МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО ИПРОФЕССИОНАЛЬНОГО
ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИСанкт-Петербургский
университет аэрокосмического приборостроенияКафедра № 44
Курсовая работа защищенас оценкой: Нормоконтролер
Преподаватель: СергеевМ.Б.
Классификация меток исмарт-карт, работающих по радиоканалу.
Работувыполнил
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 интеграциясовременных электронных технологий в обыденную жизнь становится всё болееглубокой. Мы проходим в метро или на рабочее место по пластиковой карте,получаем беспроводной доступ в Интернет за столиком кафе при этом получаяскидку на эту услугу тоже при помощи пластикового прямоугольника. Вмагазине на кассе с выбранной вами вещиснимают радиометку, а вы, не задумываясь, оплачиваетепокупку своей кредитной картой.
Даннаякурсовая работа просвещена одному изсамых перспективных и бурно развивающейся виду пластиковых карт – бесконтактным пластиковым смарт-картам и радиометкам.
1. Общая характеристика бесконтактных смарт-карт и радиометок.
Бесконтактные пластиковые карты являютсяодним из основных элементов систем радиочастотной идентификации объектов (RFID-систем). По сравнению с широко распространенными в настоящее время методамиидентификации по штрих коду или по информации на магнитной полосе, RFID — системы имеют ряд существенных преимуществ. Идентификация объекта производитсяпо уникальному цифровому коду, хранимому в памяти чипа смарт-карты иизлучаемому в диапазоне радиоволн. ЧИП размещается непосредственно в телепластиковой карты, тут же размещается антенна, с помощью которой производитсяприем и излучение радиоволн. Кроме уникального идентификационного кода ЧИПможет содержать перезаписываемую защищенную память, элементы кодирования и т.д.Опрос бесконтактных пластиковых смарт картпроизводится автоматически с помощью приемо-передающего устройства (ридера). Энергию, необходимую для формирования ответногосигнала, 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 100 000 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 некоторыегруппы по определённым параметрам:
— типмикросхемы
— способсчитывания информации
— способызаписи
— соответствие стандартам
— областьприменения
В зависимости отвстроенной микросхемы все смарт-карты делятся на несколько основных типов,кардинально различающихся по выполняемым функциям:
— карты памяти
-микропроцессорные карты
-карты с криптографической логикой
Карты памятипредназначены для хранения информации. Память на таких типах карт может бытьсвободной для доступа или содержать логику контроля доступа к памяти карты дляограничения операций чтения и записи данных.
Микропроцессорные карты также предназначены для храненияинформации, но в отличие обычных карт памяти они содержат в себе специальнуюпрограмму или небольшую операционную систему, которая позволяет преобразовыватьданные по определенному алгоритму, осуществлять защиту информации, хранящейсяна карте при передаче, чтении и записи.
Карты с криптографической логикой используются в системахзащиты информации для принятия непосредственного участия в процессе шифрованияданных или выработки криптографических ключей, электронных цифровых подписей идругой необходимой информации для работы системы.
По методусчитывания информации бесконтактные карты могут быть
Бесконтактные
Со сдвоенным интерфейсом
Бесконтактныекарты имеют встроеннуюкатушку индуктивности, которая в электромагнитном поле считывателя обеспечиваетпитанием микросхему, выдающую информационные радиосигналы.
Карты со сдвоенным интерфейсом имеют одновременно и контактную площадку ивстроенную катушку индуктивности. Такие карты позволяют осуществлять работу сразными типами считывателей.
По способузаписи смарт-карты и метки делятся на R/W– карты или метки для (read/write, многократное чтение/запись) 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-картсуществует несколько международных стандартов, определяющих практически всесвойства карт, начиная от размеров, свойств и типов пластика, и заканчиваясодержанием информации на карточке, протоколов работы и форматов данных.
Для БСК часто используется стандарт ISO/IEC 14443 или ISO/IEC 15693
По области применения БСК можно разделить так:Транспортныепластиковые 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 –метрополитены 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 – обыкновенные пластиковые карты с 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 условных 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 условиях одна и та же карта может быть использована внескольких, а возможно и всех выше перечисленных случаях.
Область применения радиометок,в отличие от карт, определяет не только параметры чипа, но и геометрическиеразмеры и внешний вид.
По областиприменения радиометки можно разделить так:
1)
Рис.1
Смартметки, наклейки, лейблы. Могут иметь любуюформу и размер (прямоугольник, круг, полоса и т.д.). Имеют простейшуюконструкцию и низкую стоимость. Используются в торговых предприятиях в системахпредотвращения краж. Механизм действия прост – на выходах из магазинаустановлены считыватели. И еслисчитыватель 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 длямаркировки и отслеживания различных товаров на складах и т.д. При этом меткимогут быть наклеены как на каждую коробку, так и на контейнер.
2)
Рис. 2
Одноразовые смарт-браслеты.Используются в медицинских учреждениях и гостиницах. Служат для быстрой идентификациибольных внутри больниц, госпиталей. Могут содержать как идентификационныйномер, так и информацию о пациенте. В гостиницах используются для маркировкибагажа, тюков с постельным бельём. Используются только внутри предприятия.
3)
Рис.3
Смарт-браслеты, смарт-часы. Могут использоваться для идентификацииобладателя, оплаты услуг, обеспечения доступа на закрытые территории. Пример –часы горнолыжника, при их помощи осуществляется оплата и автоматизированный контроль доступа к подъёмникам на рядегорнолыжных курортов.
4)
Рис.4
Лазерные дискисбесконтактными чипами. Используются для упрощения учёта, поиска необходимойинформации. Так же используются для предотвращения выноса диска из охраняемогопомещения.
5)
Рис.5
Смарт-шурупы. Используются при маркировке деревьев, труб и другихобъёмных материалов. Обеспечивают автоматизацию процесса учёта и поиска. Могутиспользуются при проведении научных исследований, для маркировки наблюдаемыхдеревьев.
6)
Рис.6
Смарт-браслетыдля окольцовки птиц. Используютсяв научных целях для определения маршрутов миграции и мест гнездовки перелётныхптиц. Так же используются для маркировкидомашних птиц, и птиц, находящихся в зоопарках и зверинцах.
7)
Рис. 7
Цилиндрическиесмарт-капсулы. Используются для маркировкикрупного и мелкого рогатого скота идругих домашних животных на фермах идругих сельхоз предприятиях.
8)
Рис.8
Смарттаги. Используются для маркировкиодежды и других трикотажных изделий в предприятиях торговли в целяхпредотвращения краж.
9)
Рис. 9
Смарт-брелки. Используются для идентификации владельцев и предоставлениядоступа к помещениям, компьютерам и т.д.
3. Принцип работы иособенности бесконтактных смарт-карт и радиометок.
Пара «карта-считыватель»работает следующим образом (рисунок 10). Считыватель содержит генератор,который запитывает антенну считывателя. Излучаемаяантенной считывателя энергия принимается антенной карты и используется дляпитания микросхемы (чип),которая при появлении питания с помощью модулятора (М) начинает модулировать сигналсчитывателя кодом, записанным в постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) карты.
Рис.10
Модулированный сигнал в считывателе детектируется,усиливается и поступает на микроконтроллер, который преобразует принятый от смарт карты сигнал к виду, удобному для передачи на внешнееустройство, к которому подключен считыватель. На рисунке 11 показановнутреннее устройство двух типов смарт карт карт: слева карта низкочастотная (125 кГц), о чем говоритантенна с большим количеством витков, а справа карта на 13,56 МГц с печатнойантенной. На рисунке 12 представлена метка, выполненная на клейкойоснове, работающая на частоте 13,56 МГц.
Рис. 11
Рис. 12
Порядокпроведения операций с БСК и устройством чтения/записи памяти карты определяется программным приложением. Приподнесении пользователем карты к считывателю происходит транзакция, т.е. обменданными между картой и считывателем, и возможное изменение информации в памятикарты. Максимальное расстояние для осуществления транзакций между считывателеми картой зависит от используемой картыили метки. При этом карту можно и не вынимать их бумажника, а метку снимать собъекта. С одной стороны это позволяет пользователю удобно и быстро произвеститранзакцию, но с другой стороны при попадании карты в поле антенны, картавовлекается в процесс обмена информацией, независимо от того желал этогопользователь или нет. В случае с меткой в магазине это необходимо дляпредотвращения кражи, в случае оплаты (например в метро) может произойтинепреднамеренная оплата, что безусловно плохо.
Здесьвозникает одна интересная особенность радиметок икарт, которая принципиально отличает ее от «контактных» смарт-карт,да и от карточек с магнитной полосой или штриховым кодом. Устройства, которыеработают с тремя последними типами карт, при проведении данной транзакциивсегда имеют дело только с одной картой. Пока эта карта вставлена в приемнующель считывателя или сканируется, работа с другими картами на этом устройственевозможна.
Иноедело — бесконтактная смарт-карта. Очень часто в поле действия антеннысчитывателя попадает не одна, а сразу несколько карт. Для избежания путаницы иошибок, которые могут из-за этого возникнуть, в картах применятся т.н. антиколлизионная функция (в дальнейшем — антиколлизия).
Механизмантиколлизии построен на «умении»считывателя определять количество карт в поле антенны и работать только содной, выбранной в данный момент времени, картой. В основном, если более однойкарты попадает в поле действия антенны (что очень возможно), то быстроесрабатывание алгоритма антиколлизии предотвращаетпутаницу между картами при передаче данных и, следовательно, возникновениеошибок при обработке транзакции. Карта может быть выбрана индивидуально.Продолжение транзакции и выбор карты не искажается другими БСК, находящимися вполе антенны считывателя, или при внесении (удалении) в поле новых карт илиметок.
Еслиу пользователя карточки в бумажнике находится не одна, а предположим, двекарты, то, благодаря антиколлизии, приложениевыбирает для проведения транзакции только одну карту, или просто отказываетсяот проведения транзакций.
Типичнаяначальная последовательность команд для работы приложения с картой включает всебя:«захват» карты (выбирается первая, находящаяся в поле антенны считывателя, карта), если необходимо — включение антиколлизионного алгоритма (команда антиколлизии сообщает приложению уникальный серийный номер «захваченной» карты, точнее — уникальный номер встроенной в карту микросхемы), выбор карты с данным серийным номером для последующей работы с памятью карты или ее серийным номером.
Указанная последовательность командвыполняется всреднемза 3 мс, т.е. практически мгновенно.
Далее следует аутентификация выбраннойобласти памяти карты. Она основана на использовании секретных ключей и будетописана ниже. Если карта и считыватель «узнали» друг друга, то даннаяобласть памяти «открывается» для обмена данными и в зависимости отусловий доступа могут быть выполнены команды чтения и записи, а такжеспециализированные команды электронного кошелька (если, конечно, областьсоответствующим образом была размечена при персонализациикарты). Команда чтения 16 байтов памяти карты выполняется за 2,5 мс, командычтения и изменения баланса кошелька за 9-10 мс. Таким образом, типичнаятранзакция, начинающаяся с «захвата» карты и приводящая к изменению16 байтов памяти совершается максимум за 16 мс.
После работы с картой приложение можетдать команду «отпустить» данную карту, что эквивалентно ее удалениюиз поля действия антенны считывателя, и перейти к работе с другой, находящейсяв поле антенны картой.
Важной особенностью БСК (с точки зрения,как потребителя, так и разработчика приложения) является возможностьпользователя проводить транзакцию самостоятельно, без участия оператора, необладая при этом специальными навыками.
В отличие от контактных смарт-карт,карточек с магнитной полосой или штриховым кодом, пользователю БСК не надознать, как вставлять карточку в приемное устройство. Достаточно просто поднестиее к антенне считывателя, положение которой обычно обозначено легко узнаваемойпиктограммой.
4. Используемые частоты и стандарты для бесконтактныхсмарт-карт и радиометок.
Внастоящее время можно выделить три основных частотных диапазона, в которыхработают системы радиочастотнойидентификации объектов:
Низкочастотные (100-500 кГц). Рабочая дальность считывания 5-30 см. Онаограничивается габаритами антенны, так как на этих частотах размеры антенныдолжны быть достаточно велики. В этом диапазоне широкое распространениеполучили карточки с ЧИПами, работающими на частоте 125кГц и использующимипротокол швейцарской фирмы EM-Marin. Совместимыми сэтими ЧИПами являются ЧИПыфирм Temic, Atmel, Microchip и российской фирмы Ангстрем.
В среднечастотном диапазоне скорость приема/передачи информации значительновыше, чем в низкочастотном. Это обстоятельство позволяет ридерулегко различать несколько смарт карт, одновременнонаходящихся в поле его антенны (функция антиколизии),что значительно расширяет область использования бесконтактных пластиковых смарт карт. Разработки микросхем для среднечастотнойобласти имеются у ряда известных производителей. Это Philips(технология Mifare),Microchip, Infineon (бывшаякомпания Siemens) и другие. В данном частотномдиапазоне также присутствует достаточно высокий уровень промышленныхэлектромагнитных помех. Несмотря на это низкочастотный диапазон широкоиспользуется в БСК Proximity для систем контролядоступа.
Среднечастотные (10-15 МГц). Обеспечивает меньшие габариты антенны и большуюдальность считывания (0.1-1 м ). Более высокая частота работы обеспечиваетбыстрый обмен данными, поэтому возможно построение на базе транспортеров типа Read/Write, работающих на частоте13,56МГц, БСК — смарт карт. Данное направление наиболее перспективно насегодняшний момент. Высокая частота позволяет выполнить антенну в печатномвиде, что может обеспечить производство дешевых и малогабаритныхидентификаторов.
Высокочастотные (850-950 МГц и2,4-5 ГГц). Предназначены, в основном,для использования там, где требуется большое расстояние (10 — 15 м) и высокаяскорость считывания, например, контроль железнодорожных вагонов при движениисостава, автомобилей и т.д. Большие расстояния действия высокочастотных системRFID достигаются за счет применения остронаправленныхантенн ридеров и высоких мощностей запросногосигнала, т.е. такие системы значительно сложнее и дороже предыдущих и требуютспециальной аппаратуры для считывания. На современном рынке RFID системтранспондеры (метки) для таких систем представлены продукцией фирм Amtech и Micro Desing ASA. Указанные транспондеры содержат внутри себяприемопередатчик и в виде пластиковых карт в настоящее время не выпускаются.
В настоящее время в БСК и радиометках применяются микросхемы (Чипы) соответствующиестандартам:
1. Для частоты 125 КГц — EM-Marin (память 64 бит, только чтение).
2. Для частоты 13,56 МГц — Mifare с объемом памяти 1Кбайт и Mifare light с объемом памяти 0,5Кбайт. По использованию этих Чипов в производстве БСК стандарт Mifare, разработанный фирмой PhilipsRoyal Electronics N.V.составляет 90% рынка БСК
Стандарты EM-Marineи Mifareпредусматривают 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 карт EM-Marineустанавливаются следующие характеристикиРабочая частота: 100 -150 КГц Тип ЧИПа: 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 карт Mifare устанавливаютсяследующие характеристикиРабочая частота Mifare:13.56 Мгц Скорость обмена ридера с картой: 106 КБод (КБит/сек) 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 100 000 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 метокиспользуется стандарт ISO18000,реализованный в метках U-CODE,устанавливающий следующие параметры:
· рабочая частота — UHF/2.45 GHz
· скорость обмена данными — до 40 kbit/s
· реализация антиколлизии
· дальность взаимодействия — до 7 м.
·