节）曾介绍过一个例子，即智能手机可通过NFC来和AP交换安全配置信息。一个与之类似的例子是NFC Connection Handover技术，它描述了两台智能终端如何通过NFC相关协议来选择合适的数据传输方式（例如是Bluetooth还是Wi-Fi。受限于传输速率以及有效距离，NFC本身不适合大数据量传输）。

了解NFC技术的演化历程之后，我们来看看NFC现在的样子。图8-2所示为NFC技术框架[3]：

图8-2  NFC技术框架

由图8-2可知：

• 从用户角度（即图中的Applications层之上）来看，NFC有三种运行模式（operation mode），分别是Reader/Write模式（简称R/W，和NFC Tag/NFC Reader相关）、Peer-to-Peer模式（简称P2P，它支持两个NFC设备交互）以及NFC Card Emulation Mode（简称CE，它能把携带NFC功能的设备模拟成Smart Card，这样就能实现诸如手机支付、门禁卡之类的功能）。
• Application之下的三个箭头描述了三种运行模式所使用的协议栈。这部分内容将留待下文再分析。
• NFC使用的是无线射频技术。在RF层，与之相关的规范是ISO 18092（NFC Interface and Protocol I，简称NFCIP-1，该规范定义了NFC RF层的工作流程）和ISO 14443 Type A，Type B和Felica。ISO 14443全称为非接触式IC卡标准，它从RF层面定义了如何与不同的非接触式IC卡（其实物可以是NFC Tag、RFID Tag、Smart Cards）交互。ISO 14443定义了Type A和Type B两种非接触式IC卡。其中，Type A最早由Philips公司制订（其生产的芯片商标名为MIFARE，现在由从Philips独立出来的NXP公司拥有，目前世界上70%左右的非接触式IC卡都使用了MIFARE芯片，例如北京市的公交卡），Type B（主要用在法国市场）由其他公司制订，二者最终都成为ISO标准。Felica（也被称为Type F）由Sony开发，它最终没有成为ISO标准，而是成为日本工业标准JIS X6319-4，所以Felica主要用于日本市场。Type A、B和F主要区别在于RF层的信号调制解调方法、传输速率及数据编码方式上。关于ISO 14443和Felica之间的区别，请读者阅读参考资料[4]。
• RF层之上是Mode Switch，它用于确定对端NFC Device的类型并选择合适的RF层协议与之通信。

由于NFC是从多种技术综合发展而来，所以读者在学习NFC时将会碰到很多规范，如上文所提到的ISO 18092以及ISO 14443、Felica等。除了ISO等标准组织制订的规范外，NFC Forum也制订了一系列的标准和规范。

图8-3所示为与NFC技术框架相对应的NFC Forum所定义的规范框架[3]。

图8-3  NFC Forum规范框架

由图8-3所示的NFC Forum规范框架可知：

• NFC Forum本身只定义了P2P模式和R/W模式相关的规范。规范的细节将留待下文再详细介绍。CE模式比较复杂，下文也会讨论和它相关的一些知识。
• 在RF层，NFC Forum定义了三个主要规范，即Analog Specifications（该规范描述了NFC设备RF层的电气特性）、Digital Protocal Specification（该规范在ISO 18092、ISO 14443及JIS X6319-4之上定义了NFC设备之间的数字通信协议，它使得基于不同底层协议例如Type A或Type F的NFC设备之间或者NFC设备与其他使用ISO 18092等规范的设备之间能够交互）和NFC Activities Specification（该规范为各运行模式对应的协议栈提供支持，例如P2P模式下两个NFC设备如何建立链接，R/W模式下NFC Device如何操作NFC Tag）。
• 图8-3最上层所示的Reference Applications表示NFC Forum在应用层面所定义的一些规范。目前有两个规范，一个是Connection Handover（两个NFC设备通过它来协商用蓝牙或Wi-Fi来开展后续的数据传输工作），另一个是Personal Health Device Commnuication（该规范定义了如何利用NFC技术在个人健康设备之间交换数据信息）。

另外，除了图8-3所示的规范外，NFC还制订了一个名为NFC Controller Interface(简写为NCI)的规范，该规范制订了一套交互接口，使得主机设备（Device Host，以手机为例，NFC芯片被集成到某个手机中，那么手机就是Device Host）能够使用这套接口来和NFC芯片交互。

下面，我们将先讨论NFC三种运行模式，而NCI相关知识将留待本节最后再来介绍。

8.2.3  运行模式介绍

以支持NFC功能的智能终端为例，NFC R/W运行模式所包含的组件如图8-4[6]所示：

图8-4  R/W运行模式组件

图8-4展示了一个包含NFC芯片的智能终端与NFC Tag交互所涉及到的组件，其中：

• 先看最左边的智能终端，它扮演NFC Reader角色。位于其内部的NFC芯片包含NFC Controller（NFC控制器，它可和Device Host或Secure Element安全单元交互）、Antenna（天线）和Contactless Front-End（非接触式前端，简称CLF，负责射频信号的调制解调等工作）三个部分。注意，图中所示的SWP等内容将留待8.2.4节再介绍。
• 在R/W模式中，交互操作的发起方只能是NFC Reader，故它也被称为Initiator或Active Device。
• 再来看最右边的NFC Tag，由于它需要NFC Reader通过电磁感应为其提供电能，所以在R/W模式中，NFC Tag只能作为交互操作的Target（也被称为Passive Device）。NFC Forum定义了四种类型的Tag，分别为Type 1、Type 2、Type 3和Type 4。这四种类型NFC Tag的区别在于存储空间大小，数据传输率以及底层使用的协议上。下文的表8-1列举了它们的不同点。
• NFC Forum定义了两个通用的数据结构用于在NFC Device之间（包括R/W模式中的NFC Reader和NFC Tag）传递数据。这两个通用数据结构分别是NFC Data Exchange Format（简写为NDEF）以及NFC Record。

我们先来看NFC 4种不同Type的Tag有何区别，如表8-1[7]所示：

表8-1  NFC Tag Type说明

这里需要特别指出的一点是：虽然NFC Froum只有四种Type的Tag，但由于NFC本身源自RFID技术，二者在一些底层协议上也相互兼容，所以很多RFID Tag也能被NFC Reader识别和操作。为了书写方便，除非特别说明，本章所指的NFC Tag也包括那些和NFC相关规范兼容的RFID Tag。

虽然NFC Tag有四种不同类型（由上文可知，实际上能被NFC Reader读写的RFID Tag还远不止四种），但为了保证最大得兼容性，NFC Forum建议NFC设备之间尽量使用通用数据结构NDEF和NFC Record来交换信息。

NFC R/W模式涉及到的规范比较多，包括：

• NFC Reader如何与不同Type的Tag交互，这部分内容涉及到非常底层的一些协议。
• NDEF和一些常用数据类型定义。

出于篇幅和实用性考虑，笔者拟仅介绍NDEF和相关的数据类型，感兴趣的读者可自行研究NFC Reader和Tag之间的交互协议。

1 NDEF和NFC Record介绍

（1）  NDEF和NFC Record[8][9]

根据NFC Forum的定义，R/W模式下，NFC设备之间每一次交互的数据都会封装在一个NDEF Message中，而一个NDEF Message可以包含多个NFC Record，真正的数据则封装在NFC Record中。图8-5展示了NDEF Message和NFC Record之间的关系。

图8-5  NDEF Message和NFC Record的关系

由图8-5可知：

• 一个NDEF Message可包含一个或多个NFC Record。
• 在一个NDEF Message中，第一个NFC Record需设置其MB位（Message Begin）为1，表示它是该消息中第一个NFC Record，最后一个NFC Record需设置ME位（Message End）位为1，表示它是此消息中最后一个NFC Record。

NFC Record本身的组织结构则如图8-6所示：

图8-6  NFC Record组织结构

由图8-6可知：

• NFC Record分为NFC Record Header（头部信息）和Payload（数据载荷）两大部分。
• Record Header中最重要的是其第一个字节。该字节有6个标志信息，它们分别是MB（Message Begin标志）、ME（Message End标志）、CF（Chunk Flag标志，表示该Record是否为分片Record）、SR（Short Record标志。如果该标志被设置，则图8-6中的4个PayLoad Length字段仅需一个，这表明PayLoad数据长度将限制在255个字节以内）、IL（ID_LENGTH标志，它用于指明Header中是否包含ID Length和ID这两个字段）、TNF（Type Name Format标志，用于指明PayLoad的类型，NFC Forum定义了一些常用的PayLoad类型，详情见下文分析）。
• Type Length指明Record Header中Type字段的长度。
• PayLoad Length 3到PayLoad Length 0这4个字段共同指明PayLoad字段的长度。如果SR标志被设置，则Record Header仅包含一个PayLoad Length字段。
• ID Length指明ID字段的长度。如图IL标志未设置，则ID Length和ID字段都不存在。
• Type字段表明PayLoad的类型，NFC Forum定义了诸如URI、MIME等类型的Type，其目的是为了方便不同的应用来处理不同Type的数据，例如URI类型的数据就交给浏览器来处理。
• ID：ID需要配合URI类型的PayLoad一起使用，它使得一个NFC Record能通过ID来指向另外一个NFC Record。

NFC Record中，常令初学者感到困惑的是TNF字段，其作用是什么？来看下文。