CN106096947A - 基于nfc的半离线匿名支付方法 - Google Patents

Abstract

基于CoSE(Cloud of Secure Elements)概念，本发明提出一个NFC安全支付方法。安全服务承载于云服务器而不是智能手机的安全元件(SE)。根据CoSE架构部署一个可信云支付平台，所有的交易项都由云支付平台完成。商户的POS终端充当消费者和云支付平台的通信桥梁，消费者的NFC设备和商户的POS终端通过射频场RF连接，消费者NFC设备不需要数据网络即可完成支付流程，并且交易过程中交易双方通过对身份信息与随机数进行hash运算实现正常交易匿名性，异常交易可追踪。

Description

基于NFC的半离线匿名支付方法

技术领域

本发明涉及NFC移动支付安全研究领域，具体涉及CoSE架构云端虚拟SE安全存储交易敏感信息的近场支付方法。

背景技术

近场通信(Near Field Communication，简称NFC)技术是一种短距离的双向高频无线通信信道，使得用户设备之间的数据交换的技术。NFC为智能手机、个人电脑(PC)、个人数码助理(PDA)等具有NFC功能的设备间传输数据的提供了非接触式技术。

自从主流商业机构参与到NFC技术中，支付应用和票务应用成为NFC标准的主要驱动力，例如金融机构和移动运营商对NFC的天然保密性和安全性的重视和推广，逐渐把NFC技术推广到手机支付和票务等应用。越来越多的人更喜欢是使用手机作为支付工具，NFC功能的设备可以作为电子钱包，意味着随着支付、票务和其他应用的使用，人们可以使用手机来支付他们的日常需求，最后，这可以替代借记卡、***和其他无数每天带在身上需要使用的卡片。

从技术和移动支付的发展趋势来看，NFC支付必定是未来移动支付的主要实现方式。目前Samsung、Apple、Huawei等厂商已经推出了搭载NFC功能的支付方式。在移动支付过程中除了使用方便，用户最关心的就是整个交易过程的安全性，具有较高的安全机制以及NFC支付减少欺诈的机会一直是服务提供商和客户关注的主要问题。为了提高NFC交易的安全，防篡改安全元件SE的设计成了NFC设备的一个必不可少的安全存储芯片。随着云计算的发展，在国内外工业界和学术界越来越多研究人员提出了基于云计算的NFC支付，安全存储物理芯片SE逐渐被舍弃，直接在云端生成虚拟SE。

发明内容

本发明提出一种基于CoSE架构的NFC安全支付方法，通过CoSE部署一个可信任云支付平台，云端生成虚拟SE代替物理芯片SE，实现半离线支付匿名化。

CoSE架构(Cloud of Secure Elements Architecture)是为移动和云应用提供可信计算资源的基础设施。CoSE是基于大量被称为安全元件SE(Secure Elements)的安全微控制器，在今天安全元件被配备生产数量达十亿。这些防篡改设备提供加密资源(对称或者非对称加密程序)和安全存储。在一个同网络相似的模式中，CoSE架构能够支持统一资源标识(URIs)，有两种主要针对性的服务，通过近场通信设施处理的移动应用如支付、室内导航、物流、访问控制、票务服务等和需要提供可信密码服务的云应用。

CoSE架构有以下4个元素组成：1)NFC终端，通常提供付款或者访问控制的基础设施。2)用户配备嵌有NFC的智能手机，或者各种需要可信任密码的终端。3)GoSE(Grid ofSecure Elements)是一个承载一组虚拟安全元件SE的网络服务器，这些安全元件直接由云端生成。4)管理控制台，一个TCP/IP客户端可远程管理GoSE。

CoSE架构中GoSE能够安全的存储个人信息如借记卡或***信息，用户唯一身份验证信息，交易信息。消费者或商户NFC设备中SE存储PIN、证书、密钥、协议和加密机制，用户的手持设备中的SE仅仅是用于在POS终端和云支付平台三者进行身份验证。主要的交易数据仍然是存储在GoSE中，云支付平台管理整个云环境，是唯一的一方拥有对存储在云端的机密数据完全的管理及访问权限。

本发明所设计的CoSE架构模型(如图1.所示)基于以下4个条件：1)GoSE是云支付平台的一部分并由云支付平台管理。2)消费者或者商户的NFC设备仅仅是用作身份认证。3)银行或发行商与云支付平台连接的4)消费者和商户信任云支付平台。

注册流程描述：

1.用户(消费者或商户)通过网络向云支付平台发起注册请求。

2.用户和云支付平台双向认证身份。

3.身份认证通过，用户向云支付平台发送身份信息和银行账户信息。

4.云支付平台基于这些信息确认信息的唯一，注册或拒绝注册。

交易执行流程描述：

1.消费者使用NFC设备靠近商户POS终端识别范围开始支付。

2.POS终端与云服务提供商通信确认商户和消费者身份。

3.云服务提供商向POS终端传输必要的信息。

4.基于这些信息POS终端认证交易或者拒绝交易，同意交易后将这些必要信息转发消费者。

5.消费者确认信息认证交易或拒绝交易，同意交易后传送确认信息到商户POS。

6.商户POS终端与云端通信，由云端再次认证交易信息处理交易。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本方法中，商户POS终端作为消费者与云支付平台的通信桥梁，消费者使用NFC设备通过RF场与商户POS终端交换数据，因此消费者NFC设备在没有网络的离线状态下依然可以进行支付，这种消费者离线，商户在线的支付过程，就是本发明所提出的半离线支付。在某些特定的支付场景如地铁、某些网络受限的景区或者是在网络状态不稳定的地区，半离线支付都可以快速的完成支付流程；CoSE架构部署云支付平台，舍弃物理芯片SE直接云端生成大量的SE，有效的减少了基础设施的成本投入；并且在本方法中交易过程交易双方通过对身份信息与随机数进行hash运算实现正常交易匿名性，异常交易可追踪；通过安全性分析表明本方法够有效防窃听攻击、防假冒攻击、防止重放攻击、防数据篡改等恶意行为。

附图说明

图1.CoSE架构模型

图2.注册流程

图3.支付流程

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

首先给出本方法中各符号的含义:

IDc；消费者唯一标识

IDm:商户唯一标识

IMSI:移动用户身份

Customer:消费者

Merchant:商户

CPP:云支付平台

h():用户加密交换信息的hash函数

{M}k使用密钥k加密信息M

Ka-b:A和B的共享密钥

Td:交易描述

Tno:交易号码

Tts:交易开始时间戳

Ttc:交易结束时间戳

CI:***或借记卡信息

RI:交易回执信息

||:连接运算符

⊕:异或运算符

Token:由云支付平台在消费者和商户身份认证通过后生成的随机字符串

注册流程

步骤1:用户(消费者和商户)使用NFC移动设备发起注册请求，NFC移动设备生成随机数X，随后将注册请求信息Req和随机数X发送至云支付平台。

步骤2:云支付平台收到用户的请求Req和随机数X后，生成随机数Y再计算E＝{h(X||Y||k)}k，其中k是用户的云支付平台之间的共享密钥，然后将Y，E两者用K加密为{Y,E}k后发送给用户。

步骤3:用户收到{Y,E}k，用户用密钥k解密收到的信息得到Y和E。计算E'＝{h(X||Y||k)}k,如果不等于E，直接终止此次会话直到下一次请求。相反，表示身份验证通过。用户计算IDc＝IMSI⊕h(X||Y||k),IDc成为用户唯一标识，最后将IDc和CI用密钥K加密为{h(IMSI),IDc,CI}k并发送给云支付平台，其中CI是借记卡或***信息，包括发行银行、账户名、账号等等。

步骤4:在云支付平台收到后，利用密钥k解密，得到h(IMSI),IDc和CI，在云支付平台的消费者组或商户组的GoSE中查询h(IMSI),若不存在则未曾注册过，h(IMSI)和相应的IDc、CI保存在GoSE中的一个虚拟SE中，计算F＝h(IDc⊕CI⊕E)发送给用户。

步骤5:用户收到F后，计算F'＝h(IDc⊕CI⊕E)，如果不等于F，返回注册错误信息删除h(IMSI)并终止注册流程显示注册失败，相反，F＝F'，表示注册成功。

支付流程

阶段1.认证阶段

步骤1.当NFC设备进入POS终端的识别范围内POS机向其发送Req消息以及POS终端产生的秘密随机数R，开启双向认证阶段。

步骤2.用户设备收到请求消息Request和商户产生的随机数R后，利用hash函数对IDc||R和IDc分别加密，得到h(IDc||R)、h(ID，然后将这两个加密结果及R通过用户和商户的共享密钥加密后{h(IDc||R),h(IDc),R}kc-m发给商户的POS终端。

步骤3.商户收到消费者发送过来的数据后，利用hash函数对自身的标识IDm进行加密，得到h(IDm)，然后再将这个值与h(IDc||R)进行异或，得到h(IDc||R)⊕h(IDm)，之后将这四项数据h(IDc),R,h(IDc||R)⊕h(IDm),Tp打包通过云支付平台和商户的共享密钥Km-cpp加密成{h(IDc||R)⊕h(IDm),h(IDc),R,Tp}Km-cpp传给云支付平台。

步骤4云支付平台收到商户传输过来的数据后，将h(IDc)与自身消费者组CoSE中存储的h(IDc)进行对比认证消费者是否合法。接着利用，h(IDc||R)⊕h(IDm)与R计算提取出h(IDm)，然后查找商户组CoSE到IDm对比，在IDc及IDm都合法的情况下，云支付平台计算出Tno＝h(h(IDc⊕R)||h(IDm⊕R)||Tp||Tts)，随后云支付平台将{h(IDc⊕R),h(IDm⊕R),Tno,Td,Tts,Token}km-cpp传给商户。

步骤5.商户收到云平台传输过的数据后，通过解密，再计算Tno进行验证，验证通过后，商户再将数据发送给消费者。

阶段2.交易阶段

步骤6.消费者收到商户传输的数据后，通过解密数据验证h(IDc⊕R),如果相同则认证通过，同时验证Tno，验证通过显示交易信息，如果用户对交易没有异议则输入Pin进行用户认证。PIN是一个额外的安全层增加消费者和商户间的信任。即让商户相信这个消费者是这个NFC设备的合法拥有者，更进一步让消费者保证在没有自己的授权下任何人不能使用其NFC设备进行交易，PIN码存储于本地SE中，SE比较消费者输入的和本地存储的PIN码，如果相等说明消费者是NFC设备的合法拥有者，反之，协议终止。PIN当pin验证通过，利用IDc、Tno和Token计算T1＝h(IDc⊕Token⊕Tno)发送给商户。每一个Token一次有效，第二次验证判断将失败。token验证失败交易结束，直到下一次身份认证后随机生成。Token防伪造攻击、防重放攻击，随机性，不可预测。

步骤7.商户收到消费者的数据后，利用IDc、Tno和Token生成T2＝h(IDm⊕Token⊕Tno)然后将T1和T2一起发送给CPP。

步骤8.云支付平台收到商户传输的数据后，通过自身的IDc、IDm、Token、Tno以同样的方法计算T1',T2',若分别相等，则认证通过，云支付平台处理交易，交易成功后，生成交易回执信息将RI通过共享密钥Km-cpp加密发送给商户。

RI＝{M1,M2,Td,Ttc}，其中，M1＝h(Tno||Tp||Ttc)，M2＝{M1}h(IDc⊕Tno⊕Ttc)

步骤9.商户收到云支付平台的信息后，通过共享密钥Km-cpp解密提取出M1,M2,Td,Ttc，再利用自身存储的Tno,Tp和从云平台收到的Ttc以同样的方法计算M1'＝h(Tno||Tp||Ttc),若M1＝M1',验证通过，再将RI通过共享密钥Kc-m加密发送给消费者，消费者收到信息后解密RI，利用得到的信息M1,Ttc,与自身存储的Tno，计算M2'＝{M1}h(IDc⊕Tno⊕Ttc)若相等，表示支付成功。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种基于NFC的半离线匿名支付方法，包括如下步骤：

步骤一、消费者使用NFC设备靠近商户POS终端识别范围开始支付；

步骤二、POS终端与云服务提供商通信确认商户和消费者身份；

步骤三、云服务提供商向POS终端传输必要的信息；

步骤四、基于这些信息POS终端认证交易或者拒绝交易，同意交易后将这些必要信息转发消费者；

步骤五、消费者确认信息认证交易或拒绝交易，同意交易后传送确认信息到商户POS；

步骤六、商户POS终端与云端通信，由云端再次认证交易信息处理交易。

2.根据权利要求1所述的半离线匿名支付方法，其特征在于，还包括注册流程，具体包括如下步骤：

(1)用户即消费者或商户通过网络向云支付平台发起注册请求；

(2)用户和云支付平台双向认证身份；

(3)身份认证通过，用户向云支付平台发送身份信息和银行账户信息；

(4)云支付平台基于身份信息和银行账户信息确认信息的唯一，注册或拒绝注册。

3.根据权利要求2所述的半离线匿名支付方法，其特征在于：注册流程具体为:

(1)用户即消费者或商户使用NFC移动设备发起注册请求，NFC移动设备生成随机数X，随后将注册请求信息Req和随机数X发送至云支付平台；

(2)云支付平台收到用户的请求信息Req和随机数X后，生成随机数Y再计算E＝{h(X||Y||k)}k，其中k是用户的云支付平台之间的共享密钥，h()是用户加密交换信息的hash函数，||为连接运算符，{M}k使用密钥k加密信息M,然后将Y，E两者用K加密为{Y,E}k后发送给用户；

(3)用户收到{Y,E}k，用户用密钥k解密收到的信息得到Y和E，计算E'＝{h(X||Y||k)}k,如果不等于E，直接终止此次会话直到下一次请求；相反，表示身份验证通过；计算消费者唯一标识IDc＝IMSI⊕h(X||Y||k),IMSI为移动用户身份，最后将消费者唯一标识IDc和***或借记卡信息CI用密钥K加密为{h(IMSI),IDc,CI}k并发送给云支付平台；

(4)在云支付平台收到后，利用密钥k解密，得到h(IMSI),IDc和CI，在云支付平台的消费者组或商户组的GoSE中查询h(IMSI),若不存在则未曾注册过，h(IMSI)和相应的IDc、CI保存在GoSE中的一个虚拟SE中，计算发送给用户；

(5)用户收到F后，计算如果不等于F，返回注册错误信息删除h(IMSI)并终止注册流程显示注册失败，相反，F＝F'，表示注册成功。

4.根据权利要求1所述的半离线匿名支付方法，其特征在于：认证阶段包括：

当NFC设备进入POS终端的识别范围内POS机向其发送Req消息以及POS终端产生的秘密随机数R，开启双向认证阶段；

用户设备收到请求消息Req消息和商户产生的随机数R后，利用hash函数对IDc||R和消费者唯一标识IDc分别加密，得到h(IDc||R)、h(IDc)，然后将这两个加密结果及R通过用户和商户的共享密钥加密后{h(IDc||R),h(IDc),R}kc-m发给商户的POS终端，其中，k是用户的云支付平台之间的共享密钥，||为连接运算符；

用户收到消费者发送过来的数据后，利用hash函数对自身的标识IDm进行加密，得到h(IDm)，然后再将这个值与h(IDc||R)进行异或，得到之后将这四项数据Tp打包通过云支付平台和商户的共享密钥Km-cpp加密成传给云支付平台；

云支付平台收到商户传输过来的数据后，将h(IDc)与自身消费者组CoSE中存储的h(IDc)进行对比认证消费者是否合法。接着利用，与R计算提取出h(IDm)，然后查找商户组CoSE到IDm对比，在IDc及IDm都合法的情况下，云支付平台计算出随后云支付平台将传给商户；其中，Td:交易描述、Tno:交易号码、Tts:交易开始时间戳、Ttc:交易结束时间戳、CI:***或借记卡信息、RI:交易回执信息；Token:由云支付平台在认证消费者和商户身份后生成的随机字符串，一次有效，第二次验证判断将失败；

商户收到云平台传输过的数据后，通过解密，再计算Tno进行验证，验证通过后，商户再将数据发送给消费者。

5.根据权利要求4所述的半离线匿名支付方法，其特征在于：支付阶段包括：

消费者收到商户传输的数据后，通过解密数据验证如果相同则认证通过，同时验证Tno，验证通过显示交易信息，如果用户对交易没有异议则输入Pin进行用户认证，当pin验证通过，利用IDc、Tno和Token计算发送给商户；

商户收到消费者的数据后，利用IDc、Tno和Token生成然后将T1和T2一起发送给云支付平台CPP；

云支付平台CPP收到商户传输的数据后，通过自身的IDc、IDm、Token、Tno计算T1',T2',若分别相等，则认证通过，云支付平台处理交易，交易成功后，生成交易回执信息将RI通过共享密钥Km-cpp加密发送给商户；

RI＝{M1,M2,Td,Ttc}，其中，

商户收到云支付平台的信息后，通过共享密钥Km-cpp解密提取出M1,M2,Td,Ttc，再利用自身存储的Tno,Tp和从云平台收到的Ttc以同样的方法计算M1'＝h(Tno||Tp||Ttc),若M1＝M1',验证通过，再将RI通过共享密钥Kc-m加密发送给消费者，消费者收到信息后解密RI，利用得到的信息M1,Ttc,与自身存储的Tno，计算若相等，表示支付成功。