Классификация меток и смарт-карт, работающих по радиоканалу

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Санкт-Петербургский

университет аэрокосмического приборостроения

Кафедр <№ 44

Курсовая работ защищена с оценкой: Нормоконтролер

Преподаватель:а Сергеев М.Б.

Классификация меток и смарт-карт, работающих по радиоканалу.

Работу выполнил

студент гр. 4142 Гарезин А.С.

Санкт-Петербург

2006

Содержание

Список принятых буквенных обозначений	3
Введение	4
1. Общая характеристика бесконтактных смарт-карт и радиометок	5
2. Виды бесконтактных смарт-карт и радиометок.	6
3. Принцип работы и особенности бесконтактных смарт-карт и радиометок.	12
4. Используемые частоты и стандарты для бесконтактных смарт-карт и радиометок.	16
5. Средняя стоимость бесконтактных смарт-карт и радиометок.	20
Заключение	21
Использованная литература	22

Список принятых буквенных обозначений

БСК - бесконтактная смарт-карта

RFID - Radio Frequency Identification

Введение

С каждым днём интеграция современных электронных технологий в обыденную жизнь становится всё более глубокой. Мы проходим в метро или на рабочее место по пластиковой карте, получаем беспроводной доступ в Интернет за столиком кафе при этом получая скидку на эту слугу тоже при помощи пластикового прямоугольника. В магазине на кассе с выбранной вами вещи снимают радиометку, вы, не задумываясь, оплачиваете покупку своей кредитной картой.

Данная курсовая работ просвещена одномуа из самых перспективных и бурно развивающейся виду пластиковых карт Ца бесконтактным пластиковым смарт-картам и радиометкам.

1.      Общая характеристика бесконтактных смарт-карт и радиометок.

Бесконтактные пластиковые карты являются одним из основных элементов систем радиочастотной идентификации объектов (RFID -систем). По сравнению с широко распространенными в настоящее время методами идентификации по штрих коду или по информации на магнитной полосе, RFID - системы имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация объекта производится по никальному цифровому коду, хранимому в памяти чипа смарт-карты и излучаемому в диапазоне радиоволн. ЧИП размещается непосредственно в теле пластиковой карты, тут же размещается антенна, с помощью которой производится прием и излучение радиоволн. Кроме никального идентификационного кода ЧИП может содержать перезаписываемую защищенную память, элементы кодирования и т.д. Опрос бесконтактных пластиковых смарт карт производится автоматически с помощью приемо-передающего стройства (ридера). Энергию, необходимую для формирования ответного сигнала, смарт-карточки получают накапливая в конденсатор энергию излучение ридера.

Основными преимуществами бесконтактных пластиковых смарт карт и радиометок являются:

• Высокая надежность и неограниченный ресурс смарт карты или метки (обеспечивается отсутствием необходимости механического контакта между картой и ридером)
• Быстрый обмен информацией между смарт картой и ридером (доли секунды)
• Возможность многоразового использования смарт карты (при чтении неограниченное число раз, при перезаписи до 100 раз)
• Высокая надежность хранения информации (информация на смарт карте не подвержена воздействию внешних полей и может храниться до 10 лет)
• Высокая степень защиты от подделок (процесс производства достаточно сложный, карты имеют заводской индивидуальный номер )
• Возможная многофункциональность бесконтактных пластиковых смарт карт и меток (карточки или метки могут нести большой объем перезаписываемой информации и использоваться одновременно для целого ряда приложений)

2. Виды бесконтактных смарт-карт и радиометок.

Бесконтактные смарт-карты и радиометки можно разделить на некоторые группы по определённым параметрам:

- тип микросхемы

- способ считывания информации

- способы записи

- соответствие стандартам

- область применения

В зависимости от встроенной микросхемы все смарт-карты делятся на несколько основных типов, кардинально различающихся по выполняемым функциям:

- карты памяти

-микропроцессорные карты

-карты с криптографической логикой

Карты памяти предназначены для хранения информации. Память на таких типах карт может быть свободной для доступа или содержать логику контроля доступа к памяти карты для ограничения операций чтения и записи данных.

Микропроцессорные карты также предназначены для хранения информации, но в отличие обычных карт памяти они содержат в себе специальную программу или небольшую операционную систему, которая позволяет преобразовывать данные по определенному алгоритму, осуществлять защиту информации, хранящейся на карте при передаче, чтении и записи.

Карты с криптографической логикой используются в системах защиты информации для принятия непосредственного частия в процессе шифрования данных или выработки криптографических ключей, электронных цифровых подписей и другой необходимой информации для работы системы.

По методу считывания информации бесконтактные карты могут быть

    Бесконтактные
    Со сдвоенным интерфейсом

Бесконтактные карты имеют встроенную катушку индуктивности, которая в электромагнитном поле считывателя обеспечивает питанием микросхему, выдающую информационные радиосигналы.

Карты со сдвоенным интерфейсом имеют одновременно и контактную площадку и встроенную катушку индуктивности. Такие карты позволяют осуществлять работу с разными типами считывателей.

По способу записи смарт-карты и метки делятся на

• R/W - карты или метки для (read
• WORM - карты или метки (Write Once Read Many, однократная запись и многократное считывание)
• R/O - карты или метки (Read-Only -только чтение).

Стандарты на смарт-карты и метки

Для смарт-карт существует несколько международных стандартов, определяющих практически все свойства карт, начиная от размеров, свойств и типов пластика, и заканчивая содержанием информации на карточке, протоколов работы и форматов данных.

Для БКа часто используется стандарт ISO

По области применения БСК можно разделить так:

• Транспортные пластиковые бесконтактные карты. Могут использоваться для оплаты проезда на общественном транспорте. В памяти карты может находится как число поездок, так идентификационный номер записи в базе данных предприятия-перевозчика или другая информация. На сегодня получили большое распространение, особенно для оплаты проезда в метро (Пример Цметрополитены Санкт-Петербурга, Москвы).
• Дисконтные карты. Предназначены для получения скидок, в том числе в рамках программ лояльности клиентов. На карте находится идентификационный номер или же более обширная информация о клиенте. В России пока не получили широкого распространения ввиду относительно дорогой себестоимости. Подавляющее большинство современных дисконтных карт Ц обыкновенные пластиковые карты ас магнитной полосой.
• Карты оплаты. Предназначены для проведения платежей в торговых и сервисных организациях - от магазинов и кафе до АЗС и парковок. На карте может находится как идентификационный номер счёта клиента и информация о нём, так и просто баланс в словных единицах (например в случае АЗС - в литрах). Телефонные карты. Используются для оплаты телефонной связи в таксофонах.
• Карты доступа. Используются для контроля доступа, как в информационные системы (Интернет, корпоративные сети и др.), так и в помещения (например, в свой подъезд). Сегодня наиболее частый случай использования БСК.
• Клубные карты. Предназначены для доступа к ресурсам спортивных клубов, соляриев, салонов SPA,для прохода на массовые зрелищные мероприятия, спортивные соревнования и т.д.
• Идентификационные карты. Предназначены для идентификации держателя карты в иных различных целях. Пример - заграничные паспорта Российской Федерации нового образца.

Стоит отметить, что при определённых словиях одна и та же карта может быть использована в нескольких, возможно и всех выше перечисленных случаях.

Область применения радиометок, в отличие от карт, определяет не только параметры чипа, но и геометрические размеры и внешний вид.

По области применения радиометки можно разделить так:

1)

Рис.1

Смарт метки, наклейки, лейблы. Могут иметь любую форму и размер (прямоугольник, круг, полоса и т.д.). Имеют простейшую конструкцию и низкую стоимость. Используются в торговых предприятиях в системах предотвращения краж. Механизм действия прост - на выходах из магазина установлены считыватели. Иа если считыватель получает информацию от метки, тогда включается сигнализация. Сегодня такие метки используются почти в каждом торговом предприятии. Подобные радиометки наклеиваются на книги, компакт-диски, канцелярские изделия, дорогостоящие продукты питания. Также используются для маркировки и отслеживания различных товаров на складах и т.д. При этом метки могут быть наклеены как на каждую коробку, так и на контейнер.

2)

Рис. 2

Одноразовые смарт-браслеты. Используются в медицинских чреждениях и гостиницах. Служат для быстрой идентификации больных внутри больниц, госпиталей. Могут содержать как идентификационный номер, так и информацию о пациенте. В гостиницах используются для маркировки багажа, тюков с постельным бельём. Используются только внутри предприятия.

3)

аа

Рис.3

Смарт-браслеты, смарт-часы. Могут использоваться для идентификации обладателя, оплаты слуг, обеспечения доступа на закрытые территории. Пример - часы горнолыжника, при их помощи осуществляется оплата и автоматизированный контроль доступа к подъёмникам на ряде горнолыжных курортов.

4)

Рис.4

Лазерные диски с бесконтактными чипами. Используются для прощения чёта, поиска необходимой информации. Так же используются для предотвращения выноса диска из охраняемого помещения.

5)

Рис.5

Смарт<-шурупы. Используются при маркировке деревьев, труб и других объёмных материалов. Обеспечивают автоматизацию процесса чёта и поиска. Могут используются при проведении научных исследований, для маркировки наблюдаемых деревьев.

6)

Рис.6

Смарт-браслеты для окольцовки птиц. Используются в научных целях для определения маршрутов миграции и мест гнездовки перелётных птиц. Так же используются для маркировки домашних птиц, и птиц, находящихся в зоопарках и зверинцах.

7)

Рис. 7

Цилиндрические смарт-капсулы. Используются для маркировки крупного и мелкого рогатого скот и других домашних животныха на фермах и других сельхоз предприятиях.

8)

Рис.8

Смарт таги. Используются для маркировки одежды и других трикотажных изделий в предприятиях торговли в целях предотвращения краж.

9)

аа

Рис. 9

Смарт-брелки. Используются для идентификации владельцев и предоставления доступа к помещениям, компьютерам и т.д.

3.      Принцип работы и особенности бесконтактных смарт-карт и радиометок.

Пара "карта-считыватель" работает следующим образом (рисунок 10). Считыватель содержит генератор, который запитывает антенну считывателя. Излучаемая антенной считывателя энергия принимается антенной карты и используется для питания микросхемы (чип), которая при появлении питания с помощью модулятора (М) начинает модулировать сигнал считывателя кодом, записанным в постоянном запоминающем стройстве (ПЗУ) карты.

Рис. 10

Модулированный сигнал в считывателе детектируется, усиливается и поступает на микроконтроллер, который преобразует принятый от смарт карты сигнал к виду, добному для передачи на внешнее устройство, к которому подключен считыватель. На рисунке 11 показано внутреннее стройство двух типов смарт карт карт: слева карта низкочастотная (125 кГц), о чем говорит антенна с большим количеством витков, справа карта на 13,56 Гц с печатной антенной. На рисунке 12 представлена метка, выполненная на клейкой основе, работающая н частоте 13,56 Гц.

Рис. 11

Рис. 12

Порядок проведения операций с БСК и стройством чтения/записи памяти карты определяется программным приложением. При поднесении пользователем карты к считывателю происходит транзакция, т.е. обмен данными между картой и считывателем, и возможное изменение информации в памяти карты. Максимальное расстояние для осуществления транзакций между считывателем и картойа зависит от используемой карты или метки. При этом карту можно и не вынимать их бумажника, метку снимать с объекта. С одной стороны это позволяет пользователю добно и быстро произвести транзакцию, но с другой стороны при попадании карты в поле антенны, карта вовлекается в процесс обмена информацией, независимо от того желал этого пользователь или нет. В случае с меткой в магазине это необходимо для предотвращения кражи, в случае оплаты (например в метро) может произойти непреднамеренная оплата, что безусловно плохо.

Здесь возникает одна интересная особенность радиметок и карт, которая принципиально отличает ее от "контактных" смарт-карт, да и от карточек с магнитной полосой или штриховым кодом. стройства, которые работают с тремя последними типами карт, при проведении данной транзакции всегда имеют дело только с одной картой. Пока эта карта вставлена в приемную щель считывателя или сканируется, работ с другими картами на этом стройстве невозможна.

Иное дело - бесконтактная смарт-карта. Очень часто в поле действия антенны считывателя попадает не одна, сразу несколько карт. Для избежания путаницы и ошибок, которые могут из-за этого возникнуть, в картах применятся т.н. антиколлизионная функция (в дальнейшем - антиколлизия).

Механизм антиколлизии построен на "умении" считывателя определять количество карт в поле антенны и работать только с одной, выбранной в данный момент времени, картой. В основном, если более одной карты попадает в поле действия антенны (что очень возможно), то быстрое срабатывание алгоритма антиколлизии предотвращает путаницу между картами при передаче данных и, следовательно, возникновение ошибок при обработке транзакции. Карта может быть выбрана индивидуально. Продолжение транзакции и выбор карты не искажается другими БСК, находящимися в поле антенны считывателя, или при внесении (удалении) в поле новых карт или меток.

Если у пользователя карточки в бумажнике находится не одна, предположим, две карты, то, благодаря антиколлизии, приложение выбирает для проведения транзакции только одну карту, или просто отказывается от проведения транзакций.

Типичная начальная последовательность команд для работы приложения с картой включает в себя:

• "захват" карты (выбирается первая, находящаяся в поле антенны считывателя, карта),
• если необходимо - включение антиколлизионного алгоритма (команда антиколлизии сообщает приложению никальный серийный номер "захваченной" карты, точнее - никальный номер встроенной в карту микросхемы),
• выбор карты с данным серийным номером для последующей работы с памятью карты или ее серийным номером.

Указанная последовательность команд выполняется всреднем за 3 мс, т.е. практически мгновенно.

Далее следует аутентификация выбранной области памяти карты. Она основана на использовании секретных ключей и будет описана ниже. Если карта и считыватель "узнали" друг друга, то данная область памяти "открывается" для обмена данными и в зависимости от условий доступа могут быть выполнены команды чтения и записи, также специализированные команды электронного кошелька (если, конечно, область соответствующим образом была размечена при персонализации карты). Команда чтения 16 байтов памяти карты выполняется за 2,5 мс, команды чтения и изменения баланса кошелька за 9-10 мс. Таким образом, типичная транзакция, начинающаяся с "захвата" карты и приводящая к изменению 16 байтов памяти совершается максимум за 16 мс.

После работы с картой приложение может дать команду "отпустить" данную карту, что эквивалентно ее далению из поля действия антенны считывателя, и перейти к работе с другой, находящейся в поле антенны картой.

Важной особенностью БСК (с точки зрения, как потребителя, так и разработчика приложения) является возможность пользователя проводить транзакцию самостоятельно, без частия оператора, не обладая при этом специальными навыками.

В отличие от контактных смарт-карт, карточек с магнитной полосой или штриховым кодом, пользователю БСК не надо знать, как вставлять карточку в приемное стройство. Достаточно просто поднести ее к антенне считывателя, положение которой обычно обозначено легко знаваемой пиктограммой.

4.                 Используемые частоты и стандарты для бесконтактных смарт-карт и радиометок.

В настоящее время можно выделить три основных частотных диапазона, в которых работают системы радиочастотной идентификации объектов :

Низкочастотные (100-500 кГц). Рабочая дальность считывания 5-30 см. Она ограничивается габаритами антенны, так как на этих частотах размеры антенны должны быть достаточно велики. В этом диапазоне широкое распространение получили карточки с ЧПами, работающими на частоте 125 кГц и использующими протокол швейцарской фирмы EM-Marin. Совместимыми с этими ЧПами являются ЧПы фирм Temic, Atmel, Microchip и российской фирмы Ангстрем.
В среднечастотном диапазоне скорость приема/передачи информации значительно выше, чем в низкочастотном. Это обстоятельство позволяет ридеру легко различать несколько смарт карт, одновременно находящихся в поле его антенны (функция антиколизии), что значительно расширяет область использования бесконтактных пластиковых смарт карт. Разработки микросхем для среднечастотной области имеются у ряда известных производителей. Это Philips (технология Mifare), Microchip, Infineon (бывшая компания Siemens) и другие. В данном частотном диапазоне также присутствует достаточно высокий ровень промышленных электромагнитных помех. Несмотря на это низкочастотный диапазон широко используется в БСК Proximity для систем контроля доступа.

Среднечастотные (10-15 Гц). Обеспечивает меньшие габариты антенны и большую дальность считывания (0.1-1 м ). Более высокая частот работы обеспечивает быстрый обмен данными, поэтому возможно построение на базе транспортеров типа Read

Высокочастотные (850-950 Гц и 2,4-5 Гц). Предназначены, в основном, для использования там, где требуется большое расстояние (10 - 15 м) и высокая скорость считывания, например, контроль железнодорожных вагонов при движении состава, автомобилей и т.д. Большие расстояния действия высокочастотных систем RFID достигаются за счет применения остронаправленных антенн ридеров и высоких мощностей запросного сигнала, т.е. такие системы значительно сложнее и дороже предыдущих и требуют специальной аппаратуры для считывания. На современном рынке RFID систем транспондеры (метки) для таких систем представлены продукцией фирм Amtech и Micro Desing ASA. казанные транспондеры содержат внутри себя приемопередатчик и в виде пластиковых карт в настоящее время не выпускаются.

В настоящее время в БСК и радиометках применяются микросхемы (Чипы) соответствующие стандартам:
1. Для частоты 125 Гц - EM-Marin (память 64 бит, только чтение).
2. Для частоты 13,56 Гц - Mifare с объемом памяти Кбайт и Mifare light с объемом памяти 0,5 Кбайт. По использованию этих Чипов в производстве БСК стандарт Mifare, разработанный фирмой Philips Royal Electronics N.V. составляет 90% рынка БСК

Стандарты EM<-Marine и Mifare предусматривают следующие физические характеристики пластиковых бесконтактных карт:

• Размеры: 85,4 х 54,0 х 0,8 мм.
• Материал: Поливинилхлорид
• Механические нагрузки: После 250 циклов на перегиб и 500 циклов на разрыв по стандарту ISO 10373 сохраняются функции и форма карты
• Химические воздействия: Согласно стандарту ISO 10373
• Влажность: 90%
• Рабочая температура: От -25 ОС до +85 ОС

Для радиометок и карта EM<-Marine станавливаются следующие характеристики

• Рабочая частота: 100 -150 Гц
• Тип ЧПа: Н-4100
• Тип памяти: Только для чтения
• Емкость памяти: 64 бит
• Встроенный конденсатор: 78 пф
• Способ кодирования: Манчестер, Bi-Phase, PSK-модуляция
• Расстояние считывания: 0,1 м
• Максимальное количество воспроизведений: Не ограничивается

Для радиометок и карта Mifareа станавливаются следующие характеристики

• Рабочая частот Mifare:13.56 Мгц
• Скорость обмена ридера с картой: 106 Бод (Бит
• Модуляция: Амплитудная
• Полудуплексный коммуникационный протокол обмена между ридером и картой Mifare

• Объем памяти карты Mifare составляет 1 Кбайт, стандарт EEPROM, батарея питания не требуется

• Максимальное количество циклов записи - до 100 < циклов<
• Шифрование данных, передаваемых по радиочастотному каналу
• Уникальный серийный номер карты Mifare
• Рабочее расстояние от антенны до карты 100 мм (в зависимости от геометрии антенны) с возможностью простого и быстрого проведения операций

Для высокочастотных меток используется стандарт ISO 18, реализованный в меткаха U<-CODE, устанавливающий следующие параметры:

        рабочая частот - UHF/2.45 GHz

        скорость обмена данными - до 40 kbit

        реализация антиколлизии

        дальность взаимодействия - до 7 м.

        количество циклов перезаписи - 100

        сохранность данных - 10 лет

        побайтовая защита данных от записи

В БСК предусмотрены следующие криптографические сервисы:

• алгоритмы симметричного шифрования;
• алгоритмы хеширования;
• алгоритмы цифровой подписи (Al Gamal );
• алгоритмы распределения криптографических ключей (ГОСТ 28147-89, DES, 3DES, RSA, SHA-1);
• средства генерации случайных чисел;
• средства генерации картой ключей для алгоритмов симметричного шифрования и цифровой подписи;
• сервисы аутентификации

5.      Средняя стоимость бесконтактных смарт-карт и радиометок.

В таблице 1 представлена средняя стоимость БСК и радиометок на Российском рынке при словии заказа карт с полноцветной печатью и количествома более 500 штук. При анализе рынка было выявлено, что больше всего продавцами предлагаются карты стандарт ISO EM-Marin. Они имеют набольшую стоимость (см. таблицу) в сочетании с широкими возможностями применения.

Таблица 1.

Наименование	Стоимость, долл США
CPsmartcard-EM-076-B Смарт<-карт (ISO EM-Marin)	0,80$
CPsmartcard-MF1-076-B (ISO Mifare Standart One 1 Kb)	2,20$
Радиочастотная метка стандарта U-Code(900MHz - 2,4GHz),	2,35$
MIFAREо Label Standart 1KByte Радиочастотная метка	2,45$

Заключение.

В результате проведенной работы были изучены современные технологии, использующие бесконтактные смарт-карты и радиометки. Рассмотрены различные характеристики и варианты использования БСК и радиометок. Также необходимо отметить, что системы использующие бесконтактные смарт карты не имеют, на сегодняшний день, аналогов, которые могли бы их заменить. Но возможно, благодаря, развитию технологии Bluetooth, в скором времени появится возможность оплачивать счёт в кафе при помощи сотового телефона. Но, все равно, это не сможет заменить охранные системы в магазинах или системы чёта товаров на складе, использующие радиометки.

Использованная литература

1.            Л.В. Быстров, статья Смарт карты обзор возможностей сайт компании СОФТ-СИБ <.

2.            Сайт компании Cardprom <.

3.            Сайт компании Интегратор <.

4.            А.Ю. Попов Смарт-карты на <.retail.ru.

5.            Материалы журнала лTHE CHIP.