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基于 STK卡的 NFC手机支付模型研究
苗雷，辛阳，杨义先
北京邮电大学信息安全中心，北京（100876）
摘 要：本文参考 Philips，Nokia 已建立的商业模型，以安全移动支付服务(SEMOPS)为基
础，利用 NFC 安全短距离传输特点，通过引入可信的第三方实体作为仲裁，再结合手机内
STK卡的安全，便捷快速可存储等特性，扩展 STK主动式命令控制 NFC信道，提出了可方
便存储个人交易信息，增强交易安全性，匿名性和扩展性的手机支付模型。
关键词：NFC通信，STK技术，手机支付，移动支付
1. 引言
随着信息技术和社会各方面的应用，技术融合，业务整合，通信逐渐从人到人的通信发
展到人与机器间以及机器到机器间，交易网络日益增大，而 NFC 技术是继红外，蓝牙，
Wi-Fi,WiMax,UWB,RFID 的新一种无线通讯技术。
面临传统的手机支付信道，通常采用短信，USSD，WAP，GPRS 等等不可避免的引入
无线运营商管理机构，而且由于通信距离远，信道暴露等不安全因素，提出新的通信方式势
在必行，NFC (Near Field Communication) [1]，一种短距离的无线通信技术向我们粗略勾勒
出了信息时代的交易方便快捷的神奇景象，提供一种轻松、安全、迅速的通信的无线连接技
术，短距离的交易，具备很好的安全性。国内，中国移动和诺基亚在福建厦门开展的 NFC
手机应用测试，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。尽管目前实现的功能相对有限，但作为国内首个 NFC 终端
测试有广阔应用前景[2]。
本文提出了一种通用移动支付模型，该模型与具体应用无关、在传输时变换处理交易数
据而不依赖无线运营商，引入可信实体增加信任程度,给消费者提供了更好的隐私保护和匿
名性，以及仲裁交易的合法性。
2. 已有模型分析
目前国内的利用 NFC 手机的支付模型，通常为三方，分别为消费者，内容提供商，移
动服务提供商，而移动服务提供商又充当银行的角色，涉及金融交易代收费用，费用从消费
者的手机话费中扣除，可参考的模型如下：
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图 1 现有手机支付模型
上面模型可清楚看到，只涉及三方，交易过程简单，而终端用户的充值消费可以通过话
费来交易，非常便捷快速，而移动服务提供商在本模型中处于绝对主导地位，负责用户和商
家的数据处理，交易仲裁，注册注销等服务。
但是其局限性也是非常明显，列举如下：
z 移动服务提供商的可信任程度受质疑，还有涉入金融方向的嫌疑，受国家政策
法规的约束，不能更专注于对金融交易细节的处理，对于自身提供的无线服务
之外，还要维护庞大的用户和商家数据交易系统，未能提供准确性和精确性。
移动服务提供商掌握用户和商家的所有个人信息，所有的交易细节都在移动服
务商进行处理，无法实现匿名交易。
z 用户和商家必须完全信任移动服务商。发生争议时，交易的真实性完全以移动
运行商的数据库中记录的交易时间和交易数据为仲裁依据。当然这种形势具有
潜在的风险，目前移动服务商由于不具备独立第三方的性质，不具有解决争议
的权威性。
z 用户的交易信息个人信息等敏感数据记录在终端里，而用户需更换终端时，无
法提取，不够方便。
3. 新的支付模型
为解决上述的局限性，增加整个平台的扩展，包含交易的权威性及安全性，商户或用户
的隐私性，基于 SEMOPS 模型[3]，引入可信的第三方，充当仲裁机构。具体的参考模型如
下：
终端用户
移动服务提
供商
支付服务提
供商
支付平台
关
系
计费进
程
服务进
程
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图 2 引入可信第三方的安全交易模型
模型各模块介绍
从框图可知整个系统分五个模块，用户支付模块，商家模块，支付处理模块，数据中心，
可信第三方，至于交易的转帐有银行部门和支付处理机构负责，银行部门未在本模型讨论范
围[4]。
用户支付模块
用户支付模块由带有 NFC 控制器，内置 STK 卡的手机终端组成，NFC 设备跟手机控制
器之间采用 I2C 总线连接，而卡跟手机是 ISO7816 通信标准，本文提出与现有的手机控制
NFC 模块不同的是，采用卡来控制 NFC 模块，具体实现是利用卡的 STK 功能，此命令可以
是 的扩展主动式命令，由终端将 APDU 指令解释传输给 NFC，以实现卡控制 NFC
的功能，可以控制 NFC 打开关闭通信等功能。
相比与现有 NFC 手机的改进，首先，用 STK 卡可以校验持机者的合法身份，可以控制
NFC 设备的打开和关闭，防治未经授权的交易发生，其次利用 STK 卡的安全特性可以存放
用于安全交易的证书，在交易发生时可快速生成会话密钥，签名等信息对用户个人信息进行
有效保护，再次，现有的 NFC 手机交易记录多存储在手机，为用户更换手机带来困扰，利
用 STK 卡的内部存储设备可以存储交易明细，并通过 STK 菜单快速查看。具体实现框图[5]
图 3 用户支付模块
ISO
7816
Application controller
N
FC
STK 卡
CI 2
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商家模块
在 NFC 多种用途的前景下，商家模块更具有多种的实现型式，像用于付款和购票，用
于电子票证，用于智能媒体，用于交换、传输数据等，所以商家模块可以是类似 POS 机的
读卡装置，也可以是内容提供商将 NFC 设备放到智能媒体机里面，而每个商家模块中放置
自身和归属支付处理机构的证书，在产生交易时，将商家信息，交易金额等敏感数据进行加
密和签名。
支付处理机构
支付处理机构相互连接成环状，支付处理机构之间相互信任，并且拥有相互之间的公钥
证书，支付处理机构可以处理用户的请求也可以处理商家的请求，他们依据证书对用户或商
家进行验证，通过验证后，将交易信息重签名发送到可信第三方进行验证。用户或商家与其
归属的支付处理机构之间互相拥有对方的公钥证书，并且用户和商家的证书只存放于归属的
支付处理机构,在移动支付过程中,不传递任何证书，节省证书交换的时间。
可信第三方
可信第三方由时戳服务器和认证中心构成，保存每个支付机构的公钥证书，负责对支付
处理机构的验证，验证通过时加入时戳，防止重传攻击，并给未来交易争议提供仲裁依据。
数据中心
数据中心跟 SEMOPS 模型相同的功能，负责支付机构之间的消息路由和传递，数据中
心系统包括消费数据加载传输和结算中心MIS 两部分. 结算中心MIS 主要完成数据传输管
理、数据采集情况的统计、消费数据的处理及相应的查询统计、处理与支付处理机构的通讯
数据. 数据加载传输,负责采集消费数据生成本地数据,并负责生成上传的数据包.实现通过调
用操作系统的专有网络与支付处理机构通信,完成支付处理机构数据的上传和下载.
支付流程
（1）用户利用 NFC 手机的 STK 菜单通过主动式命令打开 NFC 设备，准备接收商家的交
易数据。
（2）商家通过 NFC 信道将详细的交易数据发给用户，交易数据中包括交易流水号、商品
名
称、价格和商家支付账户等信息。
（3）用户验证交易数据,构造支付请求消息。通过 STK 卡对交易信息做哈希值、并用存
放在卡上的用户证书对哈希值作签名，用户对支付请求消息做加密后,通过 NFC 信道发送到
用户的支付处理机构。
（4）支付处理机构验证用户的合法性，然后将交易数据发送到可信第三方的时戳服务器，
获得并保存时戳，再将数据用支付处理机构自身的证书进行签名，将加密数据发到数据中心。
（5）数据中心将支付通知消息路由到商家归属的支付处理机构，并在数据库中记录交易
时间等备查询。
（6）商家归属的支付处理机构验证用户支付处理机构的签名，并对消息进行重签名发送
到目的商家。
（7）商家验证支付处理机构发送的支付通知消息。如果验证通过,商家计算保存的交易数
据的哈希值,与支付通知消息的交易数据哈希值比较。如果相同,则可以确定该交易合法且已
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经由支付处理机构担保支付。商家构造确认通知,签名后发送给商家的支付处理机构。
（8）商家支付处理机构验证确认通知,如果验证通过,则商家支付处理机构从时戳服务器获
得并保存时戳。支付处理机构对确认消息重新签名后,通过数据中心发送到用户支付处理机
构。
（9）如果商家同意交易,则用户支付处理机构负责账户资金的转账。否则,解冻已冻结的资
金。用户支付处理机构对确认通知重新签名后将其发送到用户。
（10）用户通过 NFC 信道接到交易成功的信息，将交易结果交易时间等明细安全记录在
STK 卡中,并关闭 NFC 设备。
4. 本模型的优点
用户端采用 NFC 信道来传输，超短距离的传输提高安全性，将整个交易的发起结束都
由用户的 STK 卡控制，增加交易的灵活性，借助 STK 的安全存储特性，将交易信息保存，
方便管理。
引入可信第三方，提供对交易中产生的争议进行仲裁，同时加入时间戳，有效的阻止系
统中可能发生的重发攻击。
支付处理机构相互信任，拥有用户和商家的公钥证书，连接成环，可以同时处理商家和
用户的支付请求，提高整个模型的可扩展性。
整个交易过程，实现很好的匿名性，用户或商家只对归属的支付处理机构负责，其他方
无法看到交易的个人身份信息。用户或商家只保存自身的证书和归属支付处理机构的证书，
可以方便安全在存储空间相对有限的 STK 卡中存放。
5. 总结
本模型采用 NFC 新的短距离无线通信技术，而 STK 卡和 NFC 设备间的通过 APDU 流
访问，方便用户对交易的控制，保证用户交易的安全性，并记录详细交易数据包括时间，状
态等在卡上，然后以 SEMOPS 为参考模型，引入可信第三方包括加入时间戳对整个交易过
程提供仲裁和安全，而且本模型是一种通用的支付模型可以满足当前的 NFC 方面对于公交
地铁等市政交通，娱乐，多媒体等内容提供的应用。
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参考文献
[1] NFC Forum .
[2] 魏金榕,李天明.NFC 移动支付未来的“杀手锏”增值业务.通信世界网
[3] SEMOPS (Secure Mobile Payment Service) .
[4] 刘军,廖建新.一种通用移动支付模型及其协议的研究.高技术通讯. 2006，（6）：16－6
[5] Carsten Schimanke.基于 Nexperia 系统解决方案的 NFC 功能手机设计.电子工程专辑
A Security Payment Model based on STK and NFC Device
Miao Lei, Xin Yang, Yang Yixian
Information Security Center .Beijing University of Posts and Telecommunications,
Beijing (100876)
Abstract
We present an efficient mobile payment model, referring to the business model which Philips, Nokia
has established, and according to Security Mobile Payment services (SEMOPS) ,which add a
third-trusted-party (TTP) entities to arbitrate. By using the security property of STK card and the
high-speed NFC transmission, we expand proactive SIM commands to control NFC tunnel, to propose
the model which can save personal trade information in details, improve the features of secure,
anonymous , compatibility.
Keywords: NFC, STK, Mobile-Equipment Payment, Mobile Electronic Payment
作者简介：
苗雷 （1984-）男，硕士研究生，主研方向：智能卡安全，电子支付，网络安全；
辛阳，博士，讲师；
杨义先，教授，博导，长江学者。
