Совершенствование технологии радиоидентификации и улучшение качественных характеристик систем, использующих радиочастотные идентификаторы

Актуальность работы.

Проблема идентификации с расширением областей деятельности человека становится все более глобальной. В современных инфокоммуникационных системах идентификационные документы играют важнейшую роль.

В настоящее время, наиболее адекватное решение проблемы заключается в использовании электронных методов идентификации, в силу их надежности, эргономичности и широты областей применения. Основа решения — построение системы идентификации, которая определяет права пользователя на доступ к различным ресурсам или собирает информацию об объекте, несущем устройство-идентификатор.

По методам взаимодействия идентификаторов со считывателем информации (СУ — считывающее устройство) системы разделяются на контактные и бесконтактные, в соответствии с терминологией принятой в международных стандартах 180/1ЕС1. К контактным относятся такие системы, которые требуют установления электрического соединения идентификатора с СУ. К бесконтактным относятся системы, где каналом связи является радиотракт, либо используются оптические методы считывания информации.

Области применения электронных идентификаторов разнообразны и постоянно расширяются, одновременно с увеличением их вычислительных мощностей и объемов памяти. Существует также большое число других типов электронных идентификаторов, различающихся по своему назначению, которые применяются для учета и контроля различных объектов, храня в себе сопроводительную информацию.

1 ISO — International Organisation for Standardization (Международная организация по стандартизации) — IEC — International Electrotechnical Committee (Международный электротехнический комитет).

Проведенные в диссертационной работе исследования направлены на совершенствование технологии электронной бесконтактной радиоидентификации.

Широта сфер применения обуславливает необходимость гибкого конфигурирования систем радиоидентификации, накладывая различные требования как на электрические, так и на конструктивные параметры их элементов. В число требований входят: надежность, множественный доступ, достоверность идентификации, дальность действия, конфиденциальность, условия электромагнитной совместимости, характеристики корпуса или места установки и др.

Благодаря высоким показателям надежности функционирования, а также удобству обслуживания, масштабы внедрения радиоидентификаторов (РЧИД2) в последнее время постоянно растут.

На данный момент такие системы используются в банковской и торговой сфере, в логистике, на транспорте, при контроле доступа к информационным ресурсам или в помещения, в почтовой связи и т. д. Основным преимуществом такой системы является наличие устройств дистанционного автоматического сбора информации, что позволяет исключить ошибки оператора.

РЧИД обычно включает в себя трансивер (приемник и передатчик), антенну и устройство для хранения информации, и может представлять собой пластиковую карту или, например, «таблетку», наклейку, а также иметь другую специальную форму, соответствующую условиям эксплуатации и требованиям пользователя. СУ также содержит транссивер и антенну, излучающую электромагнитное поле заданной частоты. Электронная база данных, с которой связан СУ, содержит информацию обо всех идентификаторах, используемых в системе радиоидентификации.

2 РЧИД — англ. ЯРШ — ЯасНо Ргециепсу ШепиПсаЮг.

Основная функция РЧИД — на расстоянии передать СУ некоторые данные, на основании которых может быть определена личность, баланс банковского счета, принадлежность, например, к некоторой социальной категории граждан, право на пользование услугой или право прохода, принадлежность транспортного средства или другой собственности тому или иному владельцу, стоимость покупки и т. д. Кроме того, РЧИД применяются в электронных документах граждан, логистике, грузовых и почтовых перевозках.

Основные характеристики РЧИД, такие как модуляция радиосигнала в прямом и обратном радиоканале, рекомендации по применению методов кодирования сигнала, допустимая мощность излучения, диапазон рабочих частот и др. регламентируются стандартами ISO. В радиотракте РЧИД-СУ могут быть использованы различные типы модуляции сигнала, передаваемого в сторону РЧИД или СУ. Это один из основных параметров, определяющий принадлежность системы радиоидентификации к тому или иному классу. Наиболее широко распространен принцип обмена данными между РЧИД и СУ, когда СУ передает сигнал с фазовой манипуляцией (ФМ), а от РЧИД принимает сигнал с амплитудной манипуляцией (AM).

В связи с большим числом задач, решаемых различными системами радиоидентификации, а также множеством моделей идентификаторов, возникает необходимость их классификации для дальнейшего использования полученных результатов на практике, а также при выработке рекомендаций по улучшению качественных характеристик систем радиоидентификации в целом. Таким образом, необходимо упорядочить и систематизировать весь перечень РЧИД и выделить их устойчивые классификационные признаки.

Для составления рекомендаций по разработке и применению систем радиочастотной идентификации важно исследовать существующие и разработать оптимизированные алгоритмы взаимодействия элементов системы.

Ввиду расширения областей применения радиочастотной идентификации и все более нарастающей необходимости территориального укрупнения целого ряда существующих систем, требуется разработка информационной модели, наиболее полно описывающей само устройство и организацию обмена информацией в системе.

Вместе с тем, в связи с ростом зоны обслуживания системы радиочастотной идентификации, требуется уделить особое внимание проблеме безопасности информационного обмена. Необходима разработка надежной системы взаимодействия, обеспечивающей конфиденциальность передачи данных.

Перечисленные проблемы и определили актуальность работы по совершенствованию технологии радиоидентификации. Цель и основные задачи работы.

Целью работы является совершенствование технологии радиочастотной идентификации и выработка рекомендаций, направленных на повышение качественных характеристик существующих радиоидентификационных систем.

Первоочередной задачей является упорядочение информации о радиочастотных идентификаторах, выявление устойчивых классификационных признаков для обобщения подхода к планированию и построению систем радиочастотной идентификации.

Следующая задача — анализ и совершенствование процедур обмена информацией между РЧИД и СУ, разработка алгоритма расчета параметров для определения эффективности применяемых технических решений.

Особое внимание требуется уделить задаче защиты информации в системах радиочастотной идентификации. Необходим анализ угроз конфиденциальности в системе, и составление рекомендаций по повышению безопасности обмена информацией в наиболее уязвимых частях системы.

Методы исследования.

При решении поставленных задач использовались методы математического анализа, теории вероятности, математической статистики, компьютерное моделирование с использованием программных продуктов MathCAD, Delphi. Некоторые теоретические результаты анализа проверены экспериментальным путём. Научная новизна.

1. На основании проведенного многопараметрического сравнительного анализа впервые разработана обобщающая классификационная таблица характеристик радиоидентификаторов, являющаяся основой проектирования, развития и построения систем радиоидентификации.

2. Предложено использовать варьируемую длину уникального номера идентификатора, что позволяет повысить универсальность системы при сохранении гибкости в поддержке разных алгоритмов разрешения коллизий:

• уменьшение используемого числа разрядов позволяет в разной степени снизить время обработки в разных семействах алгоритмов разрешения коллизий;

• возможность использования требуемого числа разрядов уникального номера для вспомогательных целей, таких как, например, разделение идентификаторов на категории, повышает универсальность системы;

• изменение количества задействованных разрядов уникального номера, используемого для адресации обращений, позволяет более эффективно расходовать системные ресурсы для всех типов обслуживаемых идентификаторов.

3. На основании сравнительного исследования базовых семейств алгоритмов разрешения коллизий идентификаторов разработана модель и методика оценки временных параметров работы (ОВПР) каждого семейства алгоритмов.

4. На основании методики ОВПР обоснована возможность внедрения и применимость исследованных алгоритмов к решению реальных задач планирования систем радиочастотной идентификации.

Для каждого из семейств алгоритмов сформулированы требования к параметрам РЧИД и СУ.

В случае использования семейства алгоритмов разрешения коллизий РЧИД на основе генератора случайных чисел:

• нет необходимости в априорных данных об обслуживаемых идентификаторах;

• упрощается техническая реализация СУ;

• усложняется техническая реализация РЧИД, и, как следствие, повышается его стоимость.

В случае использования семейства алгоритмов разрешения коллизий РЧИД на основе уникальных номеров идентификаторов:

• необходимы априорные данные об обслуживаемых идентификаторах;

• усложняется техническая реализация устройства СУ;

• упрощается техническая реализация идентификатора, и, как следствие, понижается его стоимость.

5. Разработана структурная модель территориально распределенной системы радиочастотной идентификации. Составлены общие рекомендации по созданию территориально распределенной системы радиоидентификации с учетом требований электромагнитной совместимости узлов системы радиоидентификации с другими радиотехническими системами.

6. Разработаны основные принципы планирования системы и контроля идентификаторов на примере идентификаторов для таксофонного оборудования телефонной сети общего пользования.

Практическая ценность.

Практическая ценность исследования заключается в том, что его результаты могут быть использованы при создании систем радиочастотной идентификации. Полученные результаты должны представлять из себя 9 инструмент, необходимый при разработке, планировании и модернизации систем радиочастотной идентификации, помогающий находить необходимые решения, исходя из заданных временных, частотных, количественных и пр. параметров, а также выбирать компоненты системы, которые по своим характеристикам близки к оптимальным.

Разработанная классификация представляет собой свод наиболее значимых параметров РЧИД и СУ, определяющих сферу и особенности их эксплуатации. Полученный метод ОВПР является инструментом как разработчика, так и пользователя системы. Алгоритмы оценки временных параметров могут быть применены для оптимизации принципов и правил обмена РЧИД и СУ.

Разработанная модель территориально разнесенной системы радиочастотной идентификации, позволяет систематизировать подход к построению и слиянию крупных и малых систем управления, контроля или слежения.

На основании полученных результатов могут быть разработаны перспективные модели РЧИД, устойчивых к несанкционированному воздействию.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и сессиях, в том числе международных:

• на VII международной научно-технической конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 2005 г.

• на LVII, LVIII и LX научных сессиях НТОРЭС им. A.C. Попова, посвященных Дню радио в 2002 г., 2003 г. и 2005 г.

• на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава МТУ СИ в 2002 г. и 2005 г.

• на IV международной научно-технической конференции «Кибернетика и технология XXI века» в 2003 г.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 11 печатных работ. Реализация результатов работы.

Полученные в диссертационной работе результаты использованы в ОАО «Ангстрем», а также в учебном процессе Института повышения квалификации МТУСИ. Реализация результатов работы подтверждена соответствующими актами. Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

Выводы.

1. На основании исследования статистических данных проанализированы следующие способы злоумышленных воздействий на системы радиоидентификации: клонирование идентификаторов, подмена идентификационных данных и уникальных номеров идентификаторов, физическое подключение к системе, воздействие на электронную базу данных и др. В числе рекомендаций по устранению возможности несанкционированного доступа при пользовании системой присутствует: шифрование канала связи, исключение доступа к конфиденциальной информации посторонних лиц, в том числе путем автоматизации обработки данных, снижение мощности радиосигнала и др.

2. Для повышения безопасности информационного обмена обосновано применение нескольких алгоритмов защиты данных, в том числе с открытым ключом. Показано, что применение сложных алгоритмов шифрования снижает вероятность несанкционированного доступа к информации, однако повышает сложность устройства идентификатора, и, как следствие, его стоимость.

3. Составленный перечень возможных угроз информационной безопасности на аппаратном и программном уровнях показывает, что атаке могут быть подвержены практически все элементы системы, что требует от разработчика уделить особое внимание вопросу безопасности, и позволяет оценить устойчивость системы к перечисленным видам угроз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Комплексное исследование, проведенное в диссертации, позволило получить следующие основные результаты:

1. На основании проведенного многопараметрического сравнительного анализа разработана обобщающая классификационная таблица характеристик РЧИД.

2. Обоснована необходимость исследования и развития открытых алгоритмов разрешения коллизий, способных функционировать в рамках протокола обмена данными РЧИД-СУ. Для развития выделено два основных семейства протоколов разрешения коллизий.

3. Показана целесообразность и актуальность разработки территориально-распределенной системы радиочастотной идентификации.

4. Разработана модель базовых семейств алгоритмов разрешения коллизий, на основании которой возможен расчет временных характеристик и оценка поведения системы радиочастотной идентификации.

5. Разработана модель и составлены общие рекомендации по созданию территориально распределенной системы радиоидентификации.

6. Разработаны основные принципы планирования системы и контроля идентификаторов на примере идентификаторов для таксофонного оборудования телефонной сети общего пользования.

7. Разработана классификация угроз конфиденциальности системы, использующей радиочастотную идентификацию. Выработаны рекомендации по повышению безопасности информационного обмена в системе с применением РЧИД.

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ.

БД — База данных.

ГСЧ — Генератор Случайных Чисел.

ДАВП — Дифференциальный Анализ Высокого Порядка.

ДАИ — Дифференциальный Анализ Искажений.

ДАП — Дифференциальный Анализ Питания.

ИС — Интегральная Схема.

ЛВС — Локальная Вычислительная Сеть.

ЛЦ — Локальный Центр

ОВПР — Оценка Временных Параметров Работы.

ПАП — Простой Анализ Питания.

ПЦ — Процессинговый Центр

РЧИД (RFID) — Радиочастотный Идентификатор (Radio Frequency IDentificator).

CCS — Cryptographic Check Sum (Криптографическая контрольная сумма) СУ — Считывающее Устройство.

ТРСИ — Территориально Распределённая Система.

Идентификации.

APDU — Application Protocol Data Unit (Блок данных протокола.