圖文詳解:利用BLE和NFC實現(xiàn)安全互連與配對

　　藍牙低功耗（BLE）技術(shù)透過支援超低功耗作業(yè)的無線應(yīng)用，為設(shè)計者創(chuàng)造了許多全新的應(yīng)用機會，特別是結(jié)合近場通訊（NFC）技術(shù)的諸多優(yōu)勢。

　　目前有兩個應(yīng)用領(lǐng)域引起市場越來越濃厚的興趣——安全的頻外（OoB）配對，以及基于BLE物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)概念的近場應(yīng)用。本文將針對這兩個領(lǐng)域進行探討，同時思考如何利用最新的半導(dǎo)體技術(shù)和支援工具簡化這兩個領(lǐng)域應(yīng)用的建置。

　　藍牙低功耗技術(shù)&近場通訊

　　藍牙低功耗（BLE）技術(shù)是專為IoT開發(fā)的節(jié)能、友善應(yīng)用版藍牙技術(shù)。藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）改善其低功耗技術(shù)，于2014年12月發(fā)布了BT 4.2版，新增特點包括增強的資料加密性、支援網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定（IP）以及較4.1版更快的速度。功能進一步增強的Bluetooth 5預(yù)計也將在2016年底推出。

　　傳統(tǒng)藍牙的優(yōu)點在于通訊范圍、普遍性和低建置成本。BLE明顯提供了更低的功耗，對于主導(dǎo)IoT并以鈕扣電池供電的行動和穿戴式平臺而言，這無疑是非常理想的解決方案。

　　諸如智慧型手機等現(xiàn)代裝置均已采用BLE技術(shù)作為標準配備。此外，也逐漸加入了NFC技術(shù)。NFC的應(yīng)用領(lǐng)域包括支付、門禁，以及攸關(guān)安全而采用藍牙通訊可能會被第三方惡意攔截的領(lǐng)域，這就是所謂的“中間人”（Man in the middle，MITM）現(xiàn)象。

　　NFC提供了與藍牙非常不同的無線通訊途徑。首先，NFC涉及的距離最多為100mm。其次，可進行傳輸?shù)馁Y料量和類型有限且受到高度控制，具體取決于所嵌入的NFC安全方案。相形之下，藍牙可以傳輸距離達100m范圍內(nèi)的各種資料類型。

　　OoB提供安全配對

　　結(jié)合NFC的安全性以及藍牙的開放式通訊，將帶來實質(zhì)的好處。藍牙采用AES-128加密，能有效地防止竊聽或解密所截獲的封包。然而，利用NFC改善配對等活動，將同時提高安全性和使用便利性。

　　由于NFC要求裝置處于接近的位置，因而避免了MITM的問題，以及防止未經(jīng)用戶認可或允許的裝置連接。其具體方法是傳送用于配對資訊的安全金鑰，即所謂的OoB配對，而且只在有限的NFC范圍內(nèi)進行。NFC配對簡單且直接，通常只需將兩個裝置短暫接觸即可完成。

　　NFC標簽降低IoT功耗

　　例如，每隔幾周或幾個月進行人工讀取的智慧電表。電表的連接電路可能保持完全斷電狀態(tài)，直到操作人員將NFC讀取器或啟用NFC的行動裝置靠近‘標簽’時才通電。喚醒電表的初始能量由NFC天線提供，意即BLE裝置可能一直處于深度睡眠模式，以確保盡可能降至最低功耗，因為在無需長時間操作的情況下，BLE IoT節(jié)點并不會檢查通訊請求‘廣播’。而當建立讀取裝置的可信度后，便可使用BLE建立連接。

　　OoB配對實作

　　雖然，這個操作過程給人的第一個感覺是可能很復(fù)雜，但事實上，配對和通訊相當簡單直觀。而且，NFC和藍牙都各自“發(fā)揮其優(yōu)勢”。

　　首先，行動裝置放在靠近NFC裝置附近，例如，將智慧型手機或平板電腦輕觸一下支付終端或印表機（如果是在辦公環(huán)境中）。舉例來說，在配備東芝（Toshiba） TC35670 BLE + NFC標簽晶片的裝置中，由行動裝置中NFC天線而來的電能將‘喚醒’固定裝置，并透過NFC安全地傳送其藍牙認證。

　　當行動裝置偵測到周圍出現(xiàn)固定裝置時，即透過NFC發(fā)出配對請求。使用者就不必檢查并輸入數(shù)字串以確認配對中的裝置是否正確。這種安全傳輸機制防止安全密鑰被‘中間人’不經(jīng)意或惡意地攔截。

　　配對完成后，兩個裝置就可以開始進行AES-128加密的安全藍牙通訊，以實現(xiàn)資料的傳輸。行動終端可能會根據(jù)NFC資料內(nèi)容啟用應(yīng)用程式。

　　*圖1：結(jié)合BLE和NFC的設(shè)計，采用了東芝TC35670 BLC+NFC標簽晶片、藍牙和NFC天線 *

　　新的衍變應(yīng)用：Beacon

　　使用NFC的近場偵測功能，然后透過BLE安全地傳輸資訊，可以衍生出全新的應(yīng)用，其中之一就是信標（Beacon）。Beacon具有極低功率、低復(fù)雜度，而且能為近場裝置（以及使用者）提供簡單的資料。Beacon可用于推廣、導(dǎo)航、建筑物管理和資產(chǎn)管理等眾多室內(nèi)應(yīng)用領(lǐng)域。當Beacon完成定位后，附近的應(yīng)用程式（App）使用者在開啟該App時將從發(fā)送的微定位通知獲益。

　　圖2：Beacon可實現(xiàn)定位行銷以及許多其它有價值的商業(yè)用途

　　一般而言，Beacon是極低功率的裝置，通常由小型的鈕扣電池供電，且必須能連續(xù)使用數(shù)周、數(shù)月甚至是數(shù)年的時間。在零售店內(nèi)，客戶可經(jīng)由App選擇特定商品并取得引導(dǎo)而直接找到商品，或者是向客戶推送店中的特價商品。在雜貨店內(nèi)，Beacon可指引客戶以最有效率的方式獲取清單上的物品。而在商業(yè)環(huán)境中，配備Beacon的資產(chǎn)可以輕松進行追蹤或定位，從而實現(xiàn)安全高效率的作業(yè)和維護。

　　Beacon應(yīng)用幾乎是無限制的。行銷團隊每天都夢想著開發(fā)出使用這種技術(shù)的新方法。例如，在體育場或大型劇院中，Beacon可以引導(dǎo)消費者找到座位或場館內(nèi)的任何位置。潛在的應(yīng)用還包括支援銷售服務(wù)，例如提供相關(guān)的商品和促銷推廣活動，以及協(xié)助購買商品的退稅流程等。

　　BLE和NFC提供了新應(yīng)用的可能性。Beacon通常是簡單發(fā)布URL或位置等資訊的單向裝置。然而，另一種應(yīng)用場景可以是透過BLE空中更新Beacon的軟體和內(nèi)容、透過NFC配對機制進行觸發(fā)和保護。透過NFC標簽連接至Beacon的步驟比透過藍牙配對更簡單，同時，由于得以阻擋安全資訊被截取，而使其更具潛在安全性。

　　Beacon技術(shù)的發(fā)展與落實

　　正如大多數(shù)的新興技術(shù)一樣，快速向市場提供功能硬體和軟體的競賽也正展開中，其目標是在使用者采納新技術(shù)的早期階段迅速搶攻市占率。其中最大的挑戰(zhàn)之一是許多工程團隊在建置新技術(shù)時所面臨的陡峭學習曲線。

　　為了協(xié)助設(shè)計團隊快速向市場提供功能完整的Beacon技術(shù)，最新的半導(dǎo)體技術(shù)以及支援工具有助于簡化設(shè)計建置。例如東芝基于超低功耗BLE IC （TC35667）和BLE + NFC結(jié)合標簽晶片（TC35670）的參考設(shè)計。該參考設(shè)計是尺寸僅17mm x20mm的小型模組，其中包括TC35667FTG、振蕩器、EEPROM、內(nèi)建天線以及1.27mm間距的測試連接。使用TC35670時，也提供對于外部NFC天線的連接。而在廣播時，其峰值功耗只有5.9mA；深度睡眠模式的模組功耗極低，僅為0.1μA。平均功耗則取決于所選擇的廣播周期。在1秒周期時，其典型平均功耗不超過30uA。

　　圖3：基于TC35667FTG的開發(fā)套件，尺寸約17mm x 20mm

　　該參考設(shè)計套件提供了各種以客戶為導(dǎo)向的選擇。其中包括為應(yīng)用程式改變IC以支援BT 4.1（TC35676）或BT 4.2（TC35678），以及內(nèi)建快閃記憶體（以取代外部EEPROM）。同時提供了全面的支援和檔案記錄，包括原理圖、物料清單、布局指南、Gerber檔案和天線方向圖等。此外，還提供了模組化解決方案以及編程開發(fā)套件等。

　　東芝還提供了藍牙軟體開發(fā)套件（SDK），該完整的解決方案簡化了東芝藍牙LSI的使用，同時也顯著縮短了上市時間。它可支援多個晶片組和平臺，包括基于主機的獨立式BLE系統(tǒng)、SPPover BLE設(shè)定檔、BLE + NFC組合功能。軟體API支援BLE GATT伺服器和用戶端，以及GAP中心&周邊功能。

　　圖4：SDK是基于現(xiàn)有技術(shù)的多功能工具

　　如今無需進行太多設(shè)計任務(wù)，即可完成Beacon的配置以搭配任何標準。設(shè)計者簡單規(guī)定了資料陣列中的資料格式，然后編制一個單獨的函式呼叫程式以配置信標。接著編譯標準C++除錯環(huán)境、執(zhí)行SDK程式碼，最后即可執(zhí)行該Beacon技術(shù)。例如透過結(jié)合東芝的SDK，即可輕松地整合任何可用的Beacon標準，包括蘋果（Apple）的iBeacon、Radius Networks的AltBeacon，以及Google Eddystone等。