Gymnázium Jozefa Gregora Tajovského Banská Bystrica
NFC [Near Field Communication] (spojenie krátkeho dosahu) [informatika]
Dávid Lupták Banská Bystrica 2011 / 2012
Obsah 1 Úvod...............................................................................................................3 2 NFC................................................................................................................4 2.1 Krátka história.........................................................................................4 2.2 Ako to funguje.........................................................................................4 2.3 Dva módy….............................................................................................5 2.4 …a dva odlišné typy kódovania..............................................................6 2.5 Komerčné nasadenie..............................................................................6 2.6 Tri základné druhy využitia…..................................................................7 2.7 …a využitie v každodennom živote.........................................................7 2.8 Bezpečnostný aspekt NFC......................................................................8 2.9 Kľúčové výhody technológie NFC...........................................................8 3 Porovnanie dvoch „konkurenčných“ technológií............................................9 4 Záver............................................................................................................10 Zoznam použitej literatúry............................................................................11 5 Prílohy..........................................................................................................12
2
1 Úvod Vybrať si tému, ktorá je mainstreamovo tak známa, že o nej ani len nechcete počuť je podľa mňa absurdnosť, čím však nechcem narážať na význam tohto projektu. Pre mňa je výzva vybrať si tému, ktorá sa ešte len do toho mainstreamu dostane. Takáto výzva sa nedá odmietnuť! Nebolo však vôbec jednoduché nájsť tému, o ktorej by sa dalo písať nadčasovo a s tým, že o niekoľko mesiacov alebo rokov už o nej bude vedieť naozaj každý. No niekoľko tituliek s názvami ako „najprogresívnejšie sa rozvíjajúca technológia“ alebo „rok 2012 bude pre túto technológiu zlomový“ ma presvedčilo. Preto by som Vám chcel predstaviť technológiu NFC. Ide o technológiu bezdrôtového bezkontaktného prenosu dát na krátku vzdialenosť. V kombinácii so SIM kartou a podporou operátorov sa bude masovo využívať najmä v podobe virtuálnej platobnej karty. Jej nasadenie sa však nerealizuje iba v podobe mobilnej peňaženky či pri bezkontaktných platbách, NFC sa môže objaviť (a určite sa aj objaví) skoro kdekoľvek – v digitálnych kamerách, kľúčoch USB, telefónoch, tabletoch, reklamných pútačoch. Nech sa páči.
3
2 NFC 2.1 Krátka história Prvýkrát sa o technológii NFC začalo hovoriť v roku 2002, o dva roky neskôr vzniklo NFC Forum, ktoré založili firmy Nokia, Philips a Sony. No až v tomto roku sa NFC dočkalo výraznejšieho nasadenia, aktuálne pripravuje Asociácia GSMA jeho certifikáciu garantujúcu medzinárodnú interoperabilitu (schopnosť zariadenia alebo softvéru od rozličných výrobcov spolu úspešne komunikovať a spolupracovať). Históriu tejto technológie možno vidieť v krátkom prehľade: • 1983 - prvý patent asociovaný so spojením RFID (NFC je kompatibilné s pasívnou verziou RFID) • 2004 - vzniká NFC Forum, organizácia zastrešujúca rozšírenie tejto technológie; zakladajúcimi členmi sú Nokia, Philips a Sony; dnes má NFC Forum vyše 160 členov • 2006 - prvým telefónom NFC na svete je Nokia 6131 NFC • 2009 - bol vytvorený protokol P2P (Peer-to-Peer) slúžiaci na iniciovanie spojenia • 2010 - prvým androidovým telefónom na svete je Samsung Nexus S • 2011 - NFC sa stáva natívnou súčasťou mobilného operačného systému Symbian Anna • 2012 - povolené kampane využívajúce tzv. smartpostery (interaktívne reklamy) 2.2 Ako to funguje NFC je technológia podobná RFID (Radio Frequency Identification), dokonca vychádza z rozšírených základov štandardu RFID – normy ISO 14443. Kombinuje rozhranie čipových (smart) kariet a komunikačného modulu a zjednocuje protokoly starších technológií. NFC síce prichádza pod vlastným štandardom ISO 13157, ale spätne je táto technológia kompatibilná s pasívnou verziou RFID. Základná výhoda NFC: jej základné vrstvy sú postavené na otvorených štandardoch. Knižnica NFC je dostupná pod licenciou GNU. NFC ako bezdrôtová technológia prenosu dát pracuje na frekvencii 13,56 MHz, čo je globálne nelicencované pásmo ISM. Pracuje štandardne so šírkou kanála 14 kHz, v niektorých prípadoch sa môže zväčšiť až na 1,8 MHz. Maximálna teoretická prenosová rýchlosť je 424 kbit/s, ale rýchlosť prenosu dát v prípade tejto 4
technológie nehrá podstatnú úlohu. Aj tak sa už pracuje na rýchlejšej verzii s rýchlosťou prenosu do 848 kbit/s, no tá nebude spätne kompatibilná. Prenosová vzdialenosť pri režime P2P je rádovo v centimetroch, max. asi do 20 cm. NFC dokáže vytvoriť spojenie (set-up time) v rýchlosti do 0,1 s, čo je prakticky okamžite. Pracuje v dvoch režimoch podobne ako RFID – v pasívnom a aktívnom móde. V pasívnom móde je spotreba nulová, v aktívnom móde sú nároky na spotrebu asi 15 mA. Princíp fungovania NFC je takmer identický ako v prípade RFID, aspoň pokiaľ ide o základný spôsob fungovania. Vysielač (čítačka, aktívny prvok) vyšle elektromagnetický signál, ktorý indukuje v anténe prijímača (môže byť pasívny prvok) napätie a poskytne mu energiu na spätné odoslanie väzby (tzv. induktívna väzba). To vyžaduje blízkosť zariadení pri sebe, nemusia sa však dotýkať – minimálna vzdialenosť zároveň znižuje bezpečnostné riziká. Komunikácia medzi dvoma zariadeniami NFC je v režime half-duplex, to značí, že jedno v danej chvíli iba prijíma, druhé iba vysiela a opačne, čo má zároveň výhodu v šetrení energie. V pasívnom režime je jedna strana napájaná elektromagnetickým pólom vysielača (pomerne lacné na výrobu), v aktívnom režime je navyše v čipe anténa schopná iniciovať prenos. Rádiový prenos signálu nie je šifrovaný, bezpečnosť prenosu je prenechaná na aplikačnú, prípadne inú vyššiu vrstvu. 2.3 Dva módy… NFC používa pre svoje fungovanie dva módy: Pasívny komunikačný mód: Zariadenie inicializátor/vysielač poskytuje nosné pole a energiu pre zariadenie prijímača, ktorý odpovedá používajúc modulované nosné pole. V tomto móde zariadenie prijímača čerpá energiu zo zariadenia inicializátora/vysielača, ktoré vytvorilo elektromagnetické pole, čím sa prijímacie zariadenie stáva transpondér. Aktívny komunikačný mód: Obe zariadenia, inicializátor i prijímač komunikujú tak, že každé si generuje vlastné pole na prenos informácií. Zariadenie deaktivuje svoje RF pole pokiaľ čaká na prenos dát. V tomto móde obe zariadenia typicky potrebujú vlastné zdroje energie.
5
2.4 …a dva odlišné typy kódovania NFC používa dva odlišné typy kódovania pre prenos dát. Ak práve aktívne zariadenie prenáša dáta rýchlosťou 106 kbit/s, použije sa modifikované Miller kódovanie so 100% moduláciou. Vo všetkých ostatných prípadoch bude použité Manchester kódovanie s moduláciou na úrovni 10%. 2.5 Komerčné nasadenie Najmasovejším využitím technológie NFC v našich končinách bude pravdepodobne mobilná peňaženka. Kombinácia NFC a bezpečnostných (autentifikačných) údajov uložených na karte UICC SIM s prepojením so službami operátorov (možnosť platby za tovar na faktúru) otvára tejto technológii úplne nové možnosti. Dôležitosť prepojenia na SIM kartu spočíva najmä v bezpečnostnom aspekte, pretože pri krádeži či strate by mal „nálezca" ihneď k dispozícii plný prístup k údajom NFC, čo môžu byť najmä údaje platobnej karty. Pri strate sa však dá SIM karta jednoducho zablokovať spolu so službami NFC. Alternatívne je k dispozícii uloženie údajov na kartu microSD, ktorú možno vymeniť bez nutnosti napojenia na SIM kartu. Hoci sa to možno nezdá, už dnes je na Slovensku 1800 terminálov podporujúcich NFC pri platbách v hypermarketoch, kinách a iných predajniach, v nižších obratoch (do 20 – 25 eur) bez nutnosti zadávania PIN kódu. UniCredit Bank ponúka napr. nálepku StickAir, ktorá premení ktorýkoľvek mobil (kľúčenku alebo iný predmet) na virtuálnu peňaženku, ktorá funguje rovnako ako platobná karta, len s bezdrôtovým prenosom na krátku vzdialenosť. V praxi ide o platobnú metódu MasterCard PayPass, ktorú využíva napr. aj Google Wallet, pričom PayPass je najrozšírenejší systém bezkontaktných platieb na Slovensku. Google Wallet je dostupný s aplikáciou aj na androidových systémoch. Zaujímavý je napr. adaptér iCarte s čipom NFC na iPhone. Predpokladáme, že Apple si uvedomuje inovatívnosť a obľúbenosť tejto technológie, a preto ju iPhone 5 už bude mať integrovanú. NFC sa nachádza dnes už v mnohých telefónoch (Nokia C7, 600, 603, 700, 701, niekoľko modelov BlackBerry či Samsung). Windows Phone 7 bude NFC podporovať rovnako ako Windows 8 od roku 2012, Nokia ho v OS Symbian Anna ponúka už natívne. K dispozícii je napr. aplikácia NFC PayPal umožňujúca bezkontaktnú platbu medzi dvoma účastníkmi. Čip NFC bol 6
obsiahnutý v niekoľkých high-end telefónoch predtým, ako sa začalo výraznejšie o tejto technológii hovoriť (Nokia N8, E7 atd'.) – len ich výrobcovia nesprístupnili. 2.6 Tri základné druhy využitia… Existujú tri základné druhy využitia NFC: emulácia kariet: NFC zariadenie sa správa ako už existujúca bezkontaktná karta čítací mód: NFC zariadenie je aktívne a je schopné čítať pasívne RFID štítky, napr. interaktívna reklama P2P mód: dve NFC zariadenia komunikujú a vymieňajú si vzájomne informácie 2.7 …a využitie v každodennom živote •
Mobilná platba cez bezkontaktné terminály
•
Identifikácia namiesto najrôznejších preukazov
•
Bezkontaktné skenovanie a posielanie údajov
•
Prenos obrázkov, vizitiek, pesničiek, aplikácií či odkazov jednoduchým
priblížením dvoch zariadení, napr. telefónov •
Okamžité párovanie Bluetoothu – presmerovanie zvukového výstupu na
reproduktor či hands-free •
Okamžité párovanie Wi-Fi - pripojenie k smerovaču Wi-Fi priblížením
zariadenia •
Multiplayerové hry
•
Integrácia hotelového kľúča, kľúča od auta či domu
•
Porovnávanie cien v obchodoch
•
Autorizácia prihlásenia (náhrada čipových kariet)
•
V zdravotníctve ako karta pacienta
•
Spriatelenie sa na sociálnych sieťach priblížením telefónov
A takto by sme mohli pokračovať ešte dlho. Aplikácie podporujúce NFC sa rozrastajú ako huby po daždi, predpokladáme, že do roku 2013 bude NFC natívnou súčasťou všetkých významných mobilných OS (iOS, RIM, Symbian, Windows Phone).
7
2.8 Bezpečnostný aspekt NFC Keďže rádiový prenos dát medzi dvoma zariadeniami NFC nie je šifrovaný, môže byť zachytený dostatočne silnými anténami na vzdialenosť niekoľkých desiatok centimetrov až metrov. Odpočúvanie (eavesdropping) rádiového signálu prenášaného na frekvencii 13,56 MHz je možné rovnako ako odpočúvanie každého iného rádiového signálu. Otázna je bezpečnosť na vyššej vrstve, ktorá je ponechaná na aplikačnú úroveň. Modifikácia vysielania je síce možná prakticky na úrovni bitov, dôležité však je, že útok man-in-the-middle (odpočúvanie dvoch a predstieranie komunikácie druhého) je prakticky nemožný z dôvodu použitého kódovania. Keby však chcel zlomyseľník zariadeniam NFC narobiť problémy, najjednoduchší
spôsob
je
RFID/NFC
jammer,
ktorý
vytvorí
jednoducho
komunikačný šum na zvolenej frekvencii. V princípe ide o útok typu denial-ofservice. Azda najväčšie bezpečnostné riziko je však zatiaľ' v prípade NFC fyzická strata, preto je dôležité viazať NFC napr. na služby SIM karty. 2.9 Kľúčové výhody technológie NFC intuitívnosť: interakcia s technológiou NFC nie je nič viac ako jednoduchý dotyk univerzálnosť: NFC sa ideálne hodí pre najširšie spektrum priemyselných odvetví a prostredí otvorená a založená na štandardoch: šírená pod licenciou GNU, so štandardami typu ISO, ECMA a ETSI spolupráca s inými technológiami: NFC sa môže použiť na konfiguráciu a spúšťanie iných bezdrôtových, sieťových zariadení ako napr. Bluetooth, Wi-Fi alebo Ultra-wideband v podstate bezpečné: prenos dát pomocou technológie NFC je na krátku vzdialenosť (od dotyku po pár centimetrov) interoperabilita: NFC pracuje s už existujúcimi technológiami bezkontaktných kariet bezpečnostne vybavená: vstavaná funkcia pre podporu zabezpečených aplikácií
8
3 Porovnanie dvoch „konkurenčných“ technológií NFC vs Bluetooth: obe sú komunikačné technológie krátkeho dosahu, ktoré sú integrované do mobilných telefónov. Ako je uvedené v technických podrobnostiach nižšie, NFC funguje na pomalších rýchlostiach ako Bluetooth, ale spotrebuje oveľa menej energie a nevyžaduje párovanie. S NFC, namiesto uskutočňovania manuálnej konfigurácie pre identifikáciu zariadenia, je spojenie medzi dvoma zariadeniami automaticky a pomerne rýchlo nadviazané: za menej ako jednu desatinu sekundy. Maximálna rýchlosť prenosu dát NFC (424 kbit / s) je pomalšia než pri Bluetooth v2.1 (2,1 Mbit / s). S maximálnou vzdialenosťou, ktorá je menšia ako 20 cm, má NFC kratší dosah, čo znižuje pravdepodobnosť nežiadúceho odpočúvania. To je vhodné najmä v preplnených oblastiach, kde korelácia signálu so samotným prenášaním fyzického zariadenia sa stáva ťažké. Na rozdiel od technológie Bluetooth, NFC je kompatibilná s existujúcou pasívnou RFID (13.56 MHz ISO / IEC 18000-3) infraštruktúrou. NFC vyžaduje pomerne nízku energiu, podobne ako Bluetooth V4.0. Avšak, keď NFC pracuje s nenapájaným zariadením (napr. telefón, ktorý môže byť vypnutý, bezkontaktná čipová kreditná karta, inteligentný plagát atď), spotreba energie NFC je vyššia ako u nízkoenergetického Bluetooth V4.0, a to len kvôli tomu, že potrebuje dodať osobitnú energiu pre svietiacu visačku. Tab. 1 – porovnanie NFC a Bluetooth štandardov NFC
Bluetooth V2.1
Bluetooth V4.0
RFID kompatibilné ISO 18000-3
aktívne
aktívne
Štandardizácia
ISO/IEC
Bluetooth SIG
Bluetooth SIG
Sieťový štandard
ISO 13157 a pod.
IEEE 802.15.1
IEEE 802.15.1
Typ siete
Point-to-Point (P2P) WPAN
WPAN
Kryptografia
nie s RFID
možné
možné
Dosah
< 0,2 m
~10 m (trieda 2)
~1 m (trieda 3)
Frekvencia
13,56 MHz
2,4 – 2,5 GHz
2,4 – 2,5 GHz
Bitová rýchlosť
424 kbit/s
2,1 Mbit/s
~200 kbit/s
Nastavovací čas
< 0,1 s
<6s
<1s
Spotreba energie
< 15mA (čítanie)
záleží od triedy
< 15 mA (x stred)
9
4 Záver Možno ste si položili otázku, načo by mohol byť bezdrôtový prenos na také krátke vzdialenosti, navyše (v porovnaní s inými technológiami pre siete WPAN) s pomerne nízkymi rýchlosťami, vlastne dobrý? Odpoveďou sú špecifické aplikácie. NFC totiž nepotrebuje pri autentifikácii prihlásenia zdĺhavé zadávanie PIN kódov a ďalšiu manipuláciu, ale spojenie prebehne pri jednoduchom priblížení oboch zariadení. Cielené uplatnenie je najmä v inteligentných čipových a platobných kartách a v mobilných telefónoch. Možnosti využitia sa však neobmedzujú len na finančné transakcie. Trochu mimo reality sú však vízie, ktoré štylizovali NFC do technológie schopnej preraziť v multimediálnej sfére. Na prenos fotografií či nebodaj videa z digitálnej kamery do PC alebo do televízora je táto technológia príliš pomalá. Veľké objemy dát jednoducho pre NFC nie sú to pravé, ale to nevadí. Jeho uplatnenie je totiž inde.
10
Zoznam použitej literatúry [1]
ORGONÁŠ, Jozef: NFC technológia roku 2012. In: PC REVUE, 2011, XIX. ročník, č. 12, str. 44 – 45
[2]
http://www.techbox.sk/temy/c3125/nfc-coskoro-platime-iba-mobilom.html
[3]
http://www.nfc-forum.org/home/
[4]
http://en.wikipedia.org/wiki/Near_field_communication
[5]
http://sk.wikipedia.org/wiki/Near_Field_Communication
[6]
http://komunikuj.zive.sk/mobilne-sluzby/telefonica-prinasa-integraciu-nfcdo-europy
11
5 Prílohy
Obr. 1 - N-Mark logo
Obr. 2 - NFC Forum certifikačná známka
Graf 1 - Takto rapídne stúpa NFC
Obr. 3 - príklad využitia NFC 12
