拉卡拉手机刷卡器音频通讯技术原理初步分析

拉卡拉手机刷卡器音频通讯技术原理初步分析

1.拉卡拉刷卡

众所周知，拉卡拉是一款手机读卡器。 拉卡卡、智能手机、拉卡拉软件、互联网构成了一个完整的、更强大的POS系统。 为什么说它更厉害呢？ 因为在移动应用app这一层，拉卡拉可以做很多很多便捷的功能，这样借助类似传统信用卡刷卡服务，可以提供支付宝现在也在大力开发的一系列生活服务等功能。 这是银联POS严重缺乏的。 目前，移动支付中，最方便的肯定是支付宝的快捷支付； 但考虑到我国目前的安全环境，用户在使用时必须将银行卡和密码委托给网站进行管理，这显然不如输入效率高。 被接受。 与支付宝加网银这种更安全的方式相比，拉卡拉与发卡银行无关，无需在手机上安装各银行的网银客户端。 因此，很明显，拉卡拉在某些应用场景下比其他一些移动支付方式具有优势。 现在我们来看看拉卡拉的技术原理。

2、内部结构

上方左右两侧是常见的拉卡拉装置，相当不错。 如果我们拆开来看，如右图所示，当然除了这个东西之外，下面还有一个耳机插头，侧面还有一个刷卡的插槽。

总体而言，该板很简单。

2.1 一颗电池占据了大部分空间，使得整个过于庞大，可刷卡次数超过10000次（见参考文献1）。

2.2 左侧四根引线分别对应耳机插头上的4个区域。 它们是左声道（Left）、右声道（Right）、麦克风（Mic）和地线（Gnd）。 其中，L和R是接收手机输出信号的接口，M是向手机输出信号的接口。 需要注意的是，并非所有序列都如右图所示。 因为有两种不同的标准，国际标准和国家标准。 联想、中兴等国产手机大部分都是国标，顺序如右图所示。 但HTC、三星、小米等手机都是国际标准，M和Gnd的顺序是相反的。 拉卡拉的某些版本可以自动识别M和G的正向和反向。（参见参考2）

2.3电路板最右边的芯片对输入信号进行处理，转换成刷卡数据的A\D（音频\数字）处理模块。 它是整个系统的核心。 当您在手机应用程序中点击刷卡时，音频信号从手机通过L或R发送到电路板，并通过A\D模块转换为数据信号。 当刷卡时，电路板获取银行卡信息，然后通过A\D模块将其转换为音频并传输到手机。 当然，手机APP在信号进入和退出时也需要做相应的A\D编码和解码工作。 这也是手机APP中最重要的工作。

3、刷卡支付流程

手机与拉卡拉音频通信示意图

手机与拉卡拉之间音频通信的大致结构如上图所示。 一般流程是：

3.1 首先打开手机上的拉卡拉应用程序。 单击“滑动”。

3.2 手机应用会调用API，通过L、R线向拉卡拉手机刷卡设备发送通知信号（L、R表示的信息相同，但波形相反，L的高电平对应R低级别的高级别，我还没搞明白拉卡拉为什么这么设计）。

3.3 芯片上的通信模块获取音频信号，解码后发现是刷卡通知，等待刷卡层传来刷卡信息。

3.4 在卡槽中刷卡后，卡信息被传输到芯片中。

3.5芯片获取卡信息，编码成音频信号，通过M线发送到手机。

3.6 手机APP通过对音频信号进行采样得到数字信号。

3.7 手机APP程序对数据信号进行解码，得到实际的数据信息，即卡信息。

3.8 若刷卡失败，手机APP会收到刷卡失败提示。

3.9 至此，手机与读卡器通讯完成。 然后手机APP使用卡信息与拉卡拉的服务器后端进行通信，以处理后续的支付操作。

关键技术点是（详细内容本文不讨论）：

a) 采用什么调制方式进行传输，采用什么波特率和频率。

b) 如何制定合适的通信协议，包括如何判断信号的开始以及如何握手建立连接。

c) 如何编码和表示数据，如何检查和纠正错误，以及如何过滤和解码数据。

4.一些相关技术问题

4.1A/D转换问题

耳机线一般在~之间传输交流音频信号。 信号调制和解调有三种方法：调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。 根据对的输入和输出信号的分析，我们发现使用了幅度调制和频率为 和 的音频信号。

4.2 耳机接口标准问题

2.2 中描述了这两个标准。

4.3 不同手机的问题

a) 我们发现，在某些手机上，接收到的音频波形与其他手机相比存在异相。 即高位波峰转变为低位波谷。 这个问题可以根据解码时的具体前导码来判断。

b) 手机Mic采样的音频信号电平可能不同。 例如，使用手机A采样相同的音频信号时，峰值约为32000； 在另一部手机上，可能是3200。 根据我们对许多不同手机的测试，我们发现峰值可以相差10倍。 处理方法是进行附加处理并先进行归一化； 或者在滤波时根据峰值动态调整阈值。

c) 部分手机的Mic无法识别非标准采样率。 比如三星的I9308如果用9600*4的采样率初始化就会报错； 如果改成44100就没有问题了。

4.4 数据传输效率

每条通信消息约100字节（约50个汉字）（见参考文献1）。 因此，拉卡拉的传输效率似乎不成问题。

4.5 数据传输的准确性

拉卡拉用了一个绝招。 它首先发送一段音频信号，然后发送一段代表相同数据的音频信号。 如果手机可以处理高频信号，那么后续的低频信号就可以用来验证之前的数据。 如果前面的处理出现问题，直接从后面处理低频信号仍然可以保证得到完整的数据。 当然，我们也可以要求对数据本身进行验证和纠错。

4.6 数据安全

该负责人表示，“拉卡拉手机读卡器内置安全芯片，每台读卡器对应唯一的银行卡磁条信息保护密钥，采用专用安全算法，保证一机一密一密”一次。用户的个人密码，使用RSA非对称加密方法加密。” （参见参考文献1）

但根据我们的观察，拉卡拉的电路板似乎并没有专门的安全相关模块。 整个系统没有使用CA证书进行相关的电子签名和身份认证。 因此，其安全性还有待研究。