Niniejszy artykuł jest pierwszym z cyklu poświęconego Radio Frequency IDentification (RFID), ze szczególnym uwzględnieniem kwestii związanych z bezpieczeństwem. Stanowi wprowadzenie do podstawowych zagadnień związanych z technologią RFID, która w coraz większym stopniu wkracza w nasze życie, choć jeszcze niewiele osób o niej słyszało. Edgar Głowacki Bezpieczeństwo RFID Siła przyzwyczajenia do wygodnych rozwiązań Przyzwyczajenie jest naszą drugą naturą, która najbardziej daje o sobie znać w momencie, gdy okazuje się, że w konkretnej sytuacji nie możemy liczyć na wygodne rozwiązania, do których zdążyliśmy przywyknąć. Wystarczy zajrzeć do własnego portfela dość szybko zauważymy, że większość jego objętości zajmują plastikowe karty o wymiarach standardowych lub, coraz częściej, bardziej poręczne karty o wymiarach zmniejszonych. Pewnie nieszczególnie będziemy tym faktem zdziwieni, skoro wymieniając portfel na nowy coraz częściej kierujemy się liczbą kieszonek porządkujących coraz bogatszy zestaw kart. Coraz rzadziej natomiast znajdziemy w naszym portfelu gotówkę, która jeszcze 10 lat temu stanowiła główną jego zawartość. Zasadniczo przeznaczenie naszego portfela nadal przechowujemy w nim pieniądze, tyle że w innej postaci. Przyzwyczailiśmy się, że idąc na zakupy nie musimy się troszczyć o fizyczne posiadanie przy sobie odpowiedniej kwoty. Wystarczy mieć przy sobie kawałek plastiku z paskiem magnetycznym, bądź coraz częściej chipem, a możemy mieć dostęp nawet do wszystkich zasobów finansowych zgromadzonych na koncie, a także dokonywać płatności nie posiadając odpowiednich środków w chwili zakupu. To nasze przyzwyczajenie sprawia, że bywamy zaskoczeni, gdy dowiadujemy się, że w danej placówce handlowej, czy punkcie gastronomicznym niestety nie możemy uiścić należności w sposób, który jest dla nas wygodny i oczywisty. Zależnie od sytuacji, jesteśmy wówczas zmuszeni do poszukania najbliższego bankomatu, lub też rezygnacji z zakupu produktu, czy usługi. Kod paskowy prosty sposób na ułatwienie życia Kod paskowy (ang. barcode) w swoim czasie zrewolucjonizował proces wprowadzania informacji do systemów informatycznych. Od tamtej pory, w sposób dla nas nieco niedostrzegalny, stał się elementem naszej codzienności, mającym istotny wpływ na efektywność tak pospolitych czynności, jak np. zakupy. Coraz rzadziej jesteśmy świadkami wbijania cen produktów na podstawie metki przyklejonej za pomocą tzw. metkownicy. Praca kasjera ograniczyła się praktycznie do przeciągania kodu paskowego umieszczonego na artykule przez czytnik oraz pobrania płatności. Stąd tylko 44
Narzędzia ochrony krok do zastąpienia kasjerów kasami samoobsługowymi (ang. self checkout machines), z którymi coraz częściej możemy się spotkać w sieciowych hipermarketach. Prawdopodobnie, w naszym kraju urządzenia te jeszcze przez jakiś czas nie będą tak powszechne, jak np. w Stanach Zjednoczonych, co wynika po pierwsze z wciąż niskich kosztów pracy, ale także różnic kulturowych. Należy się jednak spodziewać, że w ciągu najbliższej dekady stanowiska kasjerskie ustawione w dużych sklepach będą w większości samoobsługowe. Najważniejsze korzyści płynące z wdrożenia kas automatycznych oczywiście poza redukcją kosztów osobowych to: powtarzalna precyzja oraz uczciwość zarówno wobec klienta, jak i sieci handlowej. Zwłaszcza ten drugi argument zdecydowanie przemawia za stosowaniem kas samoobsługowych biorąc pod uwagę wielkość strat ponoszonych co roku przez sieci handlowe w wyniku nieuczciwości kasjerów [1]. RFID sprawca cichej rewolucji O ile większość z nas zdaje sobie sprawę z istnienia kodu paskowego, o tyle w znacznie mniejszym stopniu jesteśmy świadomi innej rewolucji, która powoli obejmuje coraz większy obszar otaczającej nas rzeczywistości, zmieniając jakość naszego życia (niekoniecznie zawsze na lepsze). Sprawcą zachodzących na naszych oczach zmian jest technologia, o której w naszym kraju niewiele osób słyszało, mimo iż coraz częściej mamy z nią styczność. W Polsce nie doczekała się ona również tak wielu wdrożeń, jak w innych częściach świata w tym przede wszystkim w Stanach Zjednoczonych. Część Czytelników domyśla się już zapewne, że mowa o Radio-Frequency IDentification w skrócie RFID. Osoby, które zetknęły się z akronimem RFID, zazwyczaj określają tą technologię jako radiowy kod kreskowy, względnie kod kreskowy nowej generacji. Jest do definicja poprawna, choć o tyle nietrafna, że nieodłącznie nasuwa skojarzenie z handlem i logistyką, tymczasem jest to tylko jeden z obszarów zastosowania RFID. Podstawy działania Urządzenia wchodzące w skład każdego rozwiązania RFID można zasadniczo podzielić na dwa rodzaje: czytniki (readers), zwane również stacjami bazowymi, oraz etykiety (tags). Istnienie dwóch typów urządzeń wynika bezpośrednio z przyjętej architektury, wyróżniającej w każdym systemie opartym o RFID elementy, które w uproszczeniu można określić jako aktywne lub pasywne. Etykiety RFID, czyli komponenty pasywne, zasadniczo pełnią funkcję nośników informacji. Z kolei zadaniem aktywnych czytników jest uzyskanie dostępu do informacji zapisanej w etykietach. W systemie opartym o komunikację radiową oznacza to odpytywanie etykiet przez czytniki, stąd też czytniki RFID często nazywa się urządzeniami nasłuchującymi, bądź też przesłuchującymi (interrogators), z kolei w odniesieniu do tagów RFID używa się również nazwy transponderów, czyli urządzeń odzewowych. Odmienna architektura systemu RFID wynika oczywiście z innego przeznaczenia należy pamiętać, że jednym z najważniejszych zastosowań RFID jest zastąpienie tradycyjnych kodów paskowych, które z istoty są biernymi nośnikami informacji. Nie ma zatem potrzeby, by urządzenie RFID dołączone do artykułu w zastępstwie kodu kreskowego posiadało możliwości bezprzewodowej karty sieciowej. Drugim, o wiele istotniejszym powodem, są względy ekonomiczne. Co prawda, koszty wytwarzania elektroniki stale maleją, ale w przewidywalnej przyszłości nie należy się spodziewać, że cena dość skomplikowanego układu odpowiedzialnego za komunikację bezprzewodową i dodatkowo posiadającego własne źródło zasilania osiągnie poziom porównywalny z kosztem wytworzenia etykiety papierowej z nadrukowanym kodem paskowym. Oznacza to, że RFID nie wyprze całkowicie z użycia tradycyjnych kodów paskowych zwłaszcza w oznakowywaniu towarów, których wartość jednostkowa jest niższa niż ok. 5 dolarów. Etykiety RFID Etykiety RFID stanowią swego rodzaju pomost, umożliwiający utożsamienie przedmiotów występujących w świecie rzeczywistym z ich wirtualną reprezentacją w postaci struktur danych zapisanych w systemie informatycznym. Transpondery RFID to zazwyczaj urządzenia o możliwie najprostszej budowie, tak aby koszt ich wytworzenia stanowił niewielki ułamek wartości przedmiotu, do którego zostały przymocowane. Podstawowymi podzespołami etykiety RFID są: niewielki układ scalony przechowujący unikalny numer identyfikacyjny, oraz antena umożliwiająca komunikację za pośrednictwem fal radiowych. Układy scalone stanowiące o funkcjonalności etykiety osiągają niekiedy mikroskopijne rozmiary rzędu części milimetra długości i szerokości. Ponadto, transpondery mogą być wyposażone w dodatkowe komponenty najczęściej różnego rodzaju czujniki (np. temperatury). Przeprowadzony wyżej podział urządzeń RFID, zgodnie z którym możliwości etykiet ograniczają się wyłącznie do udzielania odpowiedzi na zapytania czytników, nie jest do końca zgodny z rzeczywistością. Organizacja Auto-ID Labs 1, a w ślad za nią współpracujące z nim nią konsorcjum EPCglobal 2, definiują sześć różnych klas etykiet RFID, wyróżnionych w oparciu o dodatkowe kryteria (patrz tabelka). Poza sposobem uczestnictwa w sieci RFID (aktywny/pasywny), zasadniczymi elementami przekładającymi się bezpośrednio na właściwości użytkowe etykiet są: sposób komunikacji z otoczeniem, źródło zasilania oraz rodzaj pamięci przechowującej identyfikator (read-only/read-write). Większość wykorzystywanych transponderów RFID to etykiety klasy 0 lub 1, o relatywnie prostej konstrukcji, umożliwiające jednorazowe ustawienie wartości identyfikatora [2]. Zgodnie z klasyfikacją drugiej generacji EPCglobal (Gen-2), opublikowaną w grud- PRZYPISY 1 Auto-ID Labs organizacja zrzeszająca zespoły badawcze specjalizujące się w rozwoju sieci RFID ulokowane w siedmiu ośrodkach akademickich na świecie. 2 EPCglobal międzynarodowa organizacja powołana w celu wypracowania standardów w zakresie elektronicznego kodu produktu (Electronic Product Code EPC) wykorzystującego technologię RFID. 45
niu 2004, zasadniczą cechą odróżniającą klasę 1 transponderów RFID od klasy 0 jest możliwość samodzielnego (jednorazowego) ustawienia identyfikatora przez użytkownika (write once, read many WORM) [3] [4]. Identyfikatory etykiet klasy 0 są ustawiane w trakcie procesu produkcyjnego bez możliwości późniejszej zmiany. Zaletą tagów tego rodzaju jest przede wszystkim cena poniżej 10 centów za sztukę przy zakupach hurtowych [5] oraz łatwa utylizacja [2]. Klasyfikacja EPCglobal zakłada, iż wymagania określone na każdym kolejnym poziomie są realizowane w oparciu o funkcjonalności niższych klas. Transpondery zgodne z klasą 2 i wyżej, umożliwiają dowolną modyfikację identyfikatora lub innej informacji zapisanej w pamięci bez ograniczeń wpływających na użytkowanie. Większe możliwości wiążą się oczywiście z wyższą ceną jednostkową, co skłania do ponownego użycia tej samej etykiety. Tagów RFID wyższych klas nie stosuje się do oznakowywania pojedynczych produktów np. komponentów elektronicznych, ale raczej do opakowań zbiorczych wielokrotnego użycia (skrzynek, beczek, kontenerów, czy palet). Etykiecie przymocowanej do opakowania zbiorczego można każdorazowo nadać identyfikator zależny od numeru dostawy, w której opakowanie to zostało wykorzystane. Sposób zasilania transpondera RFID wpływa na efektywny zasięg działania. Przepływ elektronów w obwodzie całkowicie pasywnej (purely passive) etykiety RFID jest wymuszany poprzez zjawisko indukcji powstającej w chwili umieszczenia taga w polu elektromagnetycznym wytwarzanym przez czytnik. Z użytkowego punktu widzenia oznacza to ograniczenie zasięgu odczytu do co najwyżej kilku metrów. Moc pola elektromagnetycznego emitowanego przez urządzenia znajdujące się w powszechnym użytku w tym również czytników RFID została ograniczona prawnie [6] [7] z uwagi na nie do końca rozpoznane konsekwencje zdrowotne związane z ekspozycją na promieniowanie elektromagnetyczne. Transpondery pasywne komunikują się z czytnikami w oparciu o tzw. rozproszenie wsteczne (backscattering) [2] [8] polegające na modulacji amplitudowej pola elektromagnetycznego wytworzonego przez stację bazową. Wymiana danych oparta o rozproszenie wstecznym jest możliwa dzięki temu samemu zjawisku, które znamy z transformatora (!). Transformator jest urządzeniem umożliwiającym zmianę wartości określonych parametrów prądu zmiennego przy stosunkowo niewielkiej utracie energii. Działanie transformatora jest oparte o zjawisko fizyczne, polegające na zamianie energii elektrycznej w magnetyczną i na odwrót pola magnetycznego w energię elektryczną. Transformator składa się z jednej lub więcej cewek (uzwojeń). Uzwojenie podłączone do źródła prądu zmiennego określa się uzwojeniem pierwotnym. Przepływ prądu przemiennego powoduje powstanie zmiennego pola magnetycznego, które na zasadzie indukcji elektrycznej wymusza przepływ prądu zmiennego w pozostałych uzwojeniach zwanych wtórnymi. Z praktycznego punktu widzenia najważniejszą cechą transformatora jest możliwość modyfikacji wartości napięcia pojawiającego się na uzwojeniu wtórnym, poprzez manipulację liczbą zwojów. W tzw. transformatorze idealnym czyli bez uwzględnienia strat energetycznych stosunek napięć między zaciskami uzwojenia wtórnego i pierwotnego jest bowiem równy współczynnikowi będącemu wynikiem podzielenia liczby zwojów uzwojenia wtórnego przez liczbę zwojów uzwojenia pierwotnego. Połączenie RFID to rodzaj transformatora bezrdzeniowego (air-core transformer), w którym antena czytnika pełni rolę uzwojenia pierwotnego, natomiast antena etykiety pasywnej odpowiada uzwojeniu wtórnemu. Nośnikiem komunikacji między stacją bazową a transponderem są chwilowe spadki napięcia po stronie uzwojenia czytnika, będące efektem manipulacji liczbą zwojów po stronie etykiety. Stacja bazowa jest w stanie wykryć te zaburzenia, a co za tym idzie, zdekodować sygnał przesłany przez transponder. Etykiety klasy 3 i wyżej korzystają z własnego źródła zasilania, którym zazwyczaj jest niewymienialna bateria stanowiąca integralną część transpondera. Tagi półpasywne (klasa 3) komunikują się z czytnikami na tej samej zasadzie co etykiety pasywne tj. za pomocą rozproszenia wstecznego [2] [8]. Niezależne źródło energii jest wykorzystywane przez tego rodzaju transpondery do zasilania wyposażenia dodatkowego np. różnego rodzaju czujników. Wykorzystanie własnego źródła energii do komunikacji przez etykiety aktywne (klasy 4 i 5) znacznie zwiększa efektywny zasięg tych urządzeń [4] [8] nawet do kilku kilometrów (!). Niestety, istnieje również druga strona medalu uzależnienie od własnego źródła zasilania ogranicza żywotność transponderów aktywnych. 46
Narzędzia ochrony 47
Konstruktorzy rozwiązań RFID opracowali kilka metod przedłużających czas eksploatacji tagów aktywnych. Najprostszym z nich jest okresowa transmisja identyfikatora w eter. Innym sposobem na zmniejszenie energochłonności etykiety jest udzielanie odpowiedzi po otrzymaniu zapytania ze strony czytnika, stosowane w tzw. transponderach półaktywnych (semi-active). Z kolei bardziej zaawansowane tagi klasy 5, potrafiące odpytywać inne etykiety, mogą podobnie jak czytniki być zasilane z sieci energetycznej. Electronic Article Surveillance jedno z ważniejszych zastosowań Z systemami typu EAS (Electronic Article Surveillance dosłownie elektroniczny nadzór artykułów ) spotykamy się na za każdym razem, gdy robimy zakupy w różnego rodzaju sklepach samoobsługowych. Rozwiązania EAS to jedna z takich technologii, które mogą nam od czasu do czasu uświadomić, jak wielu rzeczy nie wiemy o otaczających nas przedmiotach również tych osobistych, takich jak nasze własne ubranie. Pewnie niejednemu Czytelnikowi zdarzyło się, że wchodząc do punktu handlowego wywoływał alarm w bramkach systemu EAS. Najczęściej przyczyną takiego zachowania jest niepoprawna dezaktywacja, bądź też przypadkowa ponowna aktywacja znacznika (marker) EAS. Tagi EAS potrafią być tak dobrze ukryte przed naszym wzrokiem, że możemy nie być w stanie zlokalizować ich podczas przygotowywania zakupionej części garderoby do użytku po powrocie z zakupów (tj. rozpakowywania, usunięcia etykiet, prania, itp.). Niepożądane zachowanie znacznika EAS, polegające na ponownej przypadkowej aktywacji, dotyczy przede wszystkim tagów wykorzystywanych w tzw. magnetycznych i magnetomechanicznych rozwiązaniach EAS. Umieszczenie znacznika EAS jednego z dwóch wymienionych rodzajów w wystarczająco silnym polu magnetycznym doprowadzi do zmiany jego właściwości magnetycznych [9], co z kolei spowoduje niejednolitą odpowiedź w momencie umieszczenia go w polu magnetycznym wytwarzanym przez bramki [9] [10]. Problem związany z przypadkową reaktywacją znacznika nie dotyczy rozwiązań typu RF EAS (Radio Frequency Electronic Article Surveillance) nie mylić z systemami EAS wykorzystującymi RFID. Technologia RF EAS wykorzystuje zjawisko zmiany poziomu absorpcji pola elektromagnetycznego przez prosty obwód rezonansowy (resonant circuit) [11]. Bramka RF EAS działa na tej samej zasadzie, co miernik wykorzystywany podczas zestrajania urządzeń radiowych [12] [13]. Jeśli częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego odpowiada częstotliwości rezonansowej obwodu znacznika RF EAS, bramka wykryje gwałtowny spadek (dip) absorpcji promieniowania elektromagnetycznego. Przyczyną tego zjawiska jest minimalizacja strat energii wynikająca z minimalnej impedancji wewnętrznej tego rodzaju obwodu przy częstotliwości rezonansowej [11]. W układzie rezonansowym dochodzi wówczas do praktycznie bezstratnej, ciągłej wewnętrznej zamiany energii elektrycznej w magnetyczną i odwrotnie. Taka oscylacja energii między cewką i kondensatorem, z których zbudowany jest obwód, prowadzi do jej magazynowania stąd też układ rezonansowy potocznie określa się jako obwód zbiornikowy (tank circuit). Dezaktywacja tagów RF EAS polega na trwałym uszkodzeniu kondensatora układu rezonansowego poprzez umieszczenie w polu elektromagnetycznym na tyle silnym, by napięcie wytworzone między okładkami kondensatora zdołało zniszczyć oddzielający je izolator [10]. Rozwiązania RF EAS są tańsze we wdrożeniu i eksploatacji, niż chronione patentami systemy magnetyczne i magnetomechaniczne [10]. Niestety, nieodwracalna dezaktywacja znacznika całkowicie wyklucza tę technologię z zastosowań, gdzie możliwość zmiany stanu taga jest bardzo pożądana np. w bibliotekach. Ponadto, zawsze istnieje niebezpieczeństwo przypadkowego unieczynnienia znacznika. Należy się spodziewać, że RFID w nieodległej przyszłości całkowicie zastąpi tradycyjne rozwiązania EAS: magnetyczne, magnetomechaniczne i RF EAS. Najtańsze etykiety pasywne RFID są stosowane w systemach EAS, stanowiąc tym samym bardziej zaawansowaną technicznie alternatywę dla tradycyjnych, omówionych wyżej [2]. Koszt wytworzenia najprostszych pasywnych etykiet RFID klas 0 i 1 jest zbliżony do nakładów związanych z wyprodukowaniem znaczników wykorzystywanych w systemach EAS starszej generacji. RFID w zastosowaniach typu EAS posiada kilka zasadniczych zalet w zestawieniu z tradycyjnymi rozwiązaniami tej klasy. Najważniejszą korzyścią płynącą z użycia RFID jest możliwość redukcji kosztów poprzez zastosowanie tego samego mechanizmu w celu: identyfikacji produktu za pomocą uniwersalnego kodu EPC (Electronic Product Code), niezbędnej chociażby podczas naliczania należności w kasie, oraz zabezpieczenia przed kradzieżą. Transpondery RFID są bardzo złożonymi urządzeniami w porównaniu do tradycyjnych znaczników EAS. Dzięki temu protokół komunikacji między etykietą RFID a czytnikiem nie kończy się na warstwie fizycznej, ale posiada również jedną lub więcej warstwę logiczną. Warstwa logiczna umożliwia specyfikację nie tylko sposobu realizacji tak elementarnej funkcjonalności, jak przekazanie przez etykietę swojego identyfikatora. To na poziomie logicznym konsorcjum EPCglobal zdefiniowało mechanizm dezaktywacji transpondera za pomocą blokady (kill command) [2] [14], dzięki czemu prawdopodobieństwo niepoprawnej, czy też przypadkowej aktywacji lub dezaktywacji spadło praktycznie do zera. BIBLIOGRAFIA [1] http://gospodarka.gazeta.pl/gospodarka/1,33182,3714171.html [2] http://www.rfidnews.org/2007/06/13/understanding-rfid-part-3- passive-tags/ [3] http://www.abrfid.com/rfid/articles/gen-2-rfid-tags.aspx [4] http://www.rfidconsultation.eu/docs/ficheiros/tsw0602.pdf [5] http://en.wikipedia.org/wiki/radio-frequency_identification [6] http://ec.europa.eu/enterprise/electr_equipment/lv/rec519.pdf [7] http://eur-lex.europa.eu/smartapi/cgi/sga_doc?smartapi!celexplus!prod!docnumber&lg=en&type_doc=directive&an_doc=2004&nu_doc=40 [8] http://www.rfidnews.org/2007/05/14/understanding-rfid-part-2- investigating-active-tags?tag=technology_101 [9] http://www.faqs.org/patents/app/20080297353 [10] http://en.wikipedia.org/wiki/electronic_article_surveillance [11] http://en.wikipedia.org/wiki/lc_circuit [12] http://www.ae7q.net/doc/public/dm81/dm81.html [13] http://en.wikipedia.org/wiki/grid_dip_oscillator [14] http://www.rsa.com/rsalabs/node.asp?id=2119 48