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NFC#09 NFC処理実装[前編] – カードアクセス

NFC#09 NFC処理実装[前編] - カードアクセス

今回は開発用のブランクカードを使い、ICカード内のデータに対するデータ読み書きを実装します。

【注意事項】
本記事は、NFC技術の一般的な仕組みを解説するものです。
公共機関や第三者が管理・運用するNFCタグやICカードへの無断での書き込み・改変を推奨または容認するものではありません。

管理者の許可なくデータの書き込みや改変を行う行為は、不正アクセス禁止法や刑法等の法令に違反する可能性があります。
これらの行為により生じたいかなる損害・法的責任についても、当方は一切の責任を負いません。
・NFCを活用した新しいサービスや製品を企画・開発したい方
・スマートフォンやICカードとの連携機能を実装したいエンジニア
・IoT機器や非接触決済の技術に関心のある開発者

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目次
  1. 開発環境
  2. 使用するICカード
  3. 代表的な通信手順
  4. 各操作を実現するためのコマンドパケット
    1. 1. Transparent Session 開始
    2. 2. プロトコル切り替え
    3. 3. フラグ設定（カードコマンドに依存）
    4. 4. RF 出力 ON
    5. 5. カードコマンド送受信
    6. 6. RF 出力 OFF
    7. 7. Transparent Session 終了
  5. おわりに

開発環境

  • OS： macOS Sonoma 14.5
  • Xcode： Xcode 15.4 (15F31d)

 

使用するICカード

今回使用するカードは、何もデータが書き込まれていないブランクカードを使用します。
なお、開発で使用するカードには目印としてシールを貼っております。

また、このカードは ISO/IEC 14443-4 Type A に準拠、及び NFC フォーラム タイプ4タグ に対応しております。

注）
カードが準拠している通信インターフェース、タグのタイプは、のちの通信設定のために重要です。

 

代表的な通信手順

カードと通信するための代表的なシーケンス、及びAPDUコマンドの対応は下表の通りです。

手順 操作 対応コマンド CLA INS P1 P2
1 Transparent Session 開始 Manage Session FFh C2h 00h 00h
2 プロトコル切り替え Switch Protocol FFh C2h 00h 02h
3 フラグ設定（カードコマンドに依存） Transparent Exchange FFh C2h 00h 01h
4 RF 出力 ON Manage Session FFh C2h 00h 00h
5 カードコマンド送受信 Transparent Exchange FFh C2h 00h 01h
6 RF 出力 OFF Manage Session FFh C2h 00h 00h
7 Transparent Session 終了 Manage Session FFh C2h 00h 00h

ここで、異なる操作で同一のコマンドが使用されますが、コマンドデータの内容に応じて各操作が実現されます。
また、コマンドデータは前回の記事で紹介したTLV形式で設定されます。

 

各操作を実現するためのコマンドパケット

それでは実装を進めていきます。
実装と言っても、データが変わるだけで送信・受信処理はほとんど変わらないため、本記事ではコマンドパケットのみに注目して解説していきます。

なお、今回はプログラムが複雑にならないよう、 Start メソッド内（前回記事のバージョン取得の直後）に実装していきます。

Start メソッドはドライバ起動時の処理を実装するため、本来であれば Start メソッドにカードアクセス処理を実行するのは好ましくありません。（製品の仕様によります）
しかし、画面UIからユーザーが任意のタイミングで実行できるようにする場合の実装量が増え、本題のNFC体験まで遠くなってしまうため、今回は単純化のために Start メソッドに実装いたします。

　1. Transparent Session 開始


uint8_t sendStartTransparentBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x11, 0xef,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x07, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x01,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x00, //     CLA, INS, P1, P2
    0x02,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x81,                   //       Tag : Start Transparent Session
    0x00,                   //       Length
    0x49,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

カードと通信するためには、まず Transparent Session を開始して RC-S660/S を Transparent 状態にする必要があります。
以降の操作で使用する一部のコマンドは、 Transparent 状態ではない時は使用不可であり、実行するとエラーが返却されます。

Transparent Session 開始のためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 81h : Start Transparent Session
Length 00h
Value なし

 

　2. プロトコル切り替え


uint8_t sendSwitchProtocolBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x13, 0xed,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x09, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x02,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x02, //     CLA, INS, P1, P2
    0x04,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x8f,                   //       Tag : Switch Protocol Data Object
    0x02,                   //       Length
    0x00, 0x04,             //       Value : Standard type, Layer
    0x2e,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

次に Transparent Session で使用する規格を指定してカードを捕捉します。
NFC は準拠する規格に応じて、 Type A や Type F というように区別されます。
ここで設定する規格と、タッチされたカードが準拠する規格が適合していれば、 RC-S660/S とカード間でNFC通信が可能となります。

プロトコル切り替えのためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 8Fh : Switch Protocol Data Object
Length 02h
Value 1バイト目：規格
2バイト目：レイヤー

今回使用するカードは ISO/IEC 14443-4 Type A に準拠してるので、1バイト目の規格には Type A を表す 00h を設定します。
また、レイヤーはカードの捕捉まで実行する 04h を設定します。

カードが準拠する規格によって規格・レイヤーに設定する値が変わるため、カードが準拠している規格を確認の上、公式リファレンスに従って設定する必要があります。

カードの捕捉は、本コマンドを実行する瞬間にのみ実施されます。
すなわち、本コマンドを実行後にカードをタッチしても、うまくカードを捕捉できない場合があります。
このため、実製品に適用する場合、繰り返し本コマンドを実行するなどの工夫が必要です。

 

　3. フラグ設定（カードコマンドに依存）


uint8_t sendTransmissionReceptionFlagBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x13, 0xed,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x09, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x03,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x01, //     CLA, INS, P1, P2
    0x04,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x90,                   //       Tag : Transmission and Reception Flag
    0x02,                   //       Length
    0x00, 0x00,             //       Value : 送受信処理フラグ
    0x31,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

カードコマンドに応じて送受信に関する挙動を設定します。
今回は送受信処理フラグ設定のみ実施します。

送受信処理フラグ設定のためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 90h : Transmission and Reception Flag
Length 02h
Value 送受信処理フラグ

送受信処理フラグでは、 Protocol Prologue（ISO/IEC 14443-4 の PCB, CID, NAD） や CRC, パリティの自動処理の挙動を設定できます。
今回は全て自動処理する設定として 0000h を設定します。

 

　4. RF 出力 ON


uint8_t sendRfOnBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x11, 0xef,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x07, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x04,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x00, //     CLA, INS, P1, P2
    0x02,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x84,                   //       Tag : Turn On RF Field
    0x00,                   //       Length
    0x43,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

送受信の準備ができたらRF出力をオンにします。
NFCは電波を利用して無線通信します。RF出力をオンにすることで通信のための電波を発生させます。

RF出力オンのためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 84h : Turn On RF Field
Length 00h
Value なし

 

　5. カードコマンド送受信

RF出力をオンにしたらカードと任意のデータを送受信することできるようになります。
カードが準拠する仕様に則ってデータを送信することで、 RC-S660/S からカード内のデータを操作することができます。

今回使用するカードは NFC フォーラム タイプ4タグ に準拠しています。
この仕様に則ると、複数回のデータ通信が必要となります。
そのため、本記事ではカードコマンドを除いた基本となるパケット構造のみとし、次回の記事で詳細なカードコマンドについて実装していきます。


// 基本となる送受信コマンドパケットデータ
uint8_t sendTxRxBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0xXX, 0xXX,       // データ長、チェックサム（それぞれカードコマンドによる）
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0xXX, 0xXX, 0xXX, 0xXX, //   データ長（カードコマンドによる）
    0x00, 0xXX,             //   スロット番号、シーケンス番号（コマンド送信ごとに増加）
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x01, //     CLA, INS, P1, P2
    0xXX,                   //     Lc（カードコマンドによる）
                            //     Data In 1
    0x5f, 0x46,             //       Tag : Timer
    0x04,                   //       Length
    0x60, 0xea, 0x00, 0x00, //       Value : 受信待ちタイムアウト時間（マイクロ秒単位）
                            //     Data In 2
    0x95,                   //       Tag : Transceive (Transmit and Receive)
    0xXX,                   //       Length（カードコマンドによる）
    0xXX, 0xXX, 0xXX, ...,  //       Value : カードコマンドデータ（カードコマンドによる）
    0xXX,                   // データチェックサム（カードコマンドによる）
    0x00                    // ポストアンブル
};

ここで、APDUコマンドのコマンドデータ（Data In）に、2つのTLV形式データを設定しています。
このようにコマンドデータ（Data In）には、必要に応じて複数のTLV形式データを設定することができます。
今回は、データ送受信前に、受信待ちタイムアウト時間を設定しています。

受信待ちタイムアウト時間設定のためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 5f46h : Timer
Length 04h
Value タイムアウト時間（マイクロ秒単位、リトルエンディアン）

また、データ送受信のためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 95h : Transceive (Transmit and Receive)
Length 送信データサイズ
Value 送信データバイト列

 

　6. RF 出力 OFF


uint8_t sendRfOffBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x11, 0xef,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x07, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x0c,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x00, //     CLA, INS, P1, P2
    0x02,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x83,                   //       Tag : Turn Off RF Field
    0x00,                   //       Length
    0x3c,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

カードコマンドの送受信完了後、RF出力をオフにします。
RF出力オフのためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 83h : Turn Off RF Field
Length 00h
Value なし

 

　7. Transparent Session 終了


uint8_t sendEndTransparentBuffer[] = {
    0x00, 0x00, 0xff,       // プリアンブル、スタートコード
    0x00, 0x11, 0xef,       // データ長、チェックサム
                            // パケットデータ : CCIDコマンド
    0x6b,                   //   メッセージタイプ : PC_to_RDR_Escape
    0x07, 0x00, 0x00, 0x00, //   データ長
    0x00, 0x0d,             //   スロット番号、シーケンス番号
    0x00, 0x00, 0x00,       //   固有ヘッダー
                            //   固有データ : APDUコマンド
    0xff, 0xc2, 0x00, 0x00, //     CLA, INS, P1, P2
    0x02,                   //     Lc
                            //     Data In
    0x82,                   //       Tag : End Transparent Session
    0x00,                   //       Length
    0x3c,                   // データチェックサム
    0x00                    // ポストアンブル
};

最後に Transparent Session を終了して通常状態に戻し、NFC通信の一連の処理が完了となります。
Transparent Session 終了のためのコマンドデータは以下となります。

TLV 設定データ
Tag 82h : End Transparent Session
Length 00h
Value なし

 

おわりに

今回はNFCカードアクセスのための大まかな流れについて実装しました。
次回は本題である、NFCカード読み書きのためのデータ送受信について実装していきます。

 

 

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