Báo Cáo - Thiết Kế Hệ Thống Vlsi - Đề Tài - Tìm Hiểu Về Công Nghệ Thẻ Gắn Chip Và Công Nghệ Nfc Và Đặc Tính Hiệu Năng, Khả Năng Bảo Mật Của Công Nghệ Này

BỘ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN Mơn: Thiết kế hệ thống VLSI Đề tài: Tìm hiểu công nghệ thẻ gắn chip công nghệ NFC (near field communication) đặc tính hiệu năng, khả bảo mật cơng nghệ Mục Lục Lời nói đầu I Tìm hiểu công nghệ thẻ gắn chip RFID RFID gì? 1.1 Mơ hình ghép nối RFID 1.2 Hệ thống RFID 1.3 Các thành phần hệ thống RFID: Nguyên lí hoạt động RFID: 2.1 Dải tần hoạt động hệ thống RFID: 2.2 Cấu trúc liệu RFID: Ứng dụng sử dụng chuẩn giao tiếp RFID: Ưu, nhược điểm RFID sản xuất: 4.1 Ưu điểm: 4.2 Nhược điểm: 10 II Tìm hiểu công nghệ NFC: 11 Tổng quan chuẩn giao tiếp NFC: 11 Mơ hình ghép nối NFC: 12 Nguyên lí hoạt động NFC: 13 Ứng dụng công nghệ NFC: 14 4.1 Các thiết bị trang bị công nghệ NFC nay: 15 Ưu, nhược điểm công nghệ NFC: 15 5.1 Ưu điểm: 15 5.2 Nhược điểm: 16 I Tìm hiểu cơng nghệ thẻ gắn chip RFID RFID gì? RFID (Radio Frequency Identification), hay nhận dạng qua tần số vô tuyến, công nghệ dùng kết nối sóng vơ tuyến để tự động xác định theo dõi thẻ nhận dạng gắn vào vật thể Khi hai thiết bị hoạt động thu phát sóng tần số tần số thường sử dụng RFID 125Khz 900Mhz Một thiết bị RFID cấu tạo thành phần thiết bị đọc thiết bị phát mã có gắn chip Trong thiết bị đọc gắn antenna thu phát sóng điện từ, thiết bị phát mã RFID gắn với vật cần nhận dạng, thiết bị RFID có chứa mã số định cho không trùng lặp lẫn Điểm bật RFID công nghệ không sử dụng tia sáng mã vạch, không tiếp xúc trực tiếp Một vài loại thẻ đọc xuyên qua môi trường, vật liệu như: bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, sơn, điều kiện môi trường thách thức khác mà mã vạch công nghệ khác phát huy hiệu 1.1 Mơ hình ghép nối RFID Có hai loại mơ hình ghép nối (antenna coupling model) sử dụng RFID, mơ hình ghép nối dựa dịng điện mơ hình ghép nối dựa trường điện từ • Mơ hình ghép nối dựa dịng điện (conduction-coupling model): Mơ hình giải thích chế hoạt động RFID thơng qua dịng điện số phần anten, đặc biệt dòng điện dây nối đọc anten Khi đọc phát tín hiệu RF qua dây nối, tạo dòng điện dây, tạo trường từ cảm ứng anten giao tiếp với thẻ RFID • Mơ hình ghép nối dựa trường điện từ (radiation-coupling model): Mơ hình giải thích chế hoạt động RFID thơng qua trường điện từ tín hiệu RF phát từ đọc Khi tín hiệu RF từ đọc qua khơng gian, tạo trường điện từ, giao tiếp với anten thẻ RFID làm cho thẻ RFID phản hồi lại thông tin đến đọc 1.2 Hệ thống RFID Hình 1.1 Hệ thống RFID 1.3 Các thành phần hệ thống RFID: Thẻ RFID (RFID Tag, gọi transponder): thẻ gắn chíp + Anten Thẻ RFID thay cho mã vạch sản phẩm có bán siêu thị bán lẻ Thay phải đưa thiết bị vào sát mã vạch để qt, RFID cho phép thơng tin truyền qua khoảng cách nhỏ mà không cần tiếp xúc vật lý Thẻ RFID đưa vào sử dụng nhiều lĩnh vực như: Quản lý nhân sự, quản lý hàng hóa vào/ra siêu thị, nhà kho, theo dõi động vật, quản lý xe cộ qua trạm thu phí, làm thẻ hộ chiếu … • Thiết bị đọc thẻ RFID (hay cịn gọi đầu đọc-reader): để đọc thông tin từ thẻ, đặt cố định lưu động • Antenna: thiết bị liên kết thẻ thiết bị đọc Thiết bị đọc phát xạ tín hiệu sóng để kích họat truyền nhận với thẻ • Server: phần mềm vi tính, nhu nhận, xử lý liệu, phục vụ giám sát, thống kê, điều khiển, Nguyên lí hoạt động RFID: Thiết bị RFID reader phát sóng điện từ tần số định, thiết bị RFID tag vùng hoạt động cảm nhận sóng điện từ thu nhận lượng từ phát lại cho thiết bị RFID Reader biết mã số Từ thiết bị RFID reader nhận biết tag vùng hoạt động Hình 2.1 Ngun lí hoạt động RFID 2.1 Dải tần hoạt động hệ thống RFID: Khi phải lựa chọn hệ thống RFID, yêu cầu chọn dải tần hoạt động hệ thống • Tần số thấp - Low frequency 125 KHz: Dải đọc ngắn tốc độ đọc thấp • Dải tần cao - High frequency 13.56 MHz: Khoảng cách đọc ngắn tốc độ đọc trung bình Phần lớn thẻ Passive sử dụng dải • Dải tần cao - High frequency: Dải đọc từ ngắn đến trung bình, tốc độ đọc trung bình đến cao Phần lớn thẻ Active sử dụng tần số • Dải siêu cao tần - UHF frequency 868-928 MHz: Dải đọc rộng Tốc độ đọc cao Phần lớn dùng thẻ Active số thẻ Passive cao tần sử dụng dải • Dải vi sóng - Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng tốc độ đọc lớn 2.2 Cấu trúc liệu RFID: RFID sử dụng nhiều cấu trúc liệu khác để lưu trữ truyền tải thông tin Dưới số cấu trúc liệu sử dụng RFID: • EPC (Electronic Product Code): EPC mã định danh cho sản phẩm gắn thẻ RFID Mã bao gồm trường thông tin số serial, mã quốc gia, mã nhà sản xuất, số lô hàng, v.v EPC cho phép theo dõi quản lý hàng hóa tồn chuỗi cung ứng • TID (Tag Identifier): TID mã định danh cho thẻ RFID, giúp phân biệt thẻ RFID với • UID (Unique Identifier): UID mã định danh cho thẻ RFID, nhiên tạo theo chuẩn khác so với TID • Data Payload: Data Payload liệu khác lưu trữ truyền tải thẻ RFID, bao gồm thông tin thông tin sản phẩm, ngày sản xuất, ngày hết hạn, vị trí sản xuất, v.v • Reader Command and Control Messages: Đây lệnh gửi từ đọc RFID đến thẻ RFID để yêu cầu thực số hoạt động định, ví dụ yêu cầu truyền lại liệu, thực hành động cụ thể kích hoạt chế bảo mật Cấu trúc liệu định nghĩa tiêu chuẩn giao thức RFID EPCglobal ISO/IEC 18000 Quá trình truyền tải xử lý liệu RFID phụ thuộc vào loại thẻ RFID, đọc RFID ứng dụng cụ thể Ứng dụng sử dụng chuẩn giao tiếp RFID: Công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) có nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm: • Quản lý hàng hóa: RFID sử dụng để quản lý hàng hóa chuỗi cung ứng, giúp theo dõi vị trí số lượng hàng hóa, từ xuất xưởng đến đến tay người dùng cuối • Kiểm sốt truy cập: RFID sử dụng hệ thống kiểm soát truy cập, từ cửa vào tòa nhà phương tiện giao thơng cơng cộng • Thanh tốn khơng tiếp xúc: RFID sử dụng hệ thống toán khơng tiếp xúc, cho phép người dùng tốn cách quẹt thẻ RFID mà không cần tiếp xúc trực tiếp với thiết bị tốn • Giám sát y tế: RFID sử dụng hệ thống giám sát y tế, cho phép theo dõi thông tin liên quan đến bệnh nhân thuốc, giúp tăng tính hiệu giảm thiểu sai sót q trình chăm sóc sức khỏe • Quản lý tài sản: RFID sử dụng để quản lý tài sản, giúp theo dõi vị trí trạng thái tài sản doanh nghiệp • Quản lý thời gian chấm cơng: RFID sử dụng để quản lý thời gian chấm cơng, giúp đơn giản hóa q trình chấm cơng giảm thiểu sai sót q trình tính lương • Định vị: RFID sử dụng để định vị vật thể, từ xe cộ đến vật dụng cá nhân, giúp tăng tính an tồn giảm thiểu thời gian tìm kiếm Hình 3.1 Một số hình ảnh thẻ gắn chip RFID Các ứng dụng RFID sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác dự đoán tiếp tục phát triển tương lai Ưu, nhược điểm RFID sản xuất: 4.1 Ưu điểm: • Khả sử dụng mạnh mẽ: Thẻ RFID gắn lên đến đối tượng cần theo dõi Thẻ đính lên sản phẩm nào, từ vỏ hộp, đế giày Một thẻ tag RFID cho phép bạn sửa đổi thơng tin thẻ hàng nghìn lần Nghĩa thẻ tag RFID sử dụng nhiều lần Một thẻ ghi liệu có thay đổi • Vượt trội cơng nghệ cũ: Ưu công nghệ RFID so với mã vạch hệ thống RFID không cần đến tia quét máy quét đọc mã vạch Các tia quét thẻ thiết bị đọc để làm việc sóng vơ tuyến có khả lan truyền qua nhiều chất liệu rắn khác Trong ứng dụng quản lý hầu hết thời điểm có số lượng lớn hàng hóa di chuyển Nên khó để bạn đưa mã vạch qua máy quét mã vạch Đây ưu điểm lớn cơng nghệ RFID so với công nghệ mã vạch thông thường Phạm vi đọc mã vạch có khoảng dài Thông thường phạm vi đọc có giá trị vàokhoảng cỡ vài chục cm Tuy nhiên phạm vi đọc thẻ RFID lại có khoảng thay đổi rộng Chúng bị phụ thuộc vào tần số hoạt động hệ thống Thông thường, phạm vi đọc thẻ RFID chạy từ vài cm tới vài mét Hệ thống RFID sử dụng dải tần UHF có khoảng cách đọc lớn hơn.thậm chí có hệ thống khoảng cách đọc lên tới 300 feet ( 100 m ) phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể • Tính bảo mật nâng cao: Dữ liệu mã vạch có tính bảo mật thấp Bởi mã vạch cần thiết phải có tia quét qua nên phải đặt rõ ràng bên ngồi bao bì Do với máy quét mã vạch chuẩn với camera xem trộm ghi lại liệu Nhưng với hệ thống RFID lại cung cấp mức bảo mật cao nhiều Việc đọc thẻ RFID không dễ dàng bạn cần phải có thiết bị chuyên dụng kết nối chúng Cũng thiết bị phụ trợ để thu thập liệu Khơng đơn giản đọc ký tự mắt thường cách dễ dàng • Tính ổn định tương thích mơi trường cao: Các thẻ tag RFID có khả chịu đựng tốt với bụi bẩn môi trường khắc nghiệt so với cơng nghệ mã vạch Các mã vạch không đọc chúng bị bao phủ bụi bẩn, bị rách nát Hay chúng dễ dàng hỏng hoạt động môi trường với ánh sáng cường độ cao gây trở ngại cho máy quét mã vạch Với mã vạch thực đọc tay trạng đọc mã vạch diễn Rõ ràng bất tiện ảnh hưởng nhiều tới hoạt động chung toàn hệ thống Với hệ thống RFID, thuật toán tính RW, loại bỏ việc sản phẩm phải quét nhiều lần thu liệu 4.2 Nhược điểm: • Giá thành sản phẩm cao: Giá thẻ RFID vào khoảng 1,5 - 20 USD Giá đầu đọc thẻ vào khoảng 1000 - 2000 USD • RFID phức tạp mã vạch: Trình đọc RFID phải cấu hình cẩn thận để đảm bảo bạn qt thành cơng 100 phần trăm thẻ Do đó, nhiều thử nghiệm phải thực với RFID với mã vạch để đảm bảo giải pháp hoạt động 10 II Tìm hiểu cơng nghệ NFC: Tổng quan chuẩn giao tiếp NFC: Chuẩn giao tiếp NFC (Near Field Communication) công nghệ không dây cho phép truyền tải liệu hai thiết bị điện tử gần nhau, thường khoảng cách tối đa 4cm, cách sử dụng sóng vơ tuyến tần số 13.56 MHz Chuẩn NFC phát triển từ công nghệ RFID (Radio Frequency Identification) đưa vào sử dụng nhiều lĩnh vực, bao gồm toán di động, truyền tải liệu, chia sẻ thơng tin, v.v • NFC cho phép hai thiết bị NFC giao tiếp với theo hai chế độ: chế độ chủ động chế độ bị động Trong chế độ chủ động, thiết bị NFC gửi tín hiệu đến thiết bị NFC khác để truyền tải liệu Trong chế độ bị động, thiết bị NFC đợi để nhận tín hiệu từ thiết bị NFC khác tiếp nhận liệu truyền tải • Chuẩn NFC tích hợp số thiết bị điện tử đại, bao gồm điện thoại thơng minh, máy tính bảng thẻ thông minh Chuẩn NFC trở thành phần quan trọng cách mạng toán di động sử dụng rộng rãi toàn giới • Chuẩn giao tiếp NFC (Near Field Communication) phát triển liên minh gồm nhiều công ty lớn, bao gồm Philips, Sony Nokia NFC đưa thị trường lần vào năm 2002, nhiên, công nghệ không sử dụng rộng rãi công ty công nghệ lớn Apple, Samsung Google tích hợp NFC vào sản phẩm họ, giúp cho toán di động ứng dụng NFC khác phổ biến • Hiện nay, NFC trở thành phần quan trọng nhiều ứng dụng di động, bao gồm toán di động, chia sẻ liệu, truyền tải tệp tin điều khiển thiết bị điện tử Các ứng dụng NFC tiếp tục mở rộng cải tiến, 11 mang lại nhiều tiện ích cho người dùng phát triển ngành cơng nghiệp cơng nghệ • NFC giống bluetooth vài điểm chúng giao tiếp khơng dây với phạm vi ngắn, giống RFID việc dùng sóng radio để nhận diện Tuy nhiên, NFC lại sở hữu đặc tính riêng biệt khác hẳn với Bluetooth RFID • NFC truyền tải liệu khoảng cách nhỏ so với phạm vi Bluetooth, chẳng hạn từ 4-10 cm so với 10 m Bluetooth, RFID chí đạt đến mức tính km số trường hợp Giới hạn 4-10 cm NFC đặt nhằm tránh tình trạng chồng chéo sóng khu vực đơng đúc hạn chế tương tác mà người dùng khơng mong muốn • NFC kết nối với thiết bị khác nhanh nhiều kể bluetooth 3.0 4.0 Thay phải thiết lập tay để máy bluetooth nhận diện với nhau, máy NFC tự động hiểu kết nối 1/10 giây • NFC hoạt động tần số radio băng tần ISM 13.56 MHz tốc độ chạy từ 106-424 Kbps băng tần bluetooth 2.4 GHz tốc độ đạt 2.1 Mbps 2.1 EDR Mơ hình ghép nối NFC: Mơ hình ghép nối NFC (Near Field Communication) bao gồm hai chế độ giao tiếp: chế độ chủ động (Active Mode) chế độ bị động (Passive Mode) Trong chế độ giao tiếp, thiết bị NFC có vai trị riêng biệt • Trong chế độ chủ động: thiết bị NFC (thiết bị gửi) gửi tín hiệu RF (Radio Frequency) tới thiết bị NFC khác (thiết bị nhận) để khởi động giao tiếp Thiết bị gửi tạo trường RF, gọi trường RF khởi động (Initiator RF field), thiết bị nhận kích hoạt trường RF trả lời cách truyền tín hiệu RF trở lại thiết bị gửi Sau thiết bị gửi thiết bị 12 nhận xác định vị trí hướng nhau, chúng thiết lập kênh truyền liệu bắt đầu truyền tải liệu • Trong chế độ bị động: thiết bị NFC (thiết bị nhận) đợi để nhận tín hiệu RF từ thiết bị NFC khác (thiết bị gửi) Khi thiết bị nhận tín hiệu RF từ thiết bị gửi, trả lời cách truyền tín hiệu RF trở lại thiết bị gửi để khởi động giao tiếp Sau thiết bị nhận thiết bị gửi xác định vị trí hướng nhau, chúng thiết lập kênh truyền liệu bắt đầu truyền tải liệu Ø Cả chế độ chủ động chế độ bị động sử dụng ứng dụng NFC, tùy thuộc vào tính chất ứng dụng cụ thể Nguyên lí hoạt động NFC: Để NFC hoạt động, buộc phải có thiết bị, thiết bị đọc (thường điện thoại) thiết bị thứ đích (target – thường điện thoại khác, thẻ NFC loa ngoài…) Thiết bị đọc chủ động tạo trường sóng radio (bản chất xạ điện từ) đủ để cung cấp lượng cho thiết bị đích chế độ bị động, cần chạm thiết bị lại với chúng kết nối mà khơng cần thêm nhiều bước khai báo Bluetooth Ngoài đề cập, thẻ NFC không cần lượng để hoạt động mà cần lấy từ thiết bị đọc, khơng thiết phải nằm thiết bị điện tử cố định mà chế tạo thành thẻ, miếng dán hay chìa khóa nhỏ gọn Tiêu chuẩn NFC có chế độ hoạt động riêng biệt: • NFC mơ card: Thiết bị có NFC trở thành thẻ thơng minh, cho phép người dùng trả phí mua vé • NFC đọc/viết: Thiết bị có NFC đọc thơng tin lưu trữ thẻ NFC có nhúng nhãn hiệu áp phích thơng minh 13 • NFC ngang hàng nhau: thiết bị có NFC lúc giao tiếp trao đổi thông tin với Ứng dụng công nghệ NFC: Việc ứng dụng NFC vào thực tế chia thành nhóm tiêu chuẩn: Touch and Go (ví dụ chạm vào để mở cửa), Touch and Confirm (bổ sung thêm lớp bảo mật cho toán di động, chẳng hạn nhập mã PIN để xác nhận toán) hay Touch and Connect (chia sẻ liệu thiết bị NFC với nhau) • Mở cửa nhà, xe hơi: Hãy tưởng tượng đến việc vứt bỏ tồn chìa khóa bạn nhà mà thay vào smartphone Với việc sử dụng NFC, tất bạn cần làm chạm nhẹ vào cửa nhà, văn phòng hay khách sạn, khởi động xe • Thanh tốn di động: Thanh tốn NFC làm việc tương tự tính tốn khơng tiếp xúc PayPass MasterCard Người dùng đặt smartphone trang bị NFC vào sát thiết bị toán NFC để trả tiền cho hàng mà khơng cần dùng thẻ tín dụng Hình 1.2 Thanh tốn NFC • Truyền liệu khơng dây: Những liệu hình ảnh, video truyền không dây thiết bị trang bị công nghệ NFC với tốc độ cao qua vài bước thiết lập đơn giản 14 Hình 2.2 Truyền nhận liệu NFC 4.1 Các thiết bị trang bị công nghệ NFC nay: Hiện nay, cơng nghệ NFC có mặt hầu hết smartphone máy tính bảng thơng dụng thị trường, kể Android hay iOS Nhiều tai nghe headphone bluetooth hay tai nghe true wireless cao cấp có trang bị cơng nghệ NFC để người dùng kết nối thiết bị dễ dàng tiện dụng Ưu, nhược điểm công nghệ NFC: 5.1 Ưu điểm: Được phát triển từ công nghệ RFID nên NFC có hầu hết ưu điểm cơng nghệ gốc cải tiến hơn: • Thuận tiện: Sự tiện lợi việc toán lợi lớn hệ thống NFC giúp người dùng dễ dàng thực toán qua điện thoại thơng minh máy tính bảng họ, sử dụng ví di động họ Q trình tốn đơn giản để hiểu sử dụng Nó giúp người dùng thực giao dịch tài với lần chạm chạm vào hình họ • Đa năng: NFC linh hoạt, bao gồm loạt ngành công nghiệp dịch vụ khác Phương thức tốn sử dụng cho mục đích ngân hàng di động, đặt chỗ nhà hàng vé xem phim, đặt vé tàu 15 hỏa, cập nhật thời gian thực chi tiêu điểm thưởng, đổi phần thưởng phiếu giảm giá nhiều • An tồn hơn: NFC truyền tải liệu khoảng cách nhỏ nhiều so với bluetooth (4-10cm) nên hạn chế hoạt động tội phạm cách đáng kể Sử dụng ví di động, mức độ đó, an tồn so với sử dụng thẻ tín dụng thực Trong trường hợp khơng may bị trộm cắp thiết bị di động, thông tin thẻ tín dụng người dùng mật mã PIN bảo vệ Điều bổ sung thêm lớp bảo mật thứ Ngoài ra, thẻ toán hỗ trợ NFC xây dựng để bảo mật dải từ tính thẻ tín dụng thơng thường Trong sử dụng hệ thống toán này, nhà bán lẻ khơng có quyền truy cập vật lý vào thơng tin thẻ tín dụng khách hàng Nhưng điều khơng làm cho NFC hồn tồn bất khả xâm phạm Như trường hợp nhiều công nghệ ngày nay, tội phạm mạng tìm cách khai thác NFC để thu lợi riêng Do đó, có nhiều rủi ro liên quan đến NFC, bao gồm hack 5.2 Nhược điểm: Cơng nghệ NFC (Near Field Communication) có số nhược điểm sau: • Khoảng cách truyền tải ngắn: NFC hoạt động khoảng cách gần (khoảng vài cm đến mét) nên sử dụng để truyền tải liệu khoảng cách xa • Tốc độ truyền tải chậm: Tốc độ truyền tải NFC chậm so với số cơng nghệ khác Bluetooth Wi-Fi, không phù hợp cho việc truyền tải lượng liệu lớn • Khả xung đột: Khi có nhiều thiết bị NFC hoạt động khoảng cách gần nhau, xảy xung đột tín hiệu NFC gây lỗi trình truyền tải 16 • Không hỗ trợ rộng rãi: NFC chưa hỗ trợ rộng rãi thiết bị, điều khiến cho việc sử dụng NFC không phổ biến áp dụng cho tất mục đích • Khả bị cơng: NFC bị công phương pháp sniffing, replay attacks man-in-the-middle attacks, cần có biện pháp bảo mật thích hợp để đảm bảo an tồn q trình sử dụng 17