"БДИ", 2004г, №4 (55)

Леонид Стасенко

(Окончание. Начало см. в "БДИ", 2004г, №3 (54)

Классификация и стандарты Итак, мы постепенно подошли к очень важному вопросу – стандартизации в области RFID. Например, именно отсутствие общепризнанных стандартов долгое время сдерживало широкое применение RFID в системе мировой торговли. Начнем с частотных диапазонов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили три частотных диапазона: 125 кГц, 13,56 МГц и 2,45 ГГц. Несколько менее популярным является диапазон 800–900 МГц, который мы рассматривать не будем. С чем связана необходимость работы в разных частот­ных диапазонах и почему выбраны именно эти частоты? Ответ на второй вопрос очень прост: конкретные частоты связаны с нормативными документами, которые во всем мире относят указанные значения частот к разрешенным для свободного использования, т.е. не пересекаются с диапазонами, отведенными для военных и других целей. Ответ на первый вопрос хорошо понятен из рисунка, на котором видно, что для решения той или иной прикладной задачи наиболее пригоден конкретный частотный диапазон.

Например, для маркировки металлических пивных кегов лучше использовать диапазон 125 кГц, в то время как обмена большими объемами информации предпочтительнее высокочастотные диапазоны. Для диапазона 125 кГц сегодня наиболее актуальны стандарты ISO 11784/85 и ISO 14223. Метки этого частотного диапазона используются в основном для маркировки животных, металлических предметов (пивных кегов, газовых баллонов и т.д.), а также в автомобильных иммобилайзерах. Диапазон 2,45 ГГц является сравнительно новым, но достаточно перспективным, протокол связи для него нормирован в ISO 18000. Ожидается его широкое внедрение в логистике, поскольку при минимальных размерах антенны и относительно небольшой мощности могут быть получены дальности работы с метками до 10 и более метров, в зависимости от ограничений на излучаемую мощность в конкретной стране. Подробный рассказ о решениях в каждом из частотных диапазонов может представлять собой отдельную статью, поэтому мы ограничимся рассмотрением наиболее популярного сегодня диапазона 13,56 МГц. В нем действуют два основных стандарта: ISO 14443 и ISO 15693. Первый ориентирован на бесконтактные смарт-карты, а второй – на RFID-метки. ISO 14443 Собственно, ISO 14443 – это сразу два стандарта «под одной обложкой». Для четкого разделения, карты, производимые по данному стандарту, обозначают типами А и В. Стандарт состоит из 4 частей:

• часть первая – физические характеристики;
• часть вторая – радиочастотные характеристики и сигнальный интерфейс;
• часть третья – инициализация и антиколлизия;
• часть четвертая – протоколы обмена и системы команд.

Различия между типами А и В начинаются со второй части стандарта:

К общим для обоих типов карт относятся частота несущей (13,56 МГц) и скорость передачи на этапе инициализации диалога (106 килобит в секунду).

Антиколлизия

Очень важной для бесконтактных карт является возможность выбора нужной карты в том случае, если в поле считывателя их находится несколько – типичная ситуация, когда к считывателю подносится портмоне, набитое кредитными, дисконтными, проездными и прочими карточками.

Как видно из таблицы, механизмы антиколлизии для карт типов А и В принципиально отличаются. Механизм антиколлизии для карт типа А можно понять из рисунка.

При выборе карты для дальнейшего диалога запрашивается серийный номер карты, на который отвечают одновременно все карты, находящиеся в поле считывателя. Часть номера может совпадать, но начиная с какого-то бита (на рисунке он выделен цветом) биты серийного номера не совпадут. Считыватель определяет эту ситуацию и следующий запрос номера формирует по принципу «передайте мне серийный номер, начинающийся с последовательности 0110011». На такой запрос в нашем случае ответит уже только карта номер 2, и после получения ее полного номера считыватель выбирает ее для дальнейшего диалога. Если карт больше двух, процедура проходит в два или больше приемов, но в любом случае итогом будет только одна выбранная карта.

Для карт типа В механизм антиколлизии работает иначе. При запросе серийного номера карты считыватель назначает число временных слотов, в которых находящиеся в поле считывателя карты должны дать ответ. Карта по случайному закону выбирает один из слотов для ответа. Считыватель определяет наличие коллизии в каждом из слотов и при «чистом» ответе получает номер карты для дальнейшего диалога.

Если в каком-то слоте возникает коллизия, процедура повторяется, и за счет случайного выбора времени ответа всегда наступит момент, когда номера всех карт будет получены.

Получив серийный номер одной из находящихся в поле считывателя карт, считыватель вступает с ней в диалог и определяет, та ли это карта, что нужна для работы, или нет. Если это «чужая» карта, ей посылается специальная команда «больше не отвечай на запросы» и производится выбор следующей карты с использованием одного из описанных механизмов.

Карты Mifare

Об этих картах мы собирались поговорить подробнее в начале статьи по той простой причине, что на сегодняшний день именно они находятся в России на руках в количествах, приближающихся к 10 миллионам.

Это первая из бесконтактных смарт-карт, разработанная компанией Philips и занявшая в области транспортных и ряда других приложений лидирую­щее место в мире. Так, в 1999 году было продано 50 миллионов карт, а к 2003 году – уже более 300 миллионов карт этого семейства. По некоторым оценкам, в транспортных системах мира карта Mifare занимает около 80% от общего объема рынка, а для России это практически 100%. Отметим, что Mifare – это ISO 14443-А с некоторыми дополнениями, связанными с «засекречиванием» обмена карты со считывателем.

Поскольку карта Mifare Standard на сегодняшний день самая распространенная, рассмотрим ее внутреннее устройство. Вся память карты поделена на 16 одинаковых по размеру секторов размером по 32 байта каждый. В свою очередь, каждый сектор поделен на 4 блока, причем последний блок каждого сектора содержит ключи и правила доступа к сектору, что позволяет использовать карту в 16 различных непересекающихся приложениях. За счет того, что каждое приложение «знает» только свои ключи доступа, другие сектора карты ему недоступны. Назначение ключей для каждого сектора определяют биты доступа, что позволяет разделить права на чтение и запись различным субъектам даже в рамках одного приложения. Блоки данных могут быть двух типов – стандартные блоки данных и так называемые value-блоки, имеющие фиксированный формат и предназначенные для использования сектора в качестве «электронного кошелька».

В 2002 году появилась разновидность карты Mifare Standard с объемом памяти 4 килобайта, которая в части первого килобайта полностью совместима со своей предшественницей, но позволяет хранить в 4 раза больше информации. Годом раньше была выпущена карта Mifare UltraLight, предназначенная в основном для билетов на несколько поездок.

Mifare является открытой платформой, доступной для разработки и производства устройств в любых компаниях, имеющих соответствующий опыт. Вероятно, это одна из главных причин популярности карты во всем мире.

Основное применение для семейства Mifare – это электронные билеты для общественного транспорта. Можно сказать, что карты Mifare – лучшее решение для комплексного предоставления услуг на предприятиях, в учебных заведениях, клубах, спортивных комплексах и курортах.

Стандарт Mifare ожидает долгая жизнь, что обусловлено его широким проникновением во множество сфер повседневной деятельности людей. Вряд ли можно ожидать, что в ближайшем будущем какая-либо другая технология вытеснит Mifare из указанных выше областей применения, поскольку затраты на обеспечение инфраструктуры работы с картами исчисляются миллиардами долларов. Скорее, произойдет не замена этого стандарта каким-либо другим, а его дальнейшее развитие.

ISO 15693

Данный стандарт, в отличие от ISO 14443, разработан специально для приложений, связанных с идентификацией различных товаров и продукции. Базирующийся на частоте 13,56 МГц, он отличается от «карточного» стандарта по ряду признаков. Главное отличие – это ориентация на большие расстояния работы с метками. Если для карт определены рабочие расстояния до 10 см, то для меток это расстояние составляет 1 метр и более, в зависимости от конструкции антенны. В связи с этим минимальная напряженность поля, при которой метка должна устойчиво работать, составляет всего 150 мА на 1 метр, что в 10 раз меньше, чем для proximity-карт.

Как и в ISO 14443, предусмотрена работа с двумя индексами модуляции – 10 и 100%, но при этом скорость обмена значительно ниже: 6,6 килобод (килобит в секунду) в низкоскоростном режиме и около 26,5 килобод в высокоскоростном режиме (для proximity-карт минимальная скорость обмена составляет 106 килобод). Это также связано с обеспечением максимальной дальности и требованием минимизации помех при работе на больших мощностях считывателя.

Стандартом также регламентируется организация памяти меток (в отличие от карт, для которых она может быть произвольной): максимальный объем памяти может составлять 256 блоков по 256 бит, т.е. 8 килобайт.

Набор команд ISO 15693 ориентирован именно на идентификацию предметов и включает четыре подмножества – это обязательные команды, которые должны поддерживаться метками всех производителей, необязательные команды, пользовательские команды и команды производителя, которые каждый производитель определяет сам для реализации специфических функций.

Механизм антиколлизии, позволяющий выбрать для текущего диалога только одну из меток, находящихся в поле считывателя, основан на понятии временных слотов (как и для карт по ISO 14443-В), но отличается тем, что слот для ответа выбирается не по случайному алгоритму, а на основе серийного номера метки.

Длина идентификатора (серийного номера) метки составляет 64 бита, т.е. 8 байт (у большинства бесконтактных смарт-карт длина серийного номера – всего 4 байта!). Увеличение длины идентификатора объясняется тем, что метки могут иметь намного более короткий срок жизни и для покрытия необходимости в уникальности номера на протяжении относительно длительного времени требуется значительный резерв.

Для справки: 64-битный серийный номер обеспечивает 1018 комбинаций, что в миллиарды раз больше численности населения планеты, а 4-байтовый (32 бита) идентификатор карт позволяет получить число комбинаций, практически равное населению Земли.

Еще одна интересная особенность стандарта – обязательное наличие в метках функции EAS, т.е. функции защиты товаров от краж. Сегодня такая защита реализуется двумя способами: наклеиванием или имплантацией в упаковку специальных защитных меток, пережигаемых при прохождении товара через кассу, либо прикреплением специальных многоразовых меток к товару с последующим их удалением в момент продажи с помощью специальных устройств – «детачеров». Многоразовые метки наверняка все встречали в супермаркетах на одежде, дорогих алкогольных напитках и т.д. RFID-метки позволяют выполнять такую функцию в качестве дополнительной опции.

Проблема, откуда не ждали

Однако отключение функции EAS при продаже товара в розничной сети не нарушает функционирование метки в целом, что было поводом уже нескольких судебных разбирательств. Потребителей крайне волнует вопрос приватности, они не согласны, что сохранившаяся в одежде или обуви метка позволит идентифицировать их в любом месте – был бы там только считыватель соответствующего типа. Около 30 крупных правозащитных организаций США и Великобритании подписали воззвание к представителям ИТ-индустрии с предложением добровольно прекратить разработку и внедрение радиометок. Крошечные радиометки могут быть интегрированы в любой товар, продаваемый в магазинах, для контроля оплаты на выходе из магазина.

Защитников конфиденциальности беспокоит, что технология радиочастотной идентификации может эксплуатироваться правительствами для наблюдения за гражданами, а также хакерами и преступниками. Воззвание подписали, среди прочих, Американский союз гражданских свобод (ACLU), Электронный фронт (EFF), Информационный центр электронной конфиденциальности (EPIC), организация «Международная конфиденциальность» (PI) и Британская организация исследований информационной политики (FIPR).

Что же касается вживления радиометок людям, то в США эта практика существует уже не первый год, разрешены они и в Мексике. С другой стороны, вживляемые человеку идентификаторы могут оказать и полезную услугу. Этот код может быть связан с базой данных, в которой находится информация любого рода, в том числе медицинские данные. Для многих семей, в которых есть тяжелобольные люди (дети, страдающие аутизмом, детским церебральным параличом или синдромом Дауна, пожилые люди с синдромом Альцгеймера), такой чип – это возможность вовремя получить медицинскую помощь, найти потерявшегося человека, пока он не попал в беду. Особенно это касается тех случаев, когда сам больной не может рассказать врачу о своем состоянии, указать свое имя и координаты родственников.

Как бы то ни было, но подобные конфликты сдерживают развитие технологии, и неизвестно, чем бы закончилось дело, если бы не инженерная мысль, подогреваемая коммерческим интересом. Для решения назревшей проблемы было предложено новое решение – EPC.

EPC вместо GTAG

Около трех лет назад велась бурная работа по выработке стандарта GTAG (Global Tag), который был призван узаконить в мировом масштабе технологию маркировки изделий с помощью RFID-меток. Однако недавно ISO (международная организация по стандартизации) свернула этот проект. Вместо него в жизнь плавно и незаметно вошел новый термин – Electronic Product Code (EPC), или по-русски – «электронный код продукта». Новый проект позволяет решить две задачи: во-первых, существенно снизить стоимость меток для применения их в процессе отслеживания товаров, а во-вторых, решить проблему с правозащитниками, протестующими против электронной маркировки.

Первая задача решается просто – объем памяти меток «урезается», как следствие – цена при массовом производстве резко снижается (в близкой перспективе до значений порядка 5 центов за метку).

Решение второй проблемы также оказалось простым, как все гениальное, – в систему команд метки вводится команда «уничтожения» (destroy), после выполнения которой метка физически остается, но вместо функционирующего устройства мы получаем песчинку кремния, которая уже никогда не сможет быть прочитана.

EPC пока еще не имеет статуса всемирного стандарта, он проходит стадию с более скромным названием «рекомендации», но судя по тому, что ведущими производителями кристаллов для меток уже реализованы все его положения, до официального утверждения EPC осталось совсем немного времени. Разработка EPC поддерживается организацией AUTO-ID Center, в которую входят исследовательские группы ряда университетов, а также компании, занимающиеся разработкой перспективных методов идентификации.

Концепция EPC охватывает несколько частотных диапазонов, в том числе самый пока популярный 13,56 МГц, и делит идентификаторы на несколько классов, в зависимости от объема памяти и ее распределения. В таблице представлена структура идентификаторов различных типов (размеры элементов даны в битах).

Такое разнообразие призвано обеспечить совместимость с уже существующими и широко используемыми в мире системами кодирования, что облегчит переход на новую систему бесконтактной идентификации товаров. Немедленно после «устаканивания» «рекомендаций» ведущие производители анонсировали продукты, совместимые с приведенными спецификациями, но обладающие и некоторыми дополнительными возможностями, в частности дополнительной памятью, доступной пользователю для распоряжения ею по собственному разумению. Стандарты стандартами, а конкурентная борьба (точнее, победа в ней) – превыше всего…

И еще одна тенденция

Мы посвятили данный материал в основном рассмотрению того, что делается в самом «обжитом» диапазоне 13,56 МГц, но и сверхвысокочастотный диапазон 2,45 ГГц уже проторил дорожку в жизнь. Если вспомнить, что это диапазон Bluetooth и других коммуникационных протоколов, имеющих прямой выход на Интернет, становится понятным, что слова одного из руководителей компании SUN очень недалеки от реализации. А сказал он примерно так: «В ближайшем будущем каждый простейший объект будет подключен к Интернету через свой адрес и уникальный идентификатор».

Что ж, еще немного поживем и все увидим…

Полезные ссылки

Чтобы предоставить дополнительную информацию по теме, не будем приводить список книг и журналов, которые неизвестно где брать – ведь мы живем в XXI веке. Вот список некоторых ресурсов, из которых можно получить разнообразную информацию по RFID на русском языке:

• http://www.rfid-info.ru – разнообразная информация о самой технологии, областях ее применения, стандартах и практических решениях;
• http://www.smartcard.ru – сайт группы компаний «НКТ», специализирующейся на технологиях автоматической идентификации;
• http://www.ean.ru – сайт Ассоциации автоматической идентификации. Содержит описание технологий, решений, стандартов, в том числе в области RFID;
• http://www.vital-ic.com/index.php?page=publ_view&id=5 – здесь находится перепечатка очень познавательной статьи (прямой адрес которой в Интернете, нам, к сожалению, неизвестен) Гудина М. и Зайцева В. «Устройства радиочастотной идентификации компании Tagsys» из журнала «Компоненты и технологии», № 6, 2003 г.

Вы можете самостоятельно найти огромное количество информации по RFID в Интернете, воспользовавшись любой поисковой системой и ключевыми словами «RFID-технологии» или просто «RFID». Для тех, кто хочет познакомиться с техническими данными «из первых рук», приведем несколько ссылок на законодателей в области технологии радиочастотной идентификации:

• http://www.semiconductors.philips.com/markets/identification – раздел сайта компании Philips, посвященный технологии RFID;
• http://www.ti.com/tiris/ – технологии RFID от Texas Instruments;
• http://www.st.com/stonline/products/families/memories/contless – RFID-технологии от STMicroelec­tronics;
• http://www.tagsys.net – производитель решений в области идентификации по стандарту ISO 15693;
• http://www.epcglobalinc.org – сайт поддержки проекта EPC

Список далеко не полный, мы указываем лишь общее направление и тенденции, которые существуют сегодня.