Báo Cáo Đồ Án Tìm Hiểu Công Nghệ NFC

Đồ án tìm hiểu sơ lược về công nghệ NFC 1.1 Mục đích chọn đề tài NFC là một công nghê mới, khá hot trên thế giới trong những năm gần đây, NFC ứng dụng trong thực tế khá nhiều làm cho cuộc sống con người trở nên thuận tiện hơn và một trong các ứng dụng nổi bậc nhất là vào lĩnh vực tài chính rất hiệu quả. Điều đặc biệt của công nghệ này là nó tích hợp vào trong smart phone cái đã trở thành nhu cầu thiến yếu trong thời đại hiện ngày nay. Kỷ nguyên của NFC chỉ mới bắt đầu Chúng ta chỉ đang ở giai đoạn đầu của kỷ nguyên giao tiếp tầm ngắn NFC, công nghệ này sẽ còn tiếp tục phát triển rộng rãi và áp dụng nhiều hơn vào nhiều ngành nghề khác nữa. Nhưng trước hết, hy vọng trong một vài năm nữa, việc áp dụng NFC trong thanh toán di động trở nên phổ biến và tiếp cận đến nhiều đối tượng người dùng hơn. Ngoài ra, tích hợp NFC vào các dòng thiết bị tầm thấp cũng là một mục tiêu cần phải đạt được trong tương lai đối với các nhà sản xuất di động. Để NFC phổ dụng hơn không thể không nói đến tầm quan trọng của các nhà phát triển ứng dụng di động. Việc phát triển các ý tưởng cho một ứng dụng dựa trên NFC cần được đầu tư và hỗ trợ nhiều hơn để có được một sản phẩm hoàn chỉnh và thiết thực hơn trong thực tế. Càng nhiều ứng dụng hay dựa trên NFC, sẽ càng khiến cho các công việc thường ngày vốn tốn nhiều thời gian sẽ trở nên dễ dàng và nhanh chóng.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Nguyễn Quốc Việt 12520780

Tp Hồ Chí Minh 06/2016

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới Thầy

Chung Quang Khánh, người đã dành thời gian quý báu của mình để hướng dẫn trực tiếp

chúng em cách thức nghiên cứu đề tài, để chúng em hoàn thành tốt đề tài của mình

Xin cảm ơn các tất cả các bạn bè, anh chị, những người đã giúp đỡ chúng em về mọimặt trong quá trình chúng em làm đồ án này

Trong quá trình làm không thể không gặp những khó khăn và những sai sót, mongthầy góp ý đề chúng em rút kinh nghiệm trong các công trình nghiên cứu sau này

CHÚNG EM XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN THẦY!

Sinh viên thực hiện

Phạm Duy Nguyễn Quốc Việt

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC:

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 6

1.1 Mục đích chọn đề tài 6

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ RFID 7

2.1 Giới thiệu sơ lược 7

2.2 Công nghệ RFID 8

2.2.1 Bản chất công nghệ RFID 9

2.2.2 RFID tags (Transponders) 10

2.2.2.1 RFID tags thụ động (Passive) 10

2.2.2.2 RFID tags chủ động (Active) 11

2.2.3 RFID readers

12 2.2.4 Phạm vi tần số 12

2.2.5 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ RFID 13

2.2.5.1 Kết nối quy nạp (Inductive Coupling) 13

2.2.5.2 Kết nối tán xạ (Backscatter Coupling) 14

2.2.6 Trường truyền gần và trường truyền xa 15

CHƯƠNG 3: BẢN CHẤT CỦA NFC 16 3.1 Giới thiệu về NFC 16

3.2 Tiêu chuẩn và nỗ lực phát triển của thiết bị di động tích hợp NFC.19 3.3 Kiến trúc chung của điện thoại NFC 22

3.3.1 Yếu tố bảo mật (Secure Element – SE) 23

3.3.2 Giao diện NFC 24

3.3.3 Giao diện giữa SE và NFC Controller 25

3.3.4 Host Controller và HCI 28

3.4 Lớp vật lý của NFC 30

3.4.1 ISO/IEC 14443 – Tiêu chuẩn thẻ thông minh giao tiếp gần 31

3.4.2 Near Field Communication Interface and Protocol (NFCIP) 33

3.4.3 Lớp Data Transmission trên RF 34

3.6 Cách thành phần của chế độ hoạt động Peer-to-Peer 45

3.7 Các thành phần của chế độ hoạt động Card Emulation 47

CHƯƠNG 4: CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG NFC 49 4.1 Kỹ thuật tương tác di động 50

4.2 Phân loại các thiết bị NFC 53

4.2.1 Thiết bị chủ động và bị động 53

4.2.2 Thiết bị khởi xướng và mục tiêu 53

4.3 Chế độ Reader/Writer 54

4.4 Chế độ Peer-to-Peer 63

4.5 Thẻ mô phỏng 66

4.6 Tổng quan về các chế độ hoạt động 69

Chương 5: NFC Security and Privacy 71 5.1 Các loại bảo mật thông dụng 71

5.1.2 Mục đích chính của biện pháp bảo mật 73

5.1.3 Điểm yếu bảo mật, mối đe dọa, tấn công 74

5.1.4 Nguyên tắc của bảo mật 75

5.2 Các cơ chế và công cụ bảo mật 75

5.3 NFC Security Framework 76

5.3.1 Vấn đề bảo mật trên NFC Tag 77

5.3.2 Vấn đề bảo mật trên NFC Reader 79

5.3.3 Vấn đề bảo mật trên thẻ thông minh 80

5.3.4 Vấn đề bảo mật khi giao tiếp 81

Chương 6: Hướng phát triển tương lai

82

Tài liệu tham khảo

87

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích chọn đề tài

NFC là một công nghê mới, khá hot trên thế giới trong những nămgần đây, NFC ứng dụng trong thực tế khá nhiều làm cho cuộc sống conngười trở nên thuận tiện hơn và một trong các ứng dụng nổi bậc nhất làvào lĩnh vực tài chính rất hiệu quả Điều đặc biệt của công nghệ này là nótích hợp vào trong smart phone cái đã trở thành nhu cầu thiến yếu trongthời đại hiện ngày nay

Kỷ nguyên của NFC chỉ mới bắt đầu

Chúng ta chỉ đang ở giai đoạn đầu của kỷ nguyên giao tiếp tầmngắn NFC, công nghệ này sẽ còn tiếp tục phát triển rộng rãi và áp dụngnhiều hơn vào nhiều ngành nghề khác nữa Nhưng trước hết, hy vọngtrong một vài năm nữa, việc áp dụng NFC trong thanh toán di động trởnên phổ biến và tiếp cận đến nhiều đối tượng người dùng hơn Ngoài ra,tích hợp NFC vào các dòng thiết bị tầm thấp cũng là một mục tiêu cầnphải đạt được trong tương lai đối với các nhà sản xuất di động

Để NFC phổ dụng hơn không thể không nói đến tầm quan trọngcủa các nhà phát triển ứng dụng di động Việc phát triển các ý tưởngcho một ứng dụng dựa trên NFC cần được đầu tư và hỗ trợ nhiều hơn để

có được một sản phẩm hoàn chỉnh và thiết thực hơn trong thực tế.Càng nhiều ứng dụng hay dựa trên NFC, sẽ càng khiến cho các côngviệc thường ngày vốn tốn nhiều thời gian sẽ trở nên dễ dàng và nhanhchóng

CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ RFID

2.1 Giới thiệu sơ lược

Near Field Communication (NFC) là một công nghệ đơn giản hóa đồng thời tươngtác với các thiết bị có tích hợp NFC xung quanh chúng ta Nó tích hợp công nghệ nhậndạng tần số vô tuyến Radio-Frequency Identification (RFID) và giao diện thẻ thông minhvới điện thoại di động Khái niệm NFC phát sinh từ sức mạnh tổng hợp của một số côngnghệ bao gồm thông tin liên lạc không dây, các thiết bị di động, ứng dụng di động, thôngtin liên lạc và RFID thẻ thông minh Lập trình server, dịch vụ web, và công nghệ XMLcũng góp phần cải thiện nhanh và lan tỏa của NFC bằng cách cho phép các dịch vụ trựctuyến trên Internet Nhiều vật dụng đồ dùng quen thuộc, chẳng hạn như thẻ tín dụng, chìakhóa xe và thẻ truy cập phòng khách sạn cuối cùng sẽ không còn tồn tại vì sẽ được thaythế bởi các thiết bị di động được tích hợp NFC đã đủ để cung cấp tất cả các chức năngtrên

Công nghệ NFC đã xuất hiện và đang được sử dụng ngày càng phổ biến hơn Bạn sẽnhận thấy rõ điều này trong khi đọc cuốn sách này, điều này giải thích cách sử dụng NFCvới một cách tiếp cận toàn diện từ các khái niệm và các thành phần công nghệ vào lĩnhvực ứng dụng và các vấn đề thủ tục bảo mật Trong chương này, chúng ta bắt đầu với mộtlịch sử nền ngắn mà công phu thế nào tất cả các công nghệ nói trên đã mở đường cho sựphát triển của công nghệ NFC

2.2 Công nghệ RFID:

RFID là công nghệ thông tin liên lạc để trao đổi dữ liệu giữa một RFID reader vàmột RFID tag (nhãn) bằng cách sử dụng sóng vô tuyến (xem Hình 2.1) Các tag được gắnliền với một đối tượng, chủ yếu là với mục đích xác định và theo dõi Kết quả việc truyềntải dữ liệu từ sóng điện từ, có thể có phạm vi khác nhau tùy thuộc vào tần số và từ trường.RFID reader có thể đọc/ghi dữ liệu từ/tới RFID tag

Hình 2.1: Kiến trúc của hệ thống RFID

Kết nối giữa RFID reader và máy chủ ứng dụng RFID có thể được sử dụng bằngmạng có dây hoặc không dây Trong các hệ thống phụ trợ, các ứng dụng RFID được gánthông tin cụ thể RFID tag thường chứa một mạch tích hợp (IC) và một ăng-ten Các vimạch cung cấp lưu trữ và xử lý dữ liệu, điều chỉnh và phát ra một tín hiệu RF (RadioFrequency), và các chức năng khác Các ăng-ten cho phép các tín hiệu được nhận vàtruyền đi Tags, readers và các chi tiết khác về các thành phần của hệ thống RFID sẽ đượcgiải thích ở phần sau

Các hệ thống IFF (Xác định Friend or Foe) đã được sử dụng phổ biến đây là ứngdụng đầu tiên của công nghệ RFID trong Chiến tranh thế giới thứ hai dùng để phân biệtmáy bay quân ta hay từ kẻ thù Công nghệ RFID được sử dụng thương mại trở lại vàonăm 1960 và 1970 với các hệ thống mở chốt cửa Công nghệ tiến bộ trong nhiều lĩnh vực

chất lượng và kỹ thuật) đã thực thi công nghệ RFID hữu ích hơn với các ứng dụng trongquản lý tài sản, thanh toán, bán vé, theo dõi vật nuôi, và vận chuyển.

2.2.1 Bản chất công nghệ RFID

Một số tổ chức có liên quan đến việc phát triển và định nghĩa của công nghệ RFIDnhư trong các khái niệm phần cứng, các môi trường ứng dụng, và như vậy Nhiều tổ chứctham gia vào việc chuẩn hóa như Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa (ISO), EPCglobalInc., Viện Tiêu chuẩn Viễn thông châu Âu (ETSI), và Ủy ban Truyền thông Liên bang(FCC) [1]

Một hệ thống RFID được tạo thành từ hai thành phần chính: Transponder và Reader(Transceiver) [2] Các transponder là thành phần được đặt trên một sản phẩm hoặc đốitượng được xác định, và Reader là thành phần mà đọc dữ liệu từ bộ Transponder hoặcđọc/viết từ/đến transponder (xem Hình)

Hình 2.2: Các thành phần chính của hệ thống RFID

 Các transponder bao gồm một vài thành phần kết nối và một IC đểchứa dữ liệu thực tế Các transponder thực ra là một RFID tag Cáctransponder có thể là thụ động hay chủ động Khi các transponder vàotrong phạm vi của một RFID reader, thì nó được cung cấp năng lượngbởi các tín hiệu đến

giao diện bổ sung giúp nó có thể chuyển tiếp dữ liệu nhận được chuyểnsang một hệ thống khác.

2.2.2 RFID tags (Transponders)

Như đã đề cập, các RFID tags gồm một IC nhỏ với các thành phầnkết nối Nó có đủ khả ăng để lưu một lượng lớn dữ liệu, được chia thànhhai nhóm chính: Tag thụ động không có nguồn năng lượng bên trong vàTag chủ động có nguồn cấp năng lượng riêng bên trong (Hình 2.3)

Hình 2.3: Thành phần của RFID Tag

2.2.2.1 RFID tags thụ động (Passive)

RFID tag thụ động có các thành phần là một IC nhúng và ăng-ten,nhưng không có nguồn cấp năng lượng Các tín hiệu RF đến sẽ cungcấp đủ để khởi động các IC trong tag và khởi động quá trình truyển tải

Do không có nguồn cấp năng lượng nhúng bên trong hay pin nên RFIDtag thụ động thường có kích thước khá nhỏ, với kích thước tương đương

cách ngắn thay đổi từ 10cm đến vài mét Phạm vi này phụ thuộc vàotần số radio được chọn, thiết kế ăng-ten và kích thước của nó Các RFIDtag thụ động chỉ có ích trong một số trường hợp ứng dụng bởi khoảngcách sử dụng ngắn Tuy nhiên nó đã được sử dụng từ lâu trong một thờigian dài, và chi phí để sản xuất những thẻ này rất rẻ.

2.2.2.2 RFID tags chủ động (Active)

Tương tự như vậy, RFID tag chủ động có cách thành phần phầncứng tương tự như các RFID tag bị động nhưng khác là nó có nguồncung cấp năng lượng riêng của nó Nguồn cấp này dùng để cung cấpnăng lượng cho các IC trong tag để tạo ra một tín hiệu gửi đi Nó giúpcác RFID tag chủ động có thể trực giao tiếp với một RFID reader khicần, đồng thời có thể truyền tải ở mức công sức cao và đáng tin cậyhơn các tag bị động Những tag này có hiệu quả trong các môi trường

RF khác nhau như trong nước, vận chuyển container và trên phươngtiện với khoảng cách xa hơn

Hoạt động của RFID tag chủ động có phạm vi rộng hơn và kíchthước lưu trữ lớn hơn các RFID tag bị động Và do đó nó có giá thànhmắc hơn, và nó có thêm khả năng lưu thêm các thông tin được gửi bởiRFID reader, một số còn được tích hợp với các cảm biến khác như nhiệt

độ, độ ẩm, rung/lắc, ánh sáng, môi trường không khí Các tính chất củacác RFID tag chủ động và bị động được so sánh trong bảng 2

Thông số Tag chủ động Tag bị động

Nguồn cấp năng

lượng

Nguồn nhúng bêntrong

Giá thành sản xuất Đắt Thấp

Bảng 2: So sánh giữa Tag chủ động và Tag bị động

2.2.3 RFID readers

RFID reader là một thiết bị được sử dụng để thẩm tra yêu cầu củaRFID tag Như đã đề cập nó bao gồm một bộ thu phát, một bộ điềukhiển và một ăng-ten Các ăng-ten dùng để phát sóng vô tuyến điện từ

và reader sẽ nhận các dữ liệu được truyền bởi các tag đồng thời cungcấp hạ tầng để chuyển tiếp, ví dụ lấy các nội dung kết nối với mã sốtrên các tag Một số reader chỉ có khả năng đọc các tần số duy nhấttrong khi một số có dạng đa giao thức có thể đọc hầu hết các quang

phổ tần số có sẵn Cấu trúcmột bộ reader đơn giản(Hình 2.4)

Hình 2.4: Thành phần của

RFID Reader

2.2.4 Phạm vi tần số

RFID sử dụng các tần số khác nhau, từ 300 kHz đến 3 GHz; phạm vi chính xác phụthuộc vào quy định của từng quốc gia Tag chủ động chỉ truyền ở tần số RF cao hơn,trong khi các tag thụ động truyền ở tất cả các tần số Hình 2.5 cho thấy phạm vi giao tiếpcủa dải tần số khác nhau và các loại hệ thống

Hình 2.5:

Phạm vi giao tiếp

2.2.5 Nguyên tắc hoạt động của công nghệ RFID

Các nguyên tắc hoạt động là phần quan trọng nhất của công nghệRFID: kết nối quy nạp và kết nối tán xạ

2.2.5.1 Kết nối quy nạp (Inductive Coupling)

Theo [2], một transponder (tag) sử dụng quy trình kết nối quy nạpbao gồm một dữ liệu được lưu trong thiết bị, thường là một IC và mộtcuộn dây diện tích lớn với vai trò là ăng-ten Kết nối quy nạp thườngdùng cho tags thụ động không có nguồn cấp năng lượng bên trong Vìvậy, nó chỉ có thể dùng cho trường hợp trường gần Điều này có nghĩa

là năng lượng cho các IC hoạt động sẽ được cung cấp bởi RFID reader.Với mục đích này, ăng-ten của RFID reader tạo ra một trường điện

từ với tần số cao Các trường này thâm nhập vào các tiết diện của ten và các khu vực xung quanh cuộn dây Các bước sóng của dải tần sốnày này lớn hơn khoảng cách giữa ăng-ten của RFID reader và các RFIDtag thụ động Trường điện từ này có thể được định nghĩa như một từtrường xen kẽ đơn giản

ăng-Hình 2.6: Kết nối quy nạp

Khi RFID tag được đặt trong trường điện từ của đầu đọc RFID, thìcác transponder bắt đầu nhận năng lượng từ các từ trường này (Hình

cấp hiện tại của nó Vì vậy khi bật và tắt một điện trở tải (hoặc moduletải) ở trong ăng-ten của transponder sẽ gây ra sự thay đổi hiệu điện thếtrong nó, và nếu khi bật tắt các module này được điều khiển bằng dữliệu, thì khi đó cách truyền dữ liệu từ RFID tag sang RFID reader đượcgọi là điều biến tải.

2.2.5.2 Kết nối tán xạ (Backscatter Coupling)

Trong một hệ thống RFID, một trường điện từ được phát từ ăng-tenRFID reader Một số nhỏ của trường này bị giảm vì truyền qua khônggian, số còn lại đến ăng-ten RFID tag (transponder) Các ăng-ten cungcấp điện áp tần số cao Sau khi chỉnh lưu của các điốt, nguồn nănglượng này có thể được dùng để bật điện áp cho việc kích hoạt hoặcchấm dứt của chế độ tiết kiệm năng lượng

Trong trường hợp của kết nối tán xạ, phần năng lượng RF đượcphản xạ bởi ăng-ten của transponder được minh họa như hình 2.7 Sựphản xạ này thâm nhập vào các tiết diện của ăng-ten transponder cóthể bị ảnh hưởng bởi sự tải kết nối với ăng-ten Để truyền từ RFID tagđến RFID reader, một điện trở tải kết song song với ăng-ten của các tagđược bật tắt trong thời gian các dữ liệu được truyền đi Do đó sức mạnhcủa các tín hiệu phản xạ từ các transponder có thể được điều biến, và

nó được gọi là điều biến tán xạ

Các tín hiệu từ các transponder được bức xạ vào không gian, một

số được nhận bởi ăng-ten của RFID reader Vì vậy, các tín hiệu phản xạ

đi theo hướng ngược lại với ăng-ten của RFID reader Và nó có thể đượctách riêng bởi một bộ nối hướng

2.2.6 Trường truyền gần và trường truyền xa

Hai cách tiếp cận để thiết kế RFID khác nhau tồn tại để chuyểnnăng lượng từ reader đến tag: cảm ứng từ và chụp sóng điện từ Haithiết kế sử dụng những phương pháp tiếp cận và được gọi là trường gần

và trường xa [1]:

1 RFID trường truyền gần

RFID trường truyền gần sử dụng cảm ứng từ giữa reader vàtransponder Trong khi RFID tạo ra từ trường trong vị trí của nó, đi mộtchiều thông qua cuộn dây đọc Nếu một RFID tag với một cuộn dây nhỏhơn được đặt trong phạm vi của reader, điện áp xoay chiều xuất hiệnqua nó và từ trường bị ảnh hưởng bởi các dữ liệu được lưu trên thẻ.Điện áp được chỉnh lưu và cung cấp năng lượng cho tag Khi được cungcấp năng lượng, dữ liệu sẽ được gửi trả về cho reader sử dụng moduletải

2 RFID trường truyền xa

Tags sử dụng trong trường truyền xa hoạt động trên 100MHz,thường ở 865-915Mhz lên tới 2,45Ghz Nó sử dụng kỹ thuật kết nối tán

xạ Trong trường hợp này tín hiệu của reader được phản xạ và nó đượcđiều biến để thay đổi hiệu số điện thế để truyền tải dữ liệu Phạm vicủa hệ thống được giới hạn bằng năng lượng truyền tải bởi reader Donhững tiến bộ trong việc sản xuất chất bán dẫn, năng lượng cần thiết

để cung cấp năng lượng cho tag tiếp tục giảm Phạm vi tối đa có thểtăng cho phù hợp

CHƯƠNG 3: BẢN CHẤT CỦA NFC

Chương này sẽ cung cấp một cái nhìn sâu hơn về bản chất và các yếu tố cần thiếtcủa công nghệ NFC Phần đầu chương sẽ giới thiệu về cầu trúc cơ bản NFC và các thiết bịNFC (NFC tag, NFC reader, and NFC enabled mobile phone) Cung cấp các tiêu chuẩn cơbản trong công nghệ NFC Chúng ta sẽ tìm hiểu về cấu trúc giao tiếp, các thành phần cầnthiết của mỗi chế độ hoạt động (reader/writer, peer-to-peer and card emulation) và tầngradio frequency (RF)

3.1 Giới thiệu về NFC

NFC được thiết lập khi hai thiết bị NFC ở phạm vi gần (4cm) Thiết bị NFC nàophát sống vô tuyến (RF) được gọi là chủ động (active), thiết bị nào lấy nguồn từ RF gọi

là thụ động (passive) hoặc cả 2 đều là chủ động đều trao đổi dữ liệu

Thiết bị A Thiết bị B Chú thích Chế độ giao tiếp

Chủ động Chủ động Trường RF được tọa bởi cả 2 thiết bị Chủ động

Chủ động Bị động Trường RF được tọa chỉ bởi thiết bị A Bị động

Bị động Chủ động Trường RF được tọa chỉ bởi thiết bị B Bị động

Bảng 3.1: Chế độ giao tiếp chủ động so với bị động.

Ngoài ra ta còn một cách nữa là "request and reply" Với initiator ( thiết bị khởixướng) mở đầu giao tiếp bằng cách gửi một tin nhắn request tới target (thiết bị mục tiêu)

và target sẽ trả lời bằng cách gửi một tin nhắn response lại initiator

Vai trò

thiết bị

Active Device

Passive Device

Hình 3.2: Các chế độ hoạt động

(i) NFC enabled mobile phones ( tích hợp trên thiết bị di động)

NFC enabled mobile phones còn được gọi là điện thoại có hỗ trợ NFC Ngày nay,các điện thoại có NFC ngày càng nhiều, nó tạo ra một cơ hội lớn để cho thấy sự dễ dàngtrong sử dụng và tạo ra một hệ sinh thái phong phú Điện thoại cho phép lưu trữ dữ liệu antoàn và do đó nó có thể hoạt động như một thẻ thông minh (smart card), các ứng dụngNFC đòi hỏi phải được thực hiện một môi trường đảm bảo an toàn như thanh toán, mua

vé, kiểm soát truy cập, thẻ tích điểm mua sắm

(ii)NFC tags

NFC tag thực chất là một RFID tag thụ động, hiện nay chỉ có một lượng dữ liệu

nhỏ có thể được lưu trong một NFC tag Để cấp điện cho NFC tag, người dùng chỉ cần

chạm nó vào một đầu đọc NFC hay một điện thoại có NFC, vì thế hai NFC tag không thể

giao tiếp với nhau Các NFC tag có thể chứa bất kỳ loại dữ liệu nào, nhưng với một giới

hạn kích thước nhất định không thể vượt quá NFC Forum đã tiêu chuẩn hóa 4 kiểu thẻ(Type 1, Type 2, Type 3, and Type 4)

(iii) NFC readers

NFC reader luôn luôn là một thiết bị chủ động(active) và có khả năng truyền thôngtin hai chiều đến một thiết bị NFC khác NFC reader có thể hoạt động ở một trong haihình thức: internal và external

3.2 Tiêu chuẩn và nỗ lực phát triển của thiết bị di động

và mục tiêu của NFC Forum là:

+ Phát triển các thông số kỹ thuật NFC bằng việc định nghĩa các kiến trúc môđuncho các thiết bị NFC

+ Xác định các giao thức trao đổi dữ liệu tương thích

+ Xác định các giao thức cho device discovery và device capability

+ Khuyến khích các nhà cung cấp công nghệ phát triển và triển khai các sản phẩn cótích hơp công nghệ NFC

+ Thiết lập một chương trình chứng nhận đảm bảo cho các sản phẩm NFC theo cáctiêu chuẩn và thông số kỹ thuật của NFC Forum.

+ Thúc đẩy việc sử dụng NFC trên toàn cầu bằng cách giới thiệu cho người tiêudùng và các doanh nghiệp về những ứng dụng và lợi ích của NFC

Hình 3.4: Kiến trúc kĩ thuật của NFC Forum.

- Reader/writer mode: sử dụng đặc điểm kỹ thuật Record Type Definition (RTD) và NFC

Data Exchange Format (NDEF)

- Peer-to-peer mode: sử dụng kết nối peer-to-peer thông qua lớp RF.

- Card emulation mode: cung cấp các khả năng của smart card lên điện thoại NFC.

Chuẩn của các bản ghi (Record) được

sử dụng khi trao đổi tin giữa thiết bị vàtag

Smart Poster RT D Các áp phích quản cáo chứa text,

audio và các kiểu data khác

Text RT D Record chứa văn bản đơn giản

Uniform Resource Identifier

(URI)

Record chứa các tài nguyên trênInternet

Connection Handover Định nghĩa cách các để thiết lập kết

nối không dây khác

NFC Tag Types 1–4 Operation NFC forum định nghĩa các chuẩn của

tag

Logical Link Control Protocol

(LLCP)

Hỗ trợ các ứng dụng P2P trong côngnghệ NFC

Bảng 3.4: Tổng quan về ác thông số kỹ thuật NFC Forum

Ngoài ra, NFC Forum còn giới thiệu một biểu tượng là “N-Mark”, để người dùng cóthể xác định các thiết bị nào có hỗ trợ công nghệ NFC

Hình 3.5: Biểu tượng NFC

3.3 Kiến trúc chung của điện thoại NFC

Hình 3.6: Kiến trúc kỹ thuật của điện thoại NFC

Một giao diện NFC bao gồm: contactless, analog/digital front-end còn gọi là NFCContactless Front-end (NFC CLF), một ăng-ten NFC và một IC gọi là NFC controller chophép thực hiện kết nối NFC Một điện thoại NFC có ít nhất một bộ SE (Secure element)kết nối với NFC controller để thực hiện các giao dịch an toàn với một thiết bị NFC khác.Các SE cung cấp một môi trường bảo mật cho các chương trình và dữ liệu Giao diện hỗtrợ giữa SE và NFC controller là Single Wire Protocol (SWP) và NFC Wired Interface(NFC-WI) SE có thể được truy cập và điều khiển từ bộ Host controller Host controller làtrái trái tim của điện thoại Host controller interface (HCI) được tạo ra giữa NFCController và Host Controller ISO/IEC 7816 Interface hỗ trợ việc kết hợp từ SE tới hostcontroller Host controller thiết lập chế độ hoạt động của NFC Controller thông qua HCI,

xử lý dữ liệu gửi và nhận, xác minh giữa NFC controller và SE Ngoài ra host controllervẫn duy trì giao diện kết nối, điều khiển ngoại vi và giao diện người dùng

3.3.1 Yếu tố bảo mật (Secure Element – SE)

NFC phải đảm bảo cho người dùng và người cung cấp dịch vụ rằng giao dịch được

diễn ra trong một môi trường an toàn và được bảo vệ SE là sự kết hợp của phần cứng,

phần mềm, giao diện, giao thức rồi được nhúng vào điện thoại và được lưu trữ an toàn

Các ứng dụng liên quan tới NFC cần được lưu trữ và thực hiện trong bộ nhớ SE Các loại

mô-đun có thể sử dụng như SE là SIM, thẻ nhớ, phần cứng nhúng

Hình 3.7: Không bảo mật

và có bảo mật

Hình 3.8: Thành phân bảo mật

Hình 3.9: Các kiểu thiết kế khác nhau của bảo mật NFC

Embedded hardware trong điện thoại là một phần không thể thiếu và không thể tháo rời Secure Memory Card (SMC) là một khu vực lưu trữ an toàn trong removable smart card UICC là thẻ vật lý thông minh và có lẻ là phổ biến nhất, tên thông dụng là SIM hoặc

USIM

3.3.2 Giao diện NFC

Hình 3.10: Giao diện NFC

Giao diện NFC bao gồm: contactless, analog/digital front-end còn gọi là NFCContactless Front-end (NFC CLF), một ăng-ten NFC và một IC gọi là NFC controller chophép thực hiện kết nối NFC NFC Controller hoạt động như một máy modulator vàdemodulator giữa tính hiệu analog RF và ăng-ten NFC.

Để kết nối từ Ăng-ten NFC tới NFC Controller cần một số thành phần thụ động như

tụ điện, điện trở, cuộn cảm NFC Controller hỗ trợ cả 2 chế độ giao tiếp active và passive.Các dữ liệu truyền qua NFC interface sẽ được chuyển trực tiếp tới SE bởi NFC Controller

và ngược lại Host Controller không tham gia quá trình này

3.3.3 Giao diện giữa SE và NFC Controller

Thiết kế giao diện giữa NFC Controller và SE có hai cách: NFC-WI(NFC WiredInterface) sử dụng hai dây, SWP(Single Wire Protocol) sử dụng một dây

(i) NFC-WI

NFC-WI còn gọi là S2C (SignalIn/SignalOut Connection) là một giao diện kỹ thuật

số được tiêu chuẩn hóa bởi ECMA 373, ISO/IEC 28361, ETSI TS 102 541 Trong giaothức này SE là bộ thu phát và NFC Controller là thiết bị đầu cuối

Hình 3.1: Kiến trúc NFC-WI.

Giao diện Digital-Wire mang hai tính hiệu nhị phân được định nghĩa là HIGH andLOW NFC-WI hỗ trợ 3 tốc độ truyền 106, 212, 424 kbps

Hình 3.12: Tín hiệu điều chế của NFC controller ở 106 kbps

Tốc độ 106 kbps, dòng dữ liệu từ NFC Controller đến bộ thu phát(SE) thực hiệntheo kiểu Modified Miller ở 13.56MHz Theo hướng ngược lại từ Bộ thu phát (SE) tớiNFC Controller dữ liệu được mã hóa theo kiểu Manchester và sau đó đảo ngược bởi cổng

OR ở 848kHz

(ii) SWP

SWP giao diện kết nối giữa NFC Comtroller và SE chỉ sử dụng một dây SWP theochuẩn ETSI TS 102 613 Tốc độ truyền 212kbps - 1.6 Mbps khoảng cách 10cm Giaodiện SWP là giao thức truyền thông điểm-điểm(point-to-point) giữa SE và NFCController, nguyên tắc tương tự như master (NFC Controller) và slave (SE)

Hình 3.13: Tầng vật lý CLF-UICC (Kiến trúc SWP)

Hình 3.14: Truyền dữ liệu SWP

3.3.4 Host Controller và HCI

HCI có thể cho phép một giao diện NFC giao tiếp trực tiếp với bộ xử lý ứng dụng vànhiều SE HCI còn được định nghĩa giao diện giữa các máy chủ(host) với nhau TheoETSI (The European Telecommunications Standards Institute) định nghĩa: 2 host trở lêngọi là mạng host, một máy trong mạng đó chịu trách nhiệm quản lý là host controller

HCI có 3 thành phần:

+ Các cổng (gate): trao đổi lệnh, respones, sự kiện (event)

+ Cơ chế tin nhắn Host Controller Protocol (HCP)

+ HCP routing có thể điều chỉnh segment messages khi có yêu cầu

Hình 3.15: HCP Stack trong host network

Gate là điểm khởi đầu cho các hoạt động trao đổi thông tin trong một Host CácGate giao tiếp với nhau thông qua các ống(pipes) Có hai loại ống, ống tĩnh (static pipes)

và ống động (dynamic pipes);

Ống tĩnh không cần phải tạo ra và cũng không xóa được, ống động có thể tạo ra vàxóa đi Trạng thái của ống là đóng hoặc mở Các trạng thái của ống có thể được giữ khálâu ngay cả khi năng lượng của host lên và xuống hay host đã rời khỏi mạng Chiều dàicủa ống được định dạng là 7bit(pID) Nó được sử dụng trên tiêu đề của gói tin HCP pIDcủa ống động được xác định bởi host controller, pID của có ống tĩnh đã được xác địnhtrước

HCP packets: các gói tin HCP được trao đổi giữa các host và host controller, nóchứa các phần sau đây:

+ CB là bit xâu chuỗi, nếu nó giữ giá trị là '1' nếu nó là message cuối cùng, còn lại giữgiá trị '0'

+ pID dùng để xác định ống

+ Message mang theo một chỉ thị và dữ liệu tùy chọn: chỉ thị là lệnh điều khiển (TYPE

= 0), an Event (TYPE = 1), a command response (TYPE = 2)

Hình 3.16:

HCP packets

Hình 3.17:

Cấu trúc HCP message

3.4 Lớp vật lý của NFC

Công nghệ NFC dựa trên công nghệ RFID trong phạm vi gần và với tần số13,56MHz Tốc độ truyền của NFC có thể lên đến 424kbps Tiêu chuẩn ISO/IEC 18092NFCIP-1 chỉ định nghĩa đến hai thiết bị giao tiếp mà máy có thể ở cả hai chế độ active vàpassive Lớp RF của NFC tương thích với chuẩn ISO/IEC 14443 và ISO/IEC 15693(chuẩn giao tiếp trên thẻ thông minh), JIS X 6319 chuẩn trên thẻ FeliCa (chuẩn giao tiếptrên thẻ thông minh định nghĩa bởi Sony) Phần này sẽ giúp cung cấp kiến thức nền về cácgiao diện giao tiếp tầm gần trong NFC và giải thích tính năng truyền tải dữ liệu của lớpRF

Thông số ISO/IEC 18092 ISO/IEC 14443 ISO/IEC 15693

Chế độ hoạt động Peer-to-Peer Reader-đến-card Reader-đến-cardChế độ giao tiếp Active và Passive Passive Passive

Phạm vi Tiệm cận Tiệm cận Lân cận

Tốc độ dữ liệu 106, 212, 424 kbps 106 kbps ≤ 26 kbps

Bảng 3.5: Tóm tắt các chuẩn giao diện chế độ giao tiếp

3.4.1 ISO/IEC 14443 – Tiêu chuẩn thẻ thông minh giao tiếp gần

Chuẩn ISO/IEC 14443 là một chuẩn giao tiếp gần giữa thẻ giao tiếp gần và đầu đọcRFID, trong đó nó sử dụng một vi điều khiển nhúng và một ăng-ten từ hoạt động ở13,56MHz Thông thường các thẻ sử dụng tiêu chuẩn này là thẻ tín dụng

PICC (Proximity Integrated Circuit Card) là thẻ và PCD (Proximity CouplingDevice) là đầu đọc

Tên thành phần Nội dung

ở cấp độ khi xây dụng và thiết kế thẻ

Phần 2 – Công suất RF

và giao diện tính hiệu Xác định năng lực RF và giao diện tín hiệu, Blưu đồ tín hiệu kiểu A và kiểu, xác định mức

năng lượng của thẻ được cung cấp năng lượngtrong vùng RF

Phần 4 – Giao thức

truyền Xác định các giao thức lựa chọn truyền tải cấpcao cho kiểu A và kiểu B

Bảng 3.6: Các thành phần của chuẩn ISO/IEC 14443

3.4.1.1 Nguyên tắc hoạt động chính của ISO/IEC 14443

Thẻ thông minh được cấp năng lượng khi tiếp xúc với đầu đọc thông qua ăng-tencủa đầu đọc đến ăng-ten của thẻ Một từ trường xoay chiều hình sin được tạo ra bởi ăng-ten của đầu đọc Khi một thẻ tiếp xúc đủ gần với từ trường xoay chiều của đầu đọc, mộtdòng điện xoay chiều được tạo ra trong ăng-ten của thẻ Trên PICC (Proximity IntegratedCircuit Card) chứa một bộ chỉnh lưu chuyển đổi AC thành DC để cấp nguồn các IC Biên

độ của đầu đọc được chiều chỉnh bởi modulates tác động đến vùng RF để gửi thông tinđến thẻ

Các IC chứa demodulator sẽ chuyển đổi biên độ modulates thành tín hiệu kỹ thuật

số Các IC cũng chứa mạch Clock Extraction để tạo ra tín hiệu Clock 13,56MHz nhằm sửdụng trong IC Các dữ liệu từ Reader được clocked in, mã hóa và xử lý bởi các IC Các IC

sẽ giao tiếp với Reader thông qua modulating ISO/IEC 14443 PICC sử dụng sóng con

847.5 kHz cho modulation, nó cho phép Reader lọc sóng con ra khởi ăng-ten reader vàgiải mã dữ liệu.

3.4.1.2 Các công nghệ thẻ thông minh áp dụng ISO/ IEC 14443

MIFARE thuộc ISO/IEC 14443Type A standard, hoạt động ở13,56MHz Tính đến 2011,Mifare được sử dụng trong hơn 80% tất cả các thẻ thông minh trên thếgiới Thẻ Mifare được ứng dụng rộng rãi trong việc bán vé giao thôngcông cộng, quản lý truy cập, thanh toán điện tử, thu phí đường bộ, cácdịch vụ hậu mãi tích điểm

(ii) FeliCa

FeliCa hoạt động ở 13,56MHz,

là loại thẻ thông minh từ Sonychủ yếu được sử dụng làm tiềnđiện tử Cái tên FeliCa xuấtphát từ từ 'Felicity' (hạnhphúc), cho thấy công nghệ sẽ làm cuộc sống ngày càng thuận tiện vàthú vị hơn Sony áp dụng cho chuẩn ISO/IEC 14443 là loại chuẩn kiểu C

(iii) Calypso

thông vận tải quốc tế Nó được thiết kế bởi các nước châu âunhư Bỉ, Đức, Pháp, Ý và Bồ Đào Nha, nó có khả năng tươngtác giữa các nhà cung cấp vận tải trong khu vực đó Dựa trêntiêu chuẩn ISO/IEC 14443 Type B vàEuropean standard EN 1545.

3.4.2 Near Field Communication Interface and Protocol (NFCIP)

NFCIP được chuẩn hóa trong hai hình thức: NFCIP-1 xác định cách thức giao tiếpNFC trên lớp RF và tính năng kỹ thuật của các lớp RF NFCIP-2 hỗ trợ việc chuyển đổichế độ hoạt động bằng cách phát hiện và lựa chọn một chế độ phù hợp

Hình 3.18: Chuẩn giao tiếp trong NFC.

3.4.2.1 NFCIP-1

NFCIP-1 được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISO/IEC 18092, ECMA 340, and ETSI

TS 102 190 Tiêu chuẩn này định nghĩa hai chế độ hoạt động active và passive Nó cũngxác định vùng RF, giao diện tín hiệu RF, định nghĩa giao thức chung cho luồng dữ liệu,khởi tạo và hỗ trợ cho các mức tốc độ 106, 212, 424kbps cho tất cả các thiết bị NFCIP-1

Nó cũng định nghĩa giao thức truyền đạt bao gồm: protocol activation, data exchangeprotocol, protocol deactivation methods(các giao thức ngừng hoạt động) Tần số củavùng RF là 13,56MHz Nếu việc giao tiếp ở chế độ active cả hai initiator và target đều tạo

ra vùng RF, tốc độ truyền giữa initiator và target có thể khác nhau Còn trong chế độ giao

tiếp passive, initiator sẽ tạo vùng RF còn các target phải đáp ứng lệnh của initiator.

NFCIP-2 là chuẩn được quy định trong tiêu chuẩn ISO/IEC 21481, ECMA 352 and

ETSI TS 102 312 Các tiêu chuẩn quy định cơ chế lựa chọn chế độ giao tiếp và được thiết

kế để không gây nhiễu bất kỳ thông tin liên lạc đang diễn ra tại 13,56MHz cho các thiết bị

chuẩn ISO/IEC 18092 (vd: NFCIP-1), ISO/IEC 14443 (vd: MIFARE) hay ISO/IEC

15693(vd: RFID tags) Mặc dù các tiêu chuẩn ISO/IEC 18092, ISO/IEC 14443 và

ISO/IEC 15693 đều hoạt động tại 13,56MHz, nhưng chúng vẫn có thể chỉ định các chế độ

giao tiếp riêng biệt Các thiết bị theo chuẩn NFCIP-2 không tương thích với smart card

emulation ở chuẩn ISO/IEC 14443 Type B and ISO/IEC 15936

3.4.3 Lớp Data Transmission trên RF

Chế độ Reader/Writer cho phép kết nối dữ liệu chỉ tại 106kbps và dựa trên giao diện

RF, nó phù hợp với tiêu chuẩn ISO/IEC 14443 (Type A, Type B) và FeliCa Chế độ

peer-to-peer, giao diện RF cho phép kết nối dữ liệu ở cả 3 mức 106, 212, 424kbps dựa trên tiêu

chuẩn ISO/IEC 18092 (NFCIP-1) Chế độ card emulation: giao diện RF dựa trên chuẩn

ISO/IEC 14443 (Type A, Type B) và FeliCa Type B được đặc biệt sử dụng cho các giao

dịch an toàn như thanh toán qua điện thoại hoặc mua vé

Hình 3.19: Kiểu mã hóa NRZ-L

Coding, Manchester Coding, và Modified Miller Coding

Hình 3.20: Coding và modulation từ PCD đến PICC

Hình 3.21: Coding và modulation từ PICC đến PCD