NFC Эксперт Технология nfc: что, зачем и когда
29 мая 2022 Технология NFC: что, зачем и когда
Артём Прилуцкий
Наверное, многие уже слышали про NFC, но еще больше людей уже длительное время регулярно пользуются этой технологией, даже не подозревая об этом. Некоторые из вас, всерьез заинтересовавшись NFC, искали подробную информацию, смотрели видеоролики и читали статьи. Но, к сожалению, многие из них дают лишь поверхностное представление об этой перспективной технологии. Мы предлагаем свою версию, в которой постарались максимально упростить изложение, но в то же время передать самое важное.
С технологией NFC автор знаком не понаслышке. Например, сотрудники его подразделения пару лет назад участвовали в пилотном проекте реализации оплаты проезда в транспорте г. Санкт-Петербург. На основании полученного опыта можно констатировать, что у топ-менеджмента и маркетинговых служб часто нет ясного понимания, что это и зачем. Фактически, то, что делают сейчас мобильные операторы с такими «пилотами» имеет весьма косвенное отношение к NFC, поскольку обычные SIMки с торчащими из них транспондерами — это те же обычные бесконтактные карты.
За появление NFC мы должны сказать «спасибо» компаниям Nokia, Sony и NXP Semiconductors (до 2006 г. — подразделение Philips), создавших организацию NFC Forum для продвижения данной технологии. Идея была проста: реализовать в телефоне поддержку инфраструктуры бесконтактных карт, соответствующих стандарту ISO 14443 [1], чтение и эмуляцию таких карт.
Такое решение вписывается в существующие продукты и может получить весьма широкий набор вариантов использования: платежи в магазинах, оплата проезда, персональная идентификация в СКУД (Системы Контроля и Управления Доступом), простая передача персональных данных. Режим peer-to-peer — это лишь бесплатное добавление, которое позволяет решить проблемы при коммуникациях между устройствами (например, помогает им быстро «договориться» при инициализации соединения по Bluetooth).
Для начала давайте поговорим про бесконтактные карты. Они делятся на два типа: метки, предоставляющие простой доступ к хранящимся в них данным, и смарт-карты.
С метками все просто. Существует несколько стандартов формата записи данных. Карты могут хранить защищенные от стирания (записи) и перезаписываемые данные, иметь базовый механизм контроля доступа. Знакомые жителям мегаполисов простые «бумажные» билеты для прохода в метро и другой общественный транспорт — яркий тому пример.
Эти карточки поддерживают стандарт Mifare Ultralight (с простейшим вариантом защиты данных). Другой пример бесконтактных карт — «магнитные» пропуска для прохода в офис. Правда, там часто применяются карты HID Global, которые соответствуют старому формату RFID LF.
С бесконтактными смарт-картами (БСК) все интереснее. Такие карты обладают довольно сложным микропроцессором и могут реализовывать весьма серьезный функционал, имея «на борту» достаточно серьезные крипто-алгоритмы. К смарт-картам относятся карты платежных систем MasterCard PayPass и payWave, карта «Тройка», действующая на московском транспорте, абонементы на картах БСК для проезда в электричках РЖД, «Социальная карта москвича», «Универсальная электронная карта россиянина» и даже наши новые биометрические паспорта. Для последних есть специальный стандарт – ePassport [2].
С точки зрения программного обеспечения (апплетов), размещаемых на смарт-картах, очень часто используются проприетарные решения, закрытость которых, отчасти, гарантирует безопасность предоставления услуги. Тем не менее, многие компании, чей бизнес связан с БСК, объединились в альянс Global Platform [3]. Его целью является унификация платформы и среды выполнения для апплетов. Она позволяет не только снизить затраты при закупках карт (за счет отсутствия привязки к решениям конкретных производителей), но и создает возможность для совмещения апплетов различных организаций на одном носителе.
Вернемся к NFC. Углубляться в физический уровень не станем, поскольку эта сторона технологии уже достаточно хорошо описана в СМИ. Лучше поговорим о режимах работы и о том, как они реализуются, какие возможности при их реализации мы получим. Итак, NFC поддерживает следующие режимы работы:
– Режим peer-to-peer (P2P)
– Режим картридера (считывателя карт и радиометок)
– Режим эмулятора
Режим peer-to-peer предназначен для простого обмена данными между двумя устройствами, поддерживающими NFC. Конкретные варианты применения зависят только от используемых программ. Самая массовая технология на основе NFC peer-to-peer – Android Beam — позволяет мгновенно обмениваться данными между устройствами, работающими под управлением ОС Android. Очень часто этот режим используется в задачах соединения устройств по Bluetooth (не нужно искать устройство по имени, не нужно вводить PIN).
Возможны и достаточно оригинальные сервисы: например, для услуги перевода денег между мобильными балансами можно реализовать приложение, в котором для перечисления суммы нужно на какое-то время прислонить друг к другу два телефона. Направление перевода определяется тем, какой из телефонов обращен экраном вверх — это напоминает то, как герои фильма «Время» делились друг с другом временем, держась за запястье.
Режим чтения и записи карт также уже известен владельцам смартфонов на платформе Android: наверное, каждый москвич, имеющий телефон на этой платформе с поддержкой NFC, имеет в своем девайсе какое-либо приложение для просмотра количества оставшихся поездок на транспортной карте. Варианты применения режима картридера этим, конечно, не ограничиваются. Хотя пока что официальных решений не существует, в принципе, ничто не мешает, например, правительству Москвы выпустить приложение, с помощью которого можно будет пополнять ту же карту «Тройка» прямо с телефона.
В режиме эмуляции, как, наверное, понятно из его названия, устройство эмулирует работу бесконтактных карт. В этом случае раскрывается весь потенциал NFC — становятся доступны сервисы оплаты услуг, транспорта и т. п. Для того чтобы оплатить услугу достаточно поднести телефон к обычному, давно существующему, терминалу-считывателю бесконтактных карт.
Раскрывать информацию о режиме эмуляции участники группы NFC не спешат. Причина этого — потенциальная опасность взлома и мошенничества, если этот режим станет доступен для массового разработчика ПО. Важным моментом для реализации функции является создание доверительного окружения исполнения (trusted execution environment), где оригинальные приложения (аплеты) от поставщика услуги изолированы от платформы.
Перед разработчиками платформ стоит выбор: либо закрывать платформу и тщательно отбирать ПО, как например, это делается в Apple iOS, либо не реализовывать такую функцию на самой платформе. Именно поэтому на большей части платформ возможность эмуляции карт на уровне ОС устройства попросту закрыта (официально API есть только в BlackBerry, а также, возможно, в системе Maemo/MeeGo, пребывающей сейчас в непонятном статусе). Кроме того, могут существовать приложения, использование которых критически важно, даже если батарея устройства села. Мы же помним, что в случае с бесконтактными картами питание осуществляется через индуктивную связь?
Что нам по этому поводу предлагает NFC? Параллельно с основным процессором на плате устройства находятся компоненты trusted execution environment (TEE), которые соединены с контроллером contactless front-end (CLF) напрямую и реализуют через него функцию эмуляции самостоятельно. Операционная система устройства имеет доступ к этому окружению. Поскольку все компоненты TEE опциональны, давайте рассмотрим подробнее, что из себя может представлять TEE в наиболее полном варианте.
Встроенный (build-in) Secure Element (SE) — это отдельный чип на основной плате устройства, который реализует функционал смарт-карты стандарта Global Platform. Чип имеет свой процессор и EPROM, подключается через интерфейс NFC-WI [4]. Есть три режима работы SE: «отключен», «беспроводной» и «проводной». В беспроводном режиме SE скоммутирован через контроллер с транспондером (приёмопередающим устройством) и совершенно факультативно от ОС реализует эмуляцию карт. В проводном режиме SE становится доступным для ОС телефона и недоступным для беспроводных коммуникаций. При этом ОС телефона работает с SE в режиме картридера со всеми вытекающими последствиями (например, несколько раз неправильно передан PIN — прощай чип SE).
Единственный ныне выведенный на рынок массовый продукт, который построен на такой схеме — Google Wallet в США. При установке Google Wallet на телефон программа прописывает в SE апплет карты MasterCard PayPass, превращая телефон в платежную карту с авторизацией платежей в онлайне.
Помимо проблем с блокировкой, SE имеет еще один существенный недостаток: все апплеты должны уживаться между собой, а это значит, что устанавливать их может только один поставщик. Так, в случае с Android, существует только один массовый пилот-проект — Google Wallet, а другие продукты носят лишь статус закрытого «пилота» (например, совместная разработка Samsung и Clarion Hotel Stockholm).
Как мы предполагаем, именно такая неопределенность удерживает ряд компаний, например Apple, от активного участия в проектах, связанных с NFC.
SIM-карта. В данном случае, имеется в виду не простая «SIM-ка», а та, что способна поддерживать протокол Single Wire Protocol (SWP) [5]. Протокол SWP создан в институте ETSI (разработчик стандарта GSM). Такая карточка тоже является SE, только не встроенным. Карта взаимодействует с контроллером напрямую через SWP и, таким образом, реализует функции эмуляции самостоятельно. При этом все взаимодействия с ОС телефона осуществляются через стандартный интерфейс STK [6], присутствующий в Baseband телефона (это тоже факультативная самостоятельная система в телефоне, реализующая стек для взаимодействия с мобильным оператором).
Как изначально предполагали в ETSI, функция эмитента SIM-карт должна перейти от операторов к отдельным организациям. В свою очередь, эти эмитенты должны предоставлять возможность размещения апплета SIM мобильным операторам, а апплета смарт-карт – банкам, транспортным компаниям и т.п. Де-факто никто подобных функций передавать не собирается, а такие продукты могут запускаться лишь на основе ко-брэндинга. Так, все существующие услуги оплаты транспорта при помощи БСК действуют, как совместный продукт оператора и компании.
Сложившийся подход к SIM тормозит продвижение NFC. Возможно, именно поэтому NFC Forum [7] с SD Association [8], следуя тенденции отторжения конечных услуг от мобильных операторов, создали стандарт ASSD, получивший торговую марку smartSD. Идея заключается в том, что на разъем интерфейса microSD выводятся контакты SWP, а на самой карте формата microSD реализуется все тот же Secure Element. Для взаимодействия с ОС уже через стандартную часть microSD вводится новый протокол ASSD, требующий со стороны телефона лишь поддержки в ядре ОС.
Возможно, smartSD станет толчком для развития массовых решений на базе NFC, ведь в такой схеме компаниям, представляющим свои услуги с использованием бесконтактных карт, не нужно будет бежать к сотовым операторам и совместно с ними заставлять абонентов менять свои SIM-карты. Достаточно лишь продавать smartSD с «зашитым» апплетом и предустановленным в разделе флэш-памяти приложением для мобильного телефона. Пока таких решений нет, все будет ограничиваться развитием обычных бесконтактных карт и мобильных приложений для их обслуживания через режим картридера.
Опубликовано на Портале «HARDN SOFT»
Iso/iec 14443 – бесконтактные карты
Стандарт включает четыре раздела:
- ISO/IEC 14443-1:2008 – физические характеристики. Этот раздел стандарта ISO/IEC 14443 определяет размер и физические характеристики карты. В нем также перечислены некоторые экстремальные условия окружающей среды, которые карта должна выдерживать без прерывающих использование карты дефектов. Эти тесты предназначены для выполнения на уровне карты и зависят от конструкции карты и конструкции антенны. Большинство требований не может быть напрямую переведено на уровень ИС или кристалла.
- ISO/IEC 14443-2: 2022 – радиочастотная мощность и баланс сигнала. Этот раздел определяет РЧ-мощность и сигнальный интерфейс для двух схем передачи сигналов: типа A и типа B. Обе схемы являются полудуплексными со скоростью передачи данных 106 кбит/с в каждом направлении. Данные с карты передаются посредством модулированной нагрузки с поднесущей 848 кГц. Электропитание карты происходит от РЧ-поля. Батарея не требуется.
- ISO/IEC 14443-3: 2022 – инициализация и механизм предотвращения конфликтов. В этом разделе описаны протоколы инициализации и предотвращения конфликтов для PICC типов A и B. Определены команды предотвращения конфликтов, отклики, пакеты данных и синхронизация. Схема инициализации и предотвращения конфликтов разработана таким образом, что позволяет создавать мультипротокольные считыватели, способные связываться с картами типов A и B. Находясь в РЧ-поле, карты обоих типов пассивно ожидают команды опроса (Polling). Мультипротокольный считыватель опрашивает один тип карт, завершает все транзакции с ответившими картами, а затем проводит опрос для другого типа карт.
- ISO/IEC 14443-4:2022 – протокол передачи. Этот раздел определяет высокоуровневые протоколы передачи данных для PICC Типов A и B. Эти протоколы являются опциональными, поэтому PICC могут быть спроектированы как с их поддержкой, так и без нее. PICC сообщает PCD о возможности ответа на команду опроса, как определено в разделе 3 стандарта. Таким образом, PCD знает, поддерживает ли PICC протоколы высокого уровня, определенные в этом разделе стандарта ISO/IEC 14443.
Протоколы, определенные в разделе 4, также позволяют передавать блоки данных приложений, как определено в ISO/IEC 7816-4, и выбор приложения, как определено в ISO/IEC 7816-5. ISO/IEC 7816 является стандартом контактной смарт-карты на основе интегральной схемы.
Антенна
ISO/IEC 14443 определяет 6 классов антенн (показанных на рисунке 6), также упоминаемых в ISO/IEC 15693. Для каждого устройства NFC необходимо выбрать подходящую антенную конструкцию, чтобы обеспечить оптимальные параметры в заданной среде.
Большие антенны Класса 1 имеют форму и размеры смарт-карты. Они обеспечивают наилучшие показатели в отношении электромагнитного РЧ-поля. На другом конце стандартизованного ряда антенн находится Класс 6. Такая антенна является самой маленькой и обладает наилучшими возможностями для встраивания, с учетом потерь в качественных характеристиках.
«Форум NFC» предоставляет свои собственные конструкции PCD – Proximity coupling device (передатчики, называемые «опрашивателями» – poller) и PICC – Proximity coupling device (называемые «слушателями» – listener), описанные в NFC Forum-TS-Analog-1.0 (папка 2.2.1, таблица 16).
При подключении к соответствующему генератору и усилителю мощности эталонного PCD от «Форума NFC» он позволяет посылать команды к PICC. Реакция PICC затем может быть зафиксирована и проанализирована посредством связанного измерительного оборудования.
Эталонный PCD от «Форума NFC» с тремя различными конструкциями антенных катушек основан на стандартном PCD класса 0 и двух компенсированных версиях антенных катушек PICC-3 и PICC-6, стандартизированных ISO/IEC. Эти катушки, называемые Poller-0, Poller-3 и Poller-6, представлены в соответствующем порядке слева-направо на рисунке 7.
Образцы конструкций PICC от «Форума NFC» определены с тремя проектными геометрическими формами антенной катушки. Геометрия катушек Listener-1, Listener-3 и Listener-6, как показано на рисунке 8 в порядке слева направо, основана на размерах внешней оболочки PICC-1, PICC-3 и PICC-6, утвержденных ISO/IEC.
Конструкции катушек на печатной плате не обязательно должны быть идентичными. Эталонный PICC «Форума NFC» позволяет анализировать сигнал, отправленный PCD. Для анализа частоты и формы этих сигналов эталонный PICC «Форума NFC» оснащен встроенной измерительной катушкой.
Он может отправлять информацию обратно к PCD, используя различные уровни модуляции нагрузкой, управляемые с помощью подходящего источника сигнала. Также он может быть настроен на использование ряда постоянных резистивных нагрузок. Эти значения резистивной нагрузки можно использовать для представления как типичных, так и наихудших вариантов для PCD.
Эталонные конструкции «Форума NFC» следует использовать при тестировании и проверке устройства NFC в качестве эталона или ориентира, таким образом помогая разработчикам оптимизировать конструкции антенн.
Глоссарий
В таблице 1 перечислены использованные в этом документе термины, касающиеся технологии NFC.
Таблица 1. Терминология для технологии NFC
| Термин | Определение |
|---|---|
| NFC | Коммуникационная технология ближнего радиуса действия (Near-Field Communication) |
| «Форум NFC» | Ассоциация производителей, обеспечивающих развитие технологии NFC |
| Устройство «Форума NFC» | Устройство, соответствующее спецификациям «Форума NFC» |
| Активность | Процесс внутри устройства NFC с заранее определенными предварительными и конечными условиями. Активность начинается только тогда, когда выполняются предварительные условия. По завершении активности оказываются выполненными конечные условия |
| Инициатор | Функция NFC-устройства в режиме опроса, когда устройство обменивается данными, используя протокол NDEP |
| Целевое устройство | Функция устройства «Форума NFC» в ряде действий, когда устройство обменивается данными, используя протокол NDEP |
| Режим опроса | Первоначальный режим устройства NFC, когда оно генерирует несущую частоту и опрашивает другие устройства |
| Опрашивающее устройство (poller) | Устройство «Форума NFC» в режиме опроса, также используемое в качестве PCD, определенного в соответствии с ISO/IEC |
| Режим прослушивания | Первоначальный режим для устройства NFC, когда оно не генерирует несущую частоту. В этом режиме устройство «прослушивает» РЧ-поле другого устройства |
| Прослушивающее устройство | Устройство «Форума NFC» в режиме прослушивания, также используемое в качестве PICC, определенного в соответствии с ISO/IEC |
| PCD – Proximity coupling device (VCD – Vicinity Coupling Device) | Вплотную (Proximity) или на удалении (Vicinity) взаимодействующее устройство, – ряд технологий, определенных в стандартах ISO/IEC для устройств считывания/записи с определенным набором команд |
| PICC – Proximity inductive coupling card (VICC – vicinity integrated circuit card) | Карта с ИС, действующая при касании или на удалении (Proximity, Vicinity) – ряд технологий, определенных в стандартах ISO/IEC для карт, с определенным набором команд |
| Карта | PICC в форме кредитной карты без собственного источника питания, не генерирующая электромагнитное РЧ-поле и способная взаимодействовать с устройством считывания/записи |
| Метка | PICC в форме наклейки, электронного брелока и других подобных устройств, без собственного источника питания, не генерирующая электромагнитное РЧ-поле и способная взаимодействовать с устройством считывания/записи |
| Peer | Одно из двух взаимодействующих NFC-устройств в режиме равноправной коммуникации |
| Режим считывания/записи | Режим, в котором NFC-устройство, находясь в состоянии опроса, выполняет ряд действий и ведет себя как PCD |
| Эмулятор карты | Режим, в котором NFC-устройство, находясь в состоянии прослушивания, выполняет ряд действий и ведет себя как PICC |
| Равноправное соединение (Peer-to-peer, P2P) | Определенный «Форумом NFC» коммуникационный режим, который используется для связи между двумя устройствами и обеспечивает наиболее быстрый обмен данными |
| Активное устройство | Одно из взаимодействующих устройств NFC, которое временно генерирует собственное электромагнитное РЧ-поле |
| Пассивное устройство | Одно из взаимодействующих устройств NFC, которое не генерирует собственное электромагнитное РЧ-поле |
| Активный режим | Один из двух режимов работы (по определению «Форума NFC»), в которых активное устройство взаимодействует с пассивным |
| Пассивный режим | Один из двух режимов работы (по определению «Форума NFC»), в которых активное устройство взаимодействует с пассивным. |
| RF | Радиочастотное поле (радиочастота, РЧ) |
| RFID (Radio-Frequency Identification) | Радиочастотная идентификация – стандартизированная технология, являющаяся основой для технологии NFC |
| NDEP (NFC Data Exchange Protocol) | Протокол обмена данными NFC, определенный в ISO/IEC 18092 как полудуплексный протокол поблочной передачи данных |
| NFCIP (NFC Interface and Protocol) | Интерфейс и протокол NFC |
| NDEF (NFC Data Exchange Format) | Формат обмена данными NFC |
| DEP (Data Exchange Protocol) | Протокол обмена данными |
| SNEP (Simple NDEF Exchange Protocol) | Простой протокол обмена NDEF |
| HF | Высокая частота |
| MCU | Микроконтроллер, МК |
| ISO (International Standardization Organization) | Международная организация по стандартизации |
| IEC (International Electro-technical Commission) | Международная электротехническая комиссия |
| ASK (Amplitude Shift Keying) | Амплитудная манипуляция, АМ |
| FSK (Frequency Shift Keying) | Частотная манипуляция, ЧМ |
| PSK (Phase Shift Keying) | Фазовая манипуляция, ФМ |
| OOK (On-Off Keying) | Передача сигнала с амплитудной манипуляцией |
| VHBR (Very High Bit Rate) | Сверхскоростная передача данных |
| ECMA (European Computer Manufacturers Association) | Европейская ассоциация производителей компьютеров |
| URI | Унифицированный идентификатор ресурса: URL для унифицированного адреса ресурса; URN для унифицированного названия ресурса |
| MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) | Многоцелевые расширения электронной почты, стандарт интернета, расширяющий формат электронной почты |
| FELICA®, net FeliCa® | Система смарт-карт RFID от компании Sony |
Ис для динамических меток
ИС подобного типа обеспечивают функционирование динамической метки NFC. Динамические метки обычно встраивают в электронное устройство.
Они имеют такие же свойства и ведут себя так же, как статические метки при взаимодействии с NFC-устройством (считывателем). Помимо полностью поддерживаемой функциональности статических меток, устройство, в которое встроена динамическая метка, имеет возможность чтения и записи содержимого памяти метки.
Чтение/запись другим устройством NFC и чтение/запись MCU основного устройства не обязательно происходят в один и тот же момент времени. Например, содержимое динамической метки может быть изменено, когда питание основного устройства метки выключено, а чтение/запись локального MCU может произойти, когда включится питание основного устройства метки, причем это может случиться через несколько часов.
На рисунке 22 показана типичная блок-схема ИС для динамической метки. ИС STMicroelectronics серий M24LR, M24SR и ST25D разработаны и оптимизированы для использования в динамических метках. Опционально для пробуждения микроконтроллера доступен сигнал GPO/прерывания, чтобы оптимизировать энергопотребление.
Как пользоваться nfc на iphone
Функция NFC в iPhone, как уже было упомянуто, включается и отключается теми приложениями, которым она требуется. Чтобы привязать карту к Apple Pay, нужно зайти в приложение Wallet, нажать на « » и следовать инструкциям. С 2021 года российские пользователи могут привязывать, помимо Visa и Mastercard, также карты «Мир».
Для оплаты нужно приложить палец к Touch ID или пройти идентификацию в Face ID и поднести верхнюю часть iPhone к бесконтактному считывателю. Смартфон сам активирует NFC.
Если первые iPhone 6 с NFC позволяли только совершать платежи через Apple Pay, то iPhone 7 и более новые модели используют технологию для чтения меток NFC с помощью сторонних приложений. Кроме того, начиная с iOS 13 и выпуска iPhone XS и XR, они также могут кодировать пустые метки с помощью сторонних приложений, таких как GoToTags.
И, наконец, начиная с iPhone XS и заканчивая iPhone 12, смартфоны способны считывать метки в фоновом режиме. Таким образом, пользователю больше не нужно устанавливать сторонние приложения: достаточно приложить iPhone к метке NFC, и он автоматически считает ее.
Система автоматически ищет метки поблизости при каждом включении экрана. После обнаружения и сопоставления метки она показывает уведомление о том, что пользователь может отправить данные в приложение для обработки. Однако фоновое чтение отключается, когда используются Wallet или Apple Pay, камеры, устройство находится в режиме полета, либо заблокировано после перезапуска.
Чтобы активировать другие функции NFC в iPhone, потребуется запустить приложение «Команды», открыть вкладку «Автоматизации», нажать на « » в верхнем правом углу, найти NFC и выбрать пункт «Тег NFC». Затем необходимо включить Bluetooth-наушники или другое беспроводное устройство, подключить их к iPhone, поднести устройство с меткой к задней панели смартфона и подождать пару секунд.
После подключения требуется открыть меню «Скрипты», выбрать пункт «Задать место воспроизведения» и указать свой iPhone; затем выбрать из списка подключаемое устройство и снять галочку в пункте «Спрашивать при выполнении». Процедуру придется повторить с каждым устройством.
Каковы различия между nfc и rfid?
RFID (Radio Frequency Identification) – это технология, используемая для идентификации и определения характеристик объекта с помощью метки, излучающей радиоволны. Этот процесс, который классифицируется как RTLS или технология определения местоположения в реальном времени, особенно полезен для обеспечения прослеживаемости товаров.
Поэтому она очень полезна в здравоохранении, автомобилестроении, транспорте и логистике, а также в военном секторе. Однако между ними есть существенная разница. В то время как RFID обеспечивает передачу больших объемов данных, NFC используется для передачи ограниченной информации.
Обзор
Коммуникационная технология ближнего радиуса действия определяет два типа NFC-устройств. Они называются «инициатор» (ридер) и «целевой объект» (метка). Как следует из названия, инициатором является устройство, которое инициирует коммуникацию. Оно также управляет процессом обмена данными. Целевое устройство отвечает на запрос от инициатора и принимает участие в коммуникации (сеансе связи).
Инициатором NFC может быть, например, считыватель RFID или смартфон. Инициатор, находясь в непосредственной близости от другого устройства NFC, начинает с ним сеанс связи, а затем получает от него информацию или запускает какое-либо действие в соответствии с этой информацией.
Идентификация товара, имеющего NFC-метку, является хорошим примером сбора информации. Удачным примером действия в результате транзакции NFC является соединение через Bluetooth музыкального плеера (инициатор NFC) с беспроводной колонкой (целевое устройство NFC).
Для того чтобы обеспечить технологии NFC функциональную совместимость и широкое применение среди множества приложений, система была определена таким образом, чтобы соответствовать ряду общепризнанных международных стандартов. Первоначальная задача «Форума NFC» заключалось в дополнении устаревших стандартов ISO/IEC для устройств RFID новым режимом работы в формате равноправной (peer-to-peer) бесконтактной коммуникации.
Сегодня международные стандарты NFC, такие как ISO/IEC 18092, и спецификации «Форума NFC» уже выходят за рамки этой первоначальной задачи. Более подробная информация о наборе стандартов и спецификаций, формирующих технологию NFC, дана в разделе «Стандарты».
На рисунке 1 обобщенно представлены примеры использования технологии NFC.
NFC имеет два рабочих режима: пассивный и активный (подробнее об этом написано в разделе «Режимы работы») и три режима коммуникаций: чтение/запись, эмуляция карты и равноправное (peer-to-peer) соединение (раздел «Режимы коммуникации»). NFC также определяет типы меток, о чем подробнее рассказывается в разделе «Типы меток».
Передача данных nfc-v
Передача данных от VCD к VICC в режиме NFC-V. Передача сигналов данных от VCD к VICC в режиме NFC-V основана на 10%- или 100%-модуляции методом амплитудной манипуляции (ASK). Двоичное кодирование использует метод импульсно-позиционной модуляции (Pulse Position Modulation, PPM) «один-из-четырех» или «один-из-256».
На рисунке 14 показана передача данных от VCD к VICC с использованием кодирования методом PPM «один-из-четырех». Сигнал, в сущности, является интервалом, занимающим одну восьмую символьного периода. Один символ кодирует битовую пару. Импульс каждого из четырех значений битовой пары занимает временной интервал, зарезервированный для него в символьном периоде. Символы «Начало кадра» (SOF) и «Конец кадра» (EOF) располагаются в неиспользованных битовыми парами временных слотах.
Использование PPM для кодирования данных обеспечивает высокий коэффициент заполнения РЧ-поля, в особенности в случае системы «один-из-256». Это позволяет использовать высокий индекс модуляции, обеспечивая устойчивые сигналы передачи данных как в NFC-A, сохраняя при этом низкий уровень РЧ-энергии, как в режиме NFC-B.
Передача данных от VICC к VCD в режиме NFC-V. Передача сигналов данных от VICC к VCD в режиме NFC-V выполняется с 10%-модуляцией ASK, создавая поднесущую 424 кГц и амплитудную манипуляцию (OOK) на поднесущей. Для кодирования битового потока данных используется манчестерский код. Другой вариант технологии NFC-V основан на добавлении частотной манипуляции (FSK), чередуя две поднесущие – 424 и 484 кГц.
Для кодирования двоичного потока данных используется манчестерский код. В этом режиме скорость передачи данных немного изменяется. На рисунке 15 показано, как VICC передает данные к CD с использованием OOK. В случае использования FSK вместо OOK состояние выключенного периода поднесущей заменяется поднесущей на частоте 484 кГц.
Этот стандарт позволяет VCD и VICC выбирать наилучшие условия для коммуникации в соответствии с различными эксплуатационными требованиями, начиная от использования на ближнем расстоянии при высоком уровне РЧ-шума и заканчивая удаленным расстоянием при пониженном уровне РЧ-шума.
Стандарты
Технология NFC основана на таких стандартах как ISO/IEC 14443, ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18092, ECMA-340, ECMA-352 и других.
Соответствие вариантам ISO/IEC 14443A (тип A) и ISO/IEC 14443B (тип B) обозначается в этом документе как NFC-A и NFC-B. Соответствие JIS X 6319 4 и протоколу FELICA обозначаются NFC-F. Соответствие ISO/IEC 15693 обозначается NFC-V, где «V» означает удаленное рабочее расстояние (максимум 1 метр).
Сфера применения стандартизована в трех коммуникационных режимах NFC с их протоколами, форматами обмена данными и скоростью передачи битов. В настоящее время скорость передачи данных составляет 106, 212, 424 и 848 кбит/с, а в пределах NFC-V — 1,65, 6,62 (ASK с OOK), 6,67 (ASK с FSK), 26,48 (ASK с OOK) и 26,69 (ASK с FSK) кбит/с.
В дополнение к стандартам международных организаций «Форум NFC» предоставляет ряд технических спецификаций протоколов, формат обмена данными, типы меток, тип записей и так далее.
NFC позволяет смартфонам работать на базовом уровне с помощью устаревших считывателей RFID. При коммуникации в режиме эмуляции карты NFC-устройство должно передавать считывателю прежнего поколения как минимум уникальный ID-номер. «Форум NFC» определил общий формат данных, называемый NFC Data Exchange Format (NDEF), который сохраняет и переносит различные элементы.
На рисунке 19 показан упрощенный набор уровней, формирующих технологию NFC. Верхние уровни относятся конкретно к NFC, тогда как нижние слои применимы и к таким технологиям как RFID.
На рисунке 20 представлен обзор стандартов и спецификаций, связанных с NFC.
Структура ndef
Формат обмена данными NDEF (рисунок 18) является одним из основных элементов, который стандарт NFC добавляет к обычному RFID. NDEF используется во всех устройствах NFC независимо от типа базовой метки или технологии устройств NFC.
Записи NDEF стандартизированы, поэтому устройства NFC знают, как их интерпретировать. Вот некоторые из записей NDEF:
- запись простым текстом;
- URI;
- смарт-постер;
- подпись;
- vCard (в формате стандартной электронной платежной карты);
- сопряжение через Bluetooth или Wi-Fi.
NDEF является компактным форматом двоичных сообщений, разработанным для инкапсулирования полезной нагрузки приложения, содержащей в одном сообщении NDEF одну из множества записей. Записи NDEF могут быть одного или разных типов, а размер каждой из них ограничен (232 – 1) байтами.
Сообщение NDEF представляет собой цепочку записей NDEF, что можно рассматривать как абзац с дискретным объемом информации, а записи NDEF в качестве предложений этого абзаца, каждое из которых передает один фрагмент информации. Как количество, так и размер предложений в абзаце являются переменной величиной.
Запись NDEF состоит из заголовка и полезной нагрузки. Заголовок описывает полезную нагрузку с тремя элементами метаданных: длиной полезной нагрузки, типом полезной нагрузки и, опционально, идентификатором полезной нагрузки.
Длина полезной нагрузки (основы) представляет собой четырехбайтное беззнаковое целое число, указывающее на количество байтов в полезной нагрузке. Компактная, короткая запись (один байт) предусмотрена для очень маленьких полезных нагрузок.
Тип полезной нагрузки NDEF указывает идентификатор. В качестве идентификаторов типа NDEF поддерживает унифицированные индикаторы ресурса (URI), конструкцию медиатипа MIME и определенный тип формата NFC. Указывая тип полезной нагрузки, можно отправить ее в соответствующее пользовательское приложение.
Считыватели nfc
Считыватель NFC может устанавливать и поддерживать коммуникации с меткой или контроллером во всех режимах NFC.
Продукция STMicroelectronics ориентирована для всех основных рыночных сегментов использования NFC:
- физический доступ – поддержка всех типов меток и карт NFC с 1 по 5 и всех протоколов;
- общественный транспорт – обработка ISO 14443A, открытые системы;
- автомобильные системы, включая контроль доступа, запуск двигателя, возможности сопряжения;
- потребительские устройства, соединяемые для коммуникаций с телефонами через Wi-Fi или Bluetooth;
- промышленные устройства, инициирующие коммуникации P2P с мобильным телефоном, метки объектов и отслеживание;
- игровая индустрия;
- торговля – мост к Pure EMV (Europay Mastercard Visa), оплата, включая купоны P2P.
Режим равноправной связи (P2P) – это активный режим работы двух устройств NFC. Оба устройства также поддерживают модуляцию нагрузкой, которая требуется для начальной фазы настройки равноправной связи. Устройство, которое первым успешно выполняет процесс опроса, становится инициатором и сохраняет эту роль до конца транзакции P2P. Другое устройство выполняет роль целевого объекта.
Сразу после создания канала коммуникации равноправные устройства максимизируют использование прямой модуляции, поочередно генерируют РЧ-поле и передают данные, затем отключают РЧ-поле и принимают данные от другого равноправного устройства. Этот процесс напоминает живое человеческое обсуждение, поскольку обязательно происходит в одном сеансе.
Использование прямой модуляции поля обеспечивает повышенную скорость и эффективность коммуникации. Интерфейсная ИС с режимом коммуникации P2P должна поддерживать, помимо функциональных возможностей ИС динамической метки, генерацию собственного РЧ-поля, и предоставлять такие физические ресурсы как буфер ОЗУ.
Устройства (например, смартфоны), которые должны поддерживать режим P2P, используют этот вид интерфейсной ИС NFC, отвечающей требованиям для интерфейсных ИС динамических и статических меток.
На рисунке 23 показана типичная блок-схема ИС интерфейса P2P NFC. Выпускаемая STMicroelectronics микросхема ST95HF отвечает всем требованиям, предъявляемым к P2P-интерфейсу NFC. Опционально для пробуждения микроконтроллера доступен сигнал GPO/прерывания, чтобы оптимизировать энергопотребление системы.
ST25R39xx – это считыватели NFC, совместимые со стандартом EMV. Они отличаются высокой производительностью и повышенной выходной мощностью. Для ускоренной передачи данных применяется технология Very High Bit Rate (VHBR). Скорость передачи данных – до 6,8 Мбит/с.
Как показано на рисунке 24, они используют емкостное/индуктивное пробуждение, приводящее к очень малому току в ждущем режиме и низкому энергопотреблению, автонастройку антенны для очень чувствительного и точного обнаружения метки и коммуникацию P2P в режиме активного целевого объекта.
Типы меток
«Форумом NFC» изначально определены четыре типа меток NFC. Дополнительный, пятый тип относится к технологии NFC-V и сейчас также включен в спецификации Форума.
В таблице 3 представлен обзор типов NFC-меток. Скорость передачи данных выше 100 кбит/с, отображаемая в таблице 2, а также используемая в этом документе, округляется до ближайшего целого числа кбит/с.
Таблица 3. Типы NFC-меток
| Особенности | Тип 1 | Тип 2 | Тип 3 | Тип 4 | Тип 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Стандарт | ISO/ IEC 14443A | ISO/ IEC 14443A | ISO/ IEC 18092, JIS X 6319-4, FELICA | ISO/IEC 14443A ISO/IEC 14443A | ISO/ IEC 15693 |
| Память, кбайт | 0,96…2 | 48…2 | 2 | 32 | 64 |
| Скорость передачи данных, кбит/с | 106 | 106 | 212; 424 | 106; 212; 424 | 26,48 |
| Возможности | Чтение; чтение/запись; только чтение | Чтение; чтение/запись; только чтение | Чтение; чтение/запись; только чтение | Чтение; чтение/запись; только чтение; заводская конфигурация | Чтение; чтение/запись; только чтение |
| Предотвращение конфликтов | Нет | Да | Да | Да | Да |
| Примечания | Простота, невысокая эффективность | Высокая цена, комплекс приложений | Удаленная зона (vicinity) |
Метки типа 1 соответствуют требованиям ISO/IEC 14443A. Они способны работать в режиме чтения/записи и могут настраиваться пользователем для режима «только чтение». Размер памяти варьируется от 93 байт до 2 кбайт, а скорость коммуникации или передачи данных составляет 106 кбит/с. Метки типа 1 не поддерживают механизм предотвращения конфликтов.
Метки типа 2 соответствуют требованиям ISO/IEC 14443A. Они способны работать в режиме чтения/записи и могут настраиваться пользователем для режима «только чтение». Размер памяти варьируется от 48 байт до 2 кбайт, а скорость коммуникации или передачи данных составляет 106 кбит/с. Метки типа 2 поддерживают механизм предотвращения конфликтов.
Метки типа 3 соответствуют стандартам ISO/IEC 18092 и JIS X 6319-4 за исключением поддержки шифрования и аутентификации. Даже если имеется возможность чтения/записи, метка типа 3 может быть настроена на режим «только чтение». В процессе эксплуатации метки типа 3 может использоваться специальное сервисное оборудование для повторной записи данных.
Метки типа 4 соответствуют стандарту ISO/IEC 14443 версий A/B. Режим работы метки типа 4 «только для чтения» устанавливается на заводе-изготовителе, и для обновления данных метки требуется специальное сервисное оборудование. Размер памяти метки типа 4 — до 32 кбайт, а скорость передачи данных составляет 106 кбит/с, 212 кбит/с и 424 кбит/с. Метки типа 4 поддерживают механизм предотвращения конфликтов.
Метки типа 5 (NFC-V) недавно были добавлены в спецификацию «Форума NFC». Такая метка основана на стандарте ISO/IEC 15693, содержит более 64 кбайт памяти, поддерживает скорость передачи данных 26,48 кбит/с и механизм предотвращения конфликтов.