wykład 7: Bezstykowa transmisja danych

Transkrypt

1 wykład 7: Bezstykowa transmisja danych dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska, 2011

2 BEZSTYKOWA TRANSMISJA DANYCH bezstykowa transmisja danych i zasilania, technika sprzężenia indukcyjnego i pojemnościowego, standaryzacja, unikanie kolizji, karty zbliżeniowe, karty RFID-owe o różnym zasięgu, NFC, FeliCa, MIFARE dr inż. Marek dr inż. Mika, Marek Instytut Mika, Informatyki, Instytut Informatyki, Politechnika Politechnika Poznańska, Poznańska,

3 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

4 Wstęp Karta bezstykowa nie potrzebuje do transmisji danych i zasilania żadnego fizycznego połączenia z terminalem Stosowana technologia to RFID stosowane wyłącznie rozwiązanie pasywne aktywne ze względu na problemy z elastycznymi bateriami nie są jeszcze stosowane Dwa podstawowe elementy systemu: karta elektroniczna pełniąca rolę pasywnego znacznika terminal pełniący rolę czytnika (lub czytnika z funkcją zapisu) i pośredniczący w komunikacji z innymi elementami systemu STYKOWA TRANSMISJA DANYCH - WSTĘP dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

5 Podstawowe funkcje w komunikacji bezstykowej karta-terminal terminal power clock data data contactless smart card Transmisja zasilania Transmisja sygnału zegarowego Transmisja danych do karty Transmisja danych z karty STYKOWA TRANSMISJA DANYCH - WSTĘP dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

6 Metody transmisji bezprzewodowej Metody bezprzewodowej transmisji danych i zasilania: fale radiowe, mikrofale, transmisja optyczna sprzężenie pojemnościowe i sprzężenie indukcyjne Różne zastosowania różne rozwiązania problemy z kompatybilnością ISO/IEC JTC1/SC17/WG8 komitet powołany do standaryzacji i ograniczania liczby rozwiązań STYKOWA TRANSMISJA DANYCH - WSTĘP dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

7 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

8 Sprzężenie indukcyjne Najpopularniejsza z technik stosowanych w bezstykowych kartach elektronicznych Wszystkie metody opisywane w normach ISO/IEC stosują sprzężenie indukcyjne Zasada działania: jedno lub więcej uzwojeń wbudowanych w korpus karty stanowi drugą cewkę indukcji elektromagnetycznej, dzięki której można przesłać zarówno dane, jak i zasilanie ponieważ taka antena połączona jest z jednym (lub więcej) układem elektronicznym w korpusie karty STYKOWA TRANSMISJA DANYCH SPRZĘŻENIE INDUKCYJNE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

9 Podstawowa struktura karty bezstykowej ze sprzężeniem indukcyjnym chip antenna coil card body STYKOWA TRANSMISJA DANYCH SPRZĘŻENIE INDUKCYJNE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

10 Przykład KE ze sprzężeniem indukcyjnym Warstwa bezstykowej karty elektronicznej z wytrawionym uzwojeniem na potrzeby sprzężenia indukcyjnego Istnieje wiele sposobów produkcji uzwojeń i łączenia ich z chipem STYKOWA TRANSMISJA DANYCH SPRZĘŻENIE INDUKCYJNE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

11 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

12 Transmisja zasilania Karta działa w sposób pasywny Zasilanie potrzebne do działania układu elektronicznego karty musi być przetransmitowane z terminala STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA ZASILANIA dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

13 Zasada działania Cewka należąca do terminala generuje silne pole elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości (135 khz lub 13,56 MHz co odpowiada falom o długości 2400 lub 22 m) Jeśli karta elektroniczna znajdzie się w bliskości terminala to część pola magnetycznego przejdzie przez antenę karty i wygeneruje prąd zmienny o napięciu U i Prąd ten jest prostowany i używany do zasilania układów karty Sprzężenie pomiędzy cewkami terminala i karty jest stosunkowo słabe, więc efektywność tego połączenia nie jest duża STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA ZASILANIA dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

14 Zasada działania c.d. W konsekwencji bardzo duży prąd musi przepływać przez cewkę terminala aby wytworzyć wystarczająco silne pole magnetyczne, osiąga się to przez równoległe połączenie kondensatora C T z cewką L T, pojemność kondensatora jest tak dobrana, aby częstotliwość rezonansowa obwodu cewki i kondensatora odpowiadała częstotliwości sygnału używanego do transmisji zasilania do karty Cewka L C i Kondensator C 1 po stronie karty również tworzą obwód rezonansowy o tej samej częstotliwości rezonansowej Napięcie indukujące się po stronie karty jest proporcjonalne do częstotliwości sygnału, liczby zwojów cewki L C i obszaru objętego zwojami (ok. 100 do 1000 przy 125 khz, ale tylko 3 do 10 przy 13,56 MHz) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA ZASILANIA dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

15 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

16 Transmisja danych terminal karta Do transmisji danych z terminala do karty mogą być użyte wszystkie znane metody modulacji cyfrowej Najczęściej używane to: ASK (amplitude shift keying) kluczowanie amplitudy FSK (frequency shift keying) kluczowanie częstotliwości PSK (phase shift keying) kluczowanie fazy ASK i PSK stosowane najczęściej ze względu na łatwość demodulacji STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA DANYCH dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

17 Transmisja danych karta terminal Do transmisji danych z karty do terminala stosowany jest typ modulacji amplitudowej nazywany modulacją obciążeniową (load modulation) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA DANYCH dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

18 Zasada działania Gdy karta zostanie wprowadzona w bliskość terminala, pobierze zasilanie, co spowoduje wzrost prądu cewki I 0, i zostanie wykryte jako spadek napięcia na rezystorze R I Karta może modulować napięcie U 0 na terminalu przez zmianę obciążenia na własnej cewce (np. przyłączając lub odłączając rezystor R 2 ) Jeśli przełączanie rezystora jest sterowane sygnałem danych to dane mogą być odczytane w terminalu Wada wymaga znacznie szerszego pasma częstotliwości niż bezpośrednia modulacja STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA DANYCH dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

19 Podnośne i wstęgi boczne Wytworzone zmiany napięcia na cewce są bardzo małe (kilka mv) Jeśli używana jest podnośna o częstotliwości f H (f sc ), to otrzymany sygnał danych pojawia się w terminalu w postaci dwóch wstęg bocznych o częstotliwościach f c f sc Wstęgi boczne można odseparować od znacząco silniejszego sygnału terminala przepuszczając je przez filtr pasmowy i następnie wzmacniając Demodulacja takiego sygnału jest prosta STYKOWA TRANSMISJA DANYCH TRANSMISJA DANYCH dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

20 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

21 Sprzężenie pojemnościowe Stosowane, gdy odległość między kartą a terminalem jest mała Karta i terminal są wyposażone w przewodzące powierzchnie, które pełnią rolę elektrod kondensatora, gdy karta zostanie wsunięta do terminala (lub położona na) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH SPRZĘŻENIE POJEMNOŚCIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

22 Sprzężenie pojemnościowe - cechy Pojemność jaką można osiągnąć zależy głownie od rozmiaru nakładających się powierzchni oraz przerwy między nimi Maksymalna powierzchnia jest ograniczona rozmiarem karty, a minimalna przerwa między elektrodami zależy od wymaganej izolacji pomiędzy nimi Pojemność jaką można osiągnąć przy akceptowalnych nakładach jest rzędu kilkudziesięciu pf (wystarczająco do transmisji danych, za mało do transmisji zasilania) W efekcie stosuje się (zgodnie z normą ISO/IEC Close-Coupling Cards ) rozwiązania mieszane, w których zasilanie transmituje się przez sprzężenie indukcyjne STYKOWA TRANSMISJA DANYCH SPRZĘŻENIE POJEMNOŚCIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

23 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

24 Unikanie kolizji karta 1 terminal karta 3 karta 2 Szczególnie prawdopodobne w systemach o dużym zasięgu, ale też w systemach o krótkim zasięgu np. dwie leżące na sobie karty Każda karta próbuje odpowiedzieć na polecenie aktywujące z terminala, jeśli nastąpi to w tym samym czasie, to dojdzie do interferencji obydwu odpowiedzi i jeśli nie podejmie się odpowiedniej akcji, to do poważnych błędów w systemie STYKOWA TRANSMISJA DANYCH UNIKANIE KOLIZJI dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

25 Metody antykolizyjne Wymiana danych pomiędzy stacją bazową a wieloma ruchomymi stacjami jest dość często spotykanym zjawiskiem i nosi nazwę wielokrotnego dostępu Metody antykolizyjne umożliwiają rozróżnienie sygnałów pochodzących od różnych użytkowników Podział metod antykolizyjnych: SDMA (space division multiple access) TDMA (time division multiple access) FDMA (frequency division multiple access) CDMA (code division multiple access) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH UNIKANIE KOLIZJI dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

26 SDMA, TDMA, FDMA i CDMA SDMA podejście, w którym ogranicza się lub skanuje zasięg terminala tak, aby w danej chwili była wykryta tylko jedna karta; wymaga skomplikowanych i drogich anten; nie stosowane w środowisku kart bezstykowych TDMA poszczególne karty inaczej taktowane, dzięki temu mogą być osobno identyfikowane i adresowane przez terminal; najpopularniejsza z metod; ma wiele wariantów; niektóre ustandaryzowane FDMA różne częstotliwości nośne stosowane do wspierania kilku kanałów transmisji; skomplikowane i drogie; nieużywane w środowisku kart bezstykowych CDMA podobnie jak FDMA STYKOWA TRANSMISJA DANYCH UNIKANIE KOLIZJI dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

27 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

28 Bieżący stan standaryzacji początki procesu standaryzacji w tym zakresie ze strony ISO i IEC Cel opracowanie standardów dla kart bezstykowych zgodnych z normą ISO/IEC 7816 (łączenie istniejących technologii kart elektronicznych z technologią bezstykową) Techniczne możliwości transmisji zasilania i danych w dużej mierze zależą od odległości pomiędzy kartą a terminalem, nie jest zatem możliwe opracowanie jednego uniwersalnego standardu Obecnie obowiązują trzy różne normy: ISO/IEC Close coupling (CICC) do ok. 1cm ISO/IEC Proximity coupling (PICC) do ok. 10 cm ISO/IEC Vivinity coupling (VICC) do ok. 1 m STYKOWA TRANSMISJA DANYCH STANDARYZACJA dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

29 Historia standaryzacji Najpierw: ISO/IEC karty krótkiego zasięgu ze względu na problemy z transmisją zasilania na większe odległości, opracowane ze względu na obawy związane z nieprzetestowanymi kartami stykowymi ze względu na koszty produkcji bez większego znaczenia na rynku Rozwój technologii półprzewodnikowych, konstrukcje mikrokontrolerów o niższym zapotrzebowaniu na energię możliwość zwiększenia zasięgu do 10 cm 1994 początek prac nad standardami kart zbliżeniowych i karty VICC STYKOWA TRANSMISJA DANYCH STANDARYZACJA dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

30 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

31 Karty bliskiego zasięgu Muszą być wsunięte w szczelinę terminala lub położone na oznaczonym miejscu tego terminala Norma ISO/IEC Identification Cards Contactless Integrated Circuits(s) Card : Part 1: Physical characteristics (2 wersja 2000) Part 2: Dimension and location of coupling areas (wersja 1, 1995) Part 3: Electronic signals and reset procedures (wersja 1, 1996) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

32 Wymagania wobec ISO/IEC Jak największa kompatybilność z ISO/IEC 7816 Działanie bez względu na orientację karty względem terminala Zakres częstotliwości nośnej 3 5 MHz dla transmisji danych i zasilania Dwukierunkowa transmisja danych przy sprzężeniu indukcyjnym lub pojemnościowym Zużycie energii nie większe niż 150 mw STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

33 ISO/IEC części 1 i 3 Część 1 określa fizyczne właściwości karty te same wymagania jak dla kart stykowych odnośnie odporności na zginanie i skręcanie różnica odnośnie odporności na ładunek pola elektrostatycznego (10kV bezstykowe, 1,5 kv stykowe) Część 3 określa metody modulacji dla sprzężenia indukcyjnego i sprzężenia pojemnościowego nie został osiągnięty konsensus dotyczący tylko jednej metody terminal zgodny z normą musi więc działać według obydwu metod, a karta musi mieć zaimplementowane obydwie metody STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

34 ISO/IEC część 2 Określa położenie i wymiary cewek i elektrod kondensatora w karcie i w terminalu Układ ma zapewniać poprawne działanie bez względu na orientację karty Legenda: 1 uzwojenie karty, 2 elektrody pojemnościowe karty, 3 styki układu, 4 uzwojenia terminala, 5 elektrody pojemnościowe terminala STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

35 ISO/IEC część 2 c.d. Wymiary obszarów sprzężenia wg ISO/IEC STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

36 Transmisja zasilania Sinusoidalnie przemienne pole magnetyczne o częstotliwości 4,9152 MHz przepływające przez jedną lub więcej cewek (w zależności od tego ile jest ich w karcie) Terminal musi generować cztery różne pola F1 i F2 przechodzą przez obszar H1 i H2 i są przeciwne w fazie F3 i F4 przechodzą przez H3 i H4 i też są przeciwne w fazie przesunięcie fazowe pomiędzy F1 a F3 oraz między F2 a F4 wynosi 90 Każde z pól magnetycznych jest na tyle silne, aby przesłać energię o wartości co najmniej 150mW, ale karta nie może jej zużyć więcej niż 200mW STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

37 Indukcyjna transmisja danych z karty do terminala Najpierw generowana poprzez modulację obciążeniową jest podnośna o częstotliwości 307,2 khz ze zmianą obciążenia co najmniej 10% Następnie przeprowadzana jest modulacja danych (przesuwanie fazy podnośnej o 180) co może być interpretowane jako dwa stany odpowiadające logicznemu 0 i logicznej 1 Stan początkowy (po pojawieniu się pola magnetycznego) odpowiada logicznej jedynce i trwa przez 2 ms, potem każde przesunięcie fazy podnośnej odpowiada zmianie stanu logicznego (kodowanie NRZ) Prędkość transmisji danych 9600 bitów/s STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

38 Zasada działania modulacji fazowej w transmisji danych do KE Górny wykres zmienne pole magnetyczne Dolny wykres stany fazy Nośna MHz Podnośna 307,2 MHz STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

39 Indukcyjna transmisja danych z terminala do karty Cztery zmienne pola magnetyczne F1-F4 przechodzące przez obszary H1-H4 są modulowane przy użyciu PSK tak, że pola są wzajemnie przesunięte w fazie o 90 W efekcie mamy dwa stany fazy A i A Prowadzi to do dwóch różnych układów stanów fazy w zależności od orientacji karty względem terminala STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

40 Diagram taktowania transmisji danych wg ISO/IEC Ponieważ karta musi działać bez względu na orientację względem terminala, stan logicznej jedynki jest ustalany w czasie stanu początkowego (interwały t 2 i t 3 ) każda późniejsza zmiana fazy odpowiada zmianie stanu logicznego (kodowanie NRZ) t 0 8 ms czas powrotu po resecie, t 1 0,2 ms czas włączenia zasilania, t 2 = 8 ms czas inicjacji, t 3 = 2 ms czas stabilnego stanu logicznego, t 4 30 ms czas odpowiedzi na reset STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

41 Pojemnościowa transmisja danych Do transmisji z karty do terminala używana jest jedna para obszarów sprzężenia E1 i E2 lub E3 i E4 (w zależności od orientacji karty względem terminala) Druga para jest używana do transmisji w przeciwnym kierunku Terminal rozpoznaje orientację karty na podstawie pary użytej przez kartę do wysłania ATR Max napięcie między parą obszarów jest ograniczone do 10V, jednak nie może być mniejsze niż 300mV Kodowanie różnicowe NRZ osiągane przez odwrócenie napięcia między obszarami E1 i E2 lub E3 i E4 Stan początkowy odpowiadający logicznej jedynce jest ustalany w interwale t 3, każda późniejsza zmiana polaryzacji odpowiada zmianie stanu logicznego STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

42 Czasy związane z nawiązywaniem transmisji Minimalny czas powrotu po resecie (t 0 ) reset odbywa się przez wyłączenie pola przekazującego zasilanie i ponowne włączenie go, czas w którym zasilanie nie jest transmitowane musi wynosić co najmniej 8 ms Maksymalny czas włączenia zasilania (t 1 ) czas przeznaczony na włączenie transmitowanego zasilania po resecie, nie może być większy niż 0,2 ms Czas inicjacji (t 2 ) czas 8 ms, w ciągu którego karta powinna osiągnąć stan stabilny STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

43 Czasy związane z nawiązywaniem transmisji c.d. Czas stabilnego stanu logicznego (t 3 ) czas 2 ms, przez który musi być utrzymany stabilny stan odpowiadający logicznej jedynce, zanim zostanie wysłany komunikat ATR Maksymalny czas odpowiedzi na reset (t 4 ) karta musi rozpocząć wysyłanie ATR nie później niż 30 ms po ustaleniu logicznej jedynki, wysyłając ATR karta może żądać zmiany poziomu zasilania, prędkości transmisji, częstotliwości pola STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY BLISKIEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

44 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

45 Karty zdalnego zasięgu Bezstykowe karty elektroniczne o zasięgu transmisji danych od kilku centymetrów do około 1 metra od terminala Zastosowania wszędzie tam, gdzie wymiana danych między terminalem a kartą musi odbywać się bez umieszczania karty w terminalu Przykłady zastosowań: kontrola dostępu identyfikacja pojazdów bilety elektroniczne środki masowego transportu w komunikacji lokalnej skipasy bilety lotnicze portmonetki elektroniczne identyfikatory bagażu STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZDALNEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

46 Klasyfikacja kart zdalnego zasięgu Bardzo duża liczba różnych zastosowań różnorodność rozwiązań technicznych Próba ograniczenia ich liczby w procesie standaryzacji średni skutek Karty zdalnego zasięgu wg norm ISO/IEC: karty zbliżeniowe (PICC) ISO/IEC typowy zasięg ok. 10 cm karty VICC (VICC) ISO/IEC typowy zasięg ok. 1m STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZDALNEGO ZASIĘGU dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

47 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

48 Karty zbliżeniowe Bezstykowe karty elektroniczne o zasięgu działania do ok. 10 cm Zgodne z normą ISO/IEC Liczba kart zgodnych z normą, a będących w użyciu w obszarach zastosowań związanych z płatnościami, transportem publicznym, dokumentami podróżnymi i systemami kontroli dostępu już w 2008 roku przekraczała 100 milionów egzemplarzy Zasięg w granicach 10 cm daje dodatkowe zabezpieczenie (oprócz tych stosowanych również w kartach stykowych) przed podsłuchaniem transmisji (problemy z ukryciem anteny w bezpośrednim sąsiedztwie terminala) Karta musi przebywać w zasięgu terminala przez cały czas komunikacji, usunięcie jej z pola zasięgu grozi zerwaniem komunikacji, rozsądnym czasem komunikacji są dziesiąte sekundy STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

49 Norma ISO/IEC Identification cards Contactless integrated circuit(s) cards Proximity card) Zawartość parametry i zasady działania bezstykowych kart elektronicznych o zasięgu działania do ok. 10 cm Kompatybilna z ISO/IEC 7816 niektóre karty z dualnym interfejsem wyposażone również w styki Pierwsza wersja w 2001 Praktyczne zastosowanie zapisów normy zaowocowało koniecznością opracowania i poprawek i dodatków STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

50 Struktura normy ISO/IEC Bieżący stan normy bez poprawek i dodatków Part 1: Physical characteristics (2008) Part 2: Radio frequency power and signal interface (2010) Part 3: Initialization and anticollision (2011) Part 4: Transmission protocol (2008) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

51 Własności fizyczne Określone w ISO/IEC Part 1 Rozmiary zgodne z ID-1 Karta musi być odporna na działanie pola elektromagnetycznego o określonych w normie parametrach STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

52 Transmisja zasilania Sprzężenie indukcyjne Według normy terminal nosi nazwę PCD (proximity coupling device) Częstotliwość transmisji f c 13,56 MHz 7 khz Natężenie pola magnetycznego co najmniej 1,5 A/m ale nie więcej niż 7,5 A/m Efektywny zasięg można określić na podstawie natężenia pola magnetycznego PCB i i natężenia wzbudzonego pola karty PICC (dla typowych wartości 7,5 A/m dla PCB i 1,5W/m karty zasięg wynosi ok 10 cm) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

53 Wykres zależności natężenia pola magnetycznego PCD STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

54 Interfejs komunikacyjny Norma ISO/IEC definiuje dwa interfejsy: Type A i Type B Przyczyna w czasie opracowywania normy istniały dwa różne rozwiązania Wszystkie terminale muszą obsługiwać obydwa protokoły, większość kart obsługuje tylko jeden Terminal w stanie bezczynności (oczekiwania na kartę) musi okresowo przełączać się między protokołami Po rozpoznaniu typu karty terminal używa jednego protokołu aż do momentu dezaktywacji karty przez terminal lub wyjścia karty poza zasięg roboczy terminala Jeżeli karta otrzyma polecenie skierowane do kart innego typu musi powrócić do stanu bezczynności (reguły w ISO/IEC Part 3) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY ZBLIŻENIOWE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

55 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

56 Karty VICC Bezstykowe karty o zasięgu roboczym do 1 m zgodne z normą ISO/IEC Identification cards Contactless integrated circuit(s) cards Vicinity cards Zwiększony zasięg nie pozwala na transmisję zasilania o odpowiednim napięciu dla mikrokontrolera w efekcie karta VICC wyposażona jest jedynie w układ pamięci z prostą logiką zabezpieczeń w postaci automatu skończonego STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

57 Karty VICC - zastosowania Głównie kontrola dostępu (przy tym zasięgu nie trzeba wyjmować karty z portfela, kieszeni, torebki itp.) Identyfikatory pracownicze, które muszą być umieszczone w widocznym miejscu i dlatego są wyposażone w otwór np. do przypięcia smyczy W obydwu przypadkach pojawiają się problemy użytkownika z rozpoznaniem, czy karta jest w zasięgu terminala efekt przypadkowe użycia karty STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

58 Położenie i wymiary otworu dla karty VICC stosowanej jako identyfikator Dwie dopuszczalne orientacje pionowa i pozioma Tolerancja wymiarów 0,5 mm dla wszystkich wymiarów STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

59 Struktura normy ISO/IEC Part 1: Physical characteristics (2000) Part 2: Air interface and initialization (2006) Part 3: Anticollision and transmission protocol (2009) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

60 Transmisja danych i zasilania Opisane w ISO/IEC Part 2 Zasilanie transmitowane przez zmienne pole magnetyczne terminala (PCD proximity coupling device) o częstotliwości nośnej 13,56 MHz Karta wyposażona w antenę o 3-6 zwojach Minimalne i maksymalne natężenie pola magnetycznego wynosi odpowiedni H min =150 ma/m oraz H max =150 A/m STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

61 Transmisja danych z terminala do karty Norma określa kilka metod modulacji i kodowania: zaleta spełnione wymagania różnych aplikacji i różnych uwarunkowań narodowych i międzynarodowych wada bardziej skomplikowane i z tego powodu droższe układy elektroniczne ASK jest używane z indeksem modulacji 10% lub 100% Charakterystyki czasowe podobne do tych zdefiniowanych dla kart zbliżeniowych Dwie opcje modulacji niezależne od indeksu modulacji: schemat 1 z 256 schemat 1 z 4 PPM (pulse position modulation) używane w obydwu przypadkach (wartość przesyłanego znaku jest określana względnym czasem pulsu modulacji Różne kombinacje metod modulacji i metod kodowania mogą mieć różne przeznaczenie STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

62 Transmisja danych z terminala do karty Dialog między terminalem (VCD) a kartą (VICC) rozpoczyna się od następujących kroków: VICC jest aktywowane zmiennym polem magnetycznym VCD VICC czeka na polecenie z VCD VCD wysyła polecenie VICC wysyła odpowiedź Dane są wysyłane w ramkach ograniczonych znacznikami SOF i EOF cel: uprościć synchronizację Terminal wskazuje karcie wybraną metodę kodowania w znaczniku SOF pierwszej wysłanej ramki Czas transmisji jednego bajta ok. 75,72 s Prędkość transmisji 26,48 kbit/s (f c /512) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

63 Transmisja danych z karty do terminala Modulacja obciążeniowa z podnośną generowaną przez zmianę obciążenia karty Kodowanie danych wg kodu Manchester z modulacją ASK lub FSK Dwie prędkości transmisji niska przeznaczona między innymi do transmisji na większe odległości wysoka Wybrana opcja ASK/FSK i niska/wysoka prędkość transmisji określane przez terminal w nagłówku protokołu transmisji STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

64 Częstotliwość podnośnej, prędkość transmisji ramka Częstotliwość podnośnej f s1 432,75 (f c /32) dla ASK i FSK f s2 484,28 (f c /28) tylko dla FSK Prędkość transmisji: niska 6,62 kbit/s (f c /32) dla ASK i FSK wysoka 28,48 kbit/s (f c /2048) dla ASK i 26,69 kbit/s (f c /508) dla FSK Ramka: ograniczona znacznikami SOF oraz EOF parametry znaczników SOF oraz EOF nie podlegają regułom kodowania i dzięki temu początek i koniec każdej ramki może być rozpoznany bez konieczności dekodowania strumienia danych STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

65 Protokół transmisji Karta jest aktywowana zmiennym polem magnetycznym terminala i przechodzi w stan oczekiwania Prostszy od innych ponieważ karta nie ma mikrokontrolera Tylko dwa polecenia obowiązkowe (na potrzeby sekwencji antykolizyjnej) pozostałe polecenia opcjonalne Master-slave Każde polecenie jest ujęte w nawiasy SOF i EOF Polecenie składa się z następujących pól: SOF, flagi, parametry, dane, CRC, EOF STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

66 Protokół transmisji c.d. Pole flag jest używane przez terminal do informowania karty o sposobie modulacji ASK lub FSK, prędkości transmisji itd. Karta używa pola flag do przekazania zwrotnie informacji, czy wystąpił błąd Terminal może używać mechanizmów antykolizyjnych i mechanizmów selekcji do wyboru jednej z kart w zasięgu roboczym i wyciszenia pozostałych na podstawie numeru UID Logika zabezpieczeń ma na ogół funkcjonalność określoną przez producenta i nie jest swobodnie programowalna, producenta można rozpoznać na podstawie informacji zawartych w UID STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

67 UID UID unique identifier Unikalny 64 bitowy numer identyfikacyjny karty pozwalający na indywidualne rozróżnianie kart w celach antykolizyjnych Format UID bity E0 bity kod producenta karty bity numer seryjny karty STYKOWA TRANSMISJA DANYCH KARTY VICC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

68 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

69 NFC Near Field Communication Standard komunikacji bezprzewodowej opracowywany od 2002 przez Sony (technologia FeliCa) i NXP (technologia Mifare) Łączy w sobie technologię identyfikacji bezstykowej wg ISO/IEC i technologie połączeń bezprzewodowych Cel: zastosowanie technologii bezstykowej 13,56 MHz w celu uproszczenia pracy sieciowej (Blootooth, WLAN, telefonia komórkowa) urządzeń posiadających własność NFC umieszczenie takiego urządzenia w bliskości czytnika zwalnia użytkownika z konieczności konfigurowania połączenia i identyfikowania urządzenia Bieżący stan specyfikacji na NFC Forum ( STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

70 NFC a karty bezstykowe Karty bezstykowe stanowią tylko pewną część standardu NFC Jeden obszar zastosowań wspólny dla kart zbliżeniowych i NFC w sektorze płatności W niektórych zastosowaniach urządzenia NFC (na przykład telefony komórkowe) mogą całkowicie zastąpić karty bezstykowe przejmując wszystkie funkcje karty Zastosowania takie są możliwe ponieważ format i rozmiary karty/urządzenia NFC nie są istotne Urządzenia NFC ze względu na zgodność z ISO/IEC mogą korzystać z infrastruktury stworzonej dla kart bezstykowych STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

71 Stan standaryzacji Jednostką odpowiedzialną organizacja non-profit NFC Forum powołana w 2004 przez Philipsa, Sony i Nokię Cel: propagowanie na całym świecie technologii NFC Liczba członków NFC Forum ponad 130 (producenci, twórcy aplikacji, dostawcy usług finansowych, firmy transportowe, organizacje non-profit) Specyfikacje NFC: 2004 Telecommunication and information exchange between systems Near Field Communication Interface and Protocol 2006 architektura technologii (w tym NDEF NFC Data Exchange Format) 2007 cztery różne typy znaczników wspierane przez urządzenia NFC Zamienność zastosowań standardu zbliżeniowych kart bezstykowych i standardu NFC sprawia, że karty zbliżeniowe mogą być czytane przez urządzenia NFC a terminale bezstykowe mogą się komunikować ze znacznikami NFC STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

72 Typy znaczników NFC Type 1 i Type 2 odpowiadają standardowi ISO/IEC Type A: pamięć rzędu 1-2 kbitów i prędkość transmisji 106 kbit/s tanie i odpowiednie dla masowych zastosowań, gdzie wysoki poziom bezpieczeństwa nie jest wymagany Type 3 odpowiada specyfikacji FeliCa: pamięć 2 kb i prędkość transmisji 212 kbit/s odpowiednie dla bardziej skomplikowanych zastosowań, wyższy poziom bezpieczeństwa Type 4 w pełni kompatybilne z ISO/IEC (Type A i Type B) pamięć do 64 kb i prędkość transmisji 424 kbit/s odpowiednie do wielofunkcyjnych zastosowań o wysokim poziomie bezpieczeństwa - niestety drogie STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

73 Protokół NFC Podobny do protokołu kart zbliżeniowych Zasadnicza różnica obie strony mogą pełnić funkcję master Półdupleks, unikanie kolizji przez nasłuchiwanie czy ktoś nie nadaje przed rozpoczęciem nadawania Protokół rozróżnia stronę inicjującą połączenie (master) i odbiorcę (slave), aczkolwiek te role mogą ulec zmianie w czasie komunikacji Strona inicjująca wybiera początkową prędkość transmisji ze zbioru 106, 212 i 424 kbit/s, która w dalszej części połączenia może ulec zmianie w zależności od wymagań aplikacji i możliwości urządzeń STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

74 Protokół NFC tryby komunikacji Dwa tryby komunikacji: aktywny (wszystkie urządzenia NFC generują swoje własne pola wysokiej częstotliwości na częstotliwości nośnej dla transmisji danych) i bierny (tylko strona inicjująca generuje takie pole) a odbiorca (stosuje modulację obciążeniową) W trybie aktywnym urządzenia NFC są w stanie wymieniać wszystkie typy danych na odległość do 20 cm W trybie pasywnym rozróżniane są dwa przypadki: urządzenie NFC przejmuje rolę terminala PCD (dla kart zbliżeniowych wg ISO/IEC 14443) urządzenie NFC przejmuje rolę pasywną (nie generuje pola) i działa jak zwykła karta zbliżeniowa STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

75 Zastosowania technologii NFC Trzy podstawowe kategorie: szybki dostęp do serwisów informacyjnych użytkownik trzyma urządzenie NFC (np. telefon) w pobliżu znacznika i w ułamku sekundy otrzymuje informację (komunikat, adres www, numer telefonu, itp. krótkie informacje) przykład: inteligentny plakat wymiana informacji p2p nawiązanie komunikacji między dwoma urządzeniami NFC (przez zbliżenie ich do siebie) w celu wymiany danych (małych ilości dla dużych lepiej użyć innej technologii) mobilne płatności urządzenie NFC przejmuje rolę bezstykowej karty płatniczej, użytkownik ma ponadto dostęp do historii transakcji przechowywanej w urządzeniu mobilnym, STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

76 Bezpieczne NFC W zastosowaniach płatności mobilnych niezbędne jest wprowadzenie do urządzenia NFC komponentu bezpieczeństwa Trzy opcje: układ zabezpieczeń umieszczony na stałe w urządzeniu mobilnym problem z wymianą urządzenia mobilnego zastosowanie zewnętrznej bezpiecznej karty pamięci (np. secure microsd) karta SIM lub USIM zawiera aplikację płatniczą Wybór opcji zależy od ustaleń między stronami (operator sieciowy, banki, wydawca karty, producent, sprzedawca) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

77 Sposoby integracji elementu zabezpieczeń w urządzeniach NFC STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

78 Bezpieczne NFC - standaryzacja Jednostka odpowiedzialna konsorcjum Global Platform Warunek konieczny rozwiązanie musi być niezależne od sposobu integracji komponentu zabezpieczeń i musi obsługiwać wiele architektur telekomunikacji mobilnej (GSM, UMTS, CDMA) Potwierdzenie autoryzacji (tzw. personalizacja i aktywacja OTA (on the air)) powinno być wykonane przez firmę trzecią STYKOWA TRANSMISJA DANYCH NFC dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

79 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

80 FeliCa System kart bezstykowych opracowany przez Sony Stosowany w Japonii i innych krajach azjatyckich Obszary zastosowań obejmują systemu biletowe i elektronicznej portmonetki Oferowane są karty z kilkoma układami pamięci z zintegrowaną logiką zabezpieczeń razem z odpowiednimi terminalami Technologia zbliżona do tej opisanej w normie ISO/IEC (zaproponowany do włączenia do tej normy jako Type C, ale nie osiągnięto konsensusu) Częstotliwość pracy 13,56 MHz, transfer danych 212 kbitów/s, kod Manchester Kompatybilny z normą ISO/IEC (Near Field Communication) STYKOWA TRANSMISJA DANYCH MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

81 Plan Wstęp Sprzężenie indukcyjne Transmisja zasilania Transmisja danych Sprzężenie pojemnościowe Unikanie kolizji Standaryzacja Karty bliskiego zasięgu Karty zdalnego zasięgu Karty zbliżeniowe Karty VICC NFC FeliCa MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

82 MIFARE Ogólnoświatowy system kart bezstykowych opracowany przez NXP (Philips) Kompatybilny z normą ISO/IEC Type A (Proximity Integrated Circuit(s) Cards) oraz ISO/IEC (Near Field Communication) Standardowe produkty to karty z kilkoma typami układów pamięci ze zintegrowaną logiką zabezpieczeń oraz kilkoma typami mikrokontrolerów (również układów z dualnym interfejsem) a także odpowiednie terminale STYKOWA TRANSMISJA DANYCH MIFARE dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,

83 Dziękuję za uwagę. dr inż. Marek Mika, Instytut Informatyki, Politechnika Poznańska,