基于NFC的P2P文件传输系统研究

2019-02-06岳佳欣

重庆理工大学学报(自然科学) 2019年12期

岳佳欣，王忠

（1.四川电影电视学院，成都 610036；2.四川大学电气信息学院，成都 610065）

基于NFC的P2P文件传输系统将NFC、蓝牙技术结合，可实现2台智能移动终端之间文件的快速互传，优化2台NFC设备之间的P2P通信方案。NFC P2P通信是Android Beam技术的应用，APP采用基于市场占有率最高的Android系统进行开发［1］。NFC论坛定义的P2P通信模式可支持2台NFC设备之间的双向交互，实现数据信息点到点传输［2-3］。传输的文件包括图片、视频、音频、程序、APK等［4］。在P2P通信模式下，参与通信的2台NFC设备分别称为发起设备（initiator）和目标设备（target）。initiator和target之间可以相互转换，NFC P2P传输速率有106、212、424 kbit／s［5］。由于传输速率的限制，P2P通信适合小文件的传输，在传输过程中，2台NFC设备必须保持在通信距离范围（＜4 cm）内，否则通信链路中断，文件传输失败。为了提高文件传输速率，增大通信距离，NFC P2P文件传输系统实现2台NFC设备之间快速配对，然后使用蓝牙技术实现数据传输［6］。

1 系统概述

P2P通信模式是NFC技术三大工作模式之一。在该模式下，2台NFC设备之间可以进行点对点数据通信。NFC P2P通信也被称为Android Beam技术。本系统采用Android Beam实现2台智能移动终端之间通信链路的建立，采用蓝牙技术实现文件之间的互传。

NFC技术是近距离高频无线电通信技术，其基于无线电射频识别技术［7-8］。NFC技术允许2台设备之间、设备和NFC标签之间在小于4 cm的通信距离内进行数据传输，工作频率为13.56 MHz，工作原理采用电磁感应耦合技术［9］。NFC电磁感应耦合系统及等效电路如图1所示。

在NFC系统中，若设备依靠自身RF场提供的能量激活通信，则称为主设备（active device）；若设备依靠其他设备的RF场提供能量并响应，则称为从设备（passive device）。发射器（initiator）和应答器（transponder）之间进行数据交互时，要求至少有一方为主设备［10］。

图1 NFC电磁感应耦合系统及等效电路

2 系统具体设计

2.1 系统架构

P2P文件传输系统的设计包括initiator与target两部分。首先要为2台NFC智能移动终端选定Initiator和Target的角色。当2台NFC手机触碰时，链接开始建立，选定的文件通过蓝牙技术从Initiator传向Target。当2台NFC智能移动终端互换角色时，文件可反方向从新的Initiator传向新的Target。P2P文件传输系统架构如图2所示。

图2 P2P文件传输系统架构

2.2 P2P通信协议

NFC P2P协议栈的最高层是逻辑链路控制（LLC）层，该层使用的协议是LLCP。简单NDEF交换协议（simple NDEF exchange protocol，SNEP）紧接LLC层，它支持2个NFC设备之间直接交换NDEF消息。protocol binding使得NFC可以支持其他高层次且用途广泛的协议。othere protocols中常用的是conection handover protocol（CHP）［11］。P2P文件传输系统基于SNEP开发，NFC P2P协议栈如图3所示。

图3 NFC P2P协议栈

LLCP基于IEEE 802.2的规范定义了OSI第二层协议。LLCP可以更好地支持小应用的有限数据传输，例如交换名片或相互识别磁条卡号码等。SNEP专为P2P模式设计，其目的是在通信过程中使用NDEF消息交换信息。SNEP是一种面向链接的数据传输协议，它的服务端口号为0x04，服务名为“urn：nfc：snep”。SNEP的工作方式是Request／Response。首先，SNEP客户端向SNEP服务器端发送SNEP Request消息，请求服务器端处理；然后，SNEP服务器端向SNEP客户端回复SNEP Response，告知客户端处理结果。

2.3 P2P通信交互过程

当2台NFC设备都开启NFC功能并进入有效通信距离时，它们的LLC模块将进入链路激活阶段（link activition）。在此阶段中，2台NFC设备分别扮演initiator和target的角色。首先，initiator向target发送prameter exchang（PAX）数据包，该数据包用于交换2台NFC设备LLC层的配置信息。target收到PAX包后进行相应的处理，处理完成后将自己的LLC层配置信息发送给initiator。当initiator检测到target的LLC层参数配置正常时，双方逻辑链路建立成功，可正常工作。当2台NFC设备超过有限通信距离范围时，link deactivition触发，链路断开［12］。link activition工作流程如图4所示。

图4 Link Activition工作流程

链路被激活后，2台NFC设备之间先建立面向链接的关系，然后再进行数据交互。客户端通过CONNECT包向服务器端发起链接请求。当服务器端对CONNECT包处理成功后，它向客户端回复connection complete（CC）包，此时链接关系建立成功。此后，客户端和服务器端可通过information包和receive ready（RR）包来传递数据。面向链接工作流程如图5所示。

图5 面向链接工作流程

当2台NFC设备之间通信链路建立后，系统快速连接蓝牙服务。由于Android平台对蓝牙通信协议提供了完整的封装，本系统直接调用Android提供的接口实现蓝牙传输的服务。

3 系统实现方法

API 14中NFC P2P通信被称为Android beam，它允许2个Android设备之间进行简单的数据对等交互。当initiator和target两台设备在NFC通信范围内，用户选定要传输的信息，然后触碰UI界面，信息从initiator传到target。

通过调用setNdefPushMessage（）或setNdef-PushMessageCallback（）方法，APP启用Android Beam。setNdefPushMessage（）方法把接收到的NdefMessage对象作为一个消息设置给Beam。当2台设备在NFC通信距离范围内，消息会自动发。setNdefPushMessageCallback（）方法接收包含createNdefMessage（）方法的回调。当Android智能移动终端在发射数据的范围以内时，该回调方法会被调用。

1个Activity每次只能推送1条NDEF消息，若2种方法同时使用，setNdefPushMessageCallback（）方法的优先级要高于setNdefPushMessage（）方法。

在启用Android Beam时，首先需要创建一个包含NdefRecord的NdefMessage对象，该NdefMessage准备被推送到另1台设备上，然后调用带有NdefMessage类型参数的setNdefPushMessage（）方法，或者是在Activity的onCreate（）方法中调用setNdefPushMessageCallback方法，目的是用来传递实现NfcAdapter.CreateNdefMessageCallback接口的对象。

在本文中，使用Android Beam技术实现2台NFC设备的快速配对，当通信链路建立后，系统连接蓝牙服务。由于Android平台提供了对蓝牙通信协议完整的封装，因此直接调用接口，定义类Bluetoothservice.java实现蓝牙传输的服务。开启同意接收线程AcceptThread（）后，建立一个已连接的单线程ConnectedThread（），通过read（）方法传输数据，通过cancel（）方法取消传输。

4 系统测试结果

4.1 测试环境

在P2P文件传输系统测试中，通信是双向的，因此选用NFC平板电脑和NFC手机用于P2P测试。P2P文件传输系统测试工具如表1所示。

表1 P2P通信模块测试工具

4.2 测试结果与分析

在NFC手机和NFC平板电脑上分别安装P2P文件传输APP，首先选择手机作为Initiator，平板电脑作为Target。进入APP，NFC平板电脑上的APP不启动，保证2台设备都处于非锁屏状态。该系统APP主界面如图6所示，界面4个按钮分别用于获取本机的视频、音频、图片和文件列表。点击按钮选择所要传输的文件（例如进入音频列表，选择第1个音频为待传输文件，本机音频列表界面如图7所示）。将NFC手机和NFC平板电脑的线圈感应区域靠近，用手触发NFC手机屏幕，音频文件便可从NFC手机传向NFC平板电脑，P2P通信测试过程如图8所示。

图6 P2P通信APP测试界面

图7 本机音频列表界面

图8 P2P通信测试过程图

在文件传输过程中，由于采用的是蓝牙技术，因此可将NFC手机与NFC平板电脑移开，不会影响文件传输过程。P2P通信文件传输过程截图如图9所示，可以看到NFC手机提示栏显示“正在传输信息”，NFC平板电脑提示栏显示“正在接收Beam内容”。文件接收成功后，可在NFC平板上播放所传的音频文件。

图9 P2P通信文件传输过程截图

将上述操作反方向再进行一遍，NFC平板电脑上选取的文件成功传至NFC手机。这说明2台NFC设备之间已通过双向P2P通信测试。使用NFC P2P文件传输系统时，只需将用于通信的2台NFC设备触碰便可实现通信链路的建立，免去蓝牙复杂的连接匹配过程。而采用蓝牙技术传输数据可提高传输速率，避免移开2台NFC设备时造成的通信过程中断的问题。