A Tecnologia da Informação está evoluindo com uma rapidez
impressionante. Computadores pessoais, notebooks, hand helds e telefones celulares
estão nas mão de milhões de pessoas ao redor do mundo.
Da mesma forma, o interesse na tecnologia Smart Card tem crescido a uma taxa
elevada nos últimos anos. O número e a variedade de aplicações
baseadas em Smart Card em diversos setores vêm demonstrando a importância
e a consolidação dessa tecnologia.
Entre os fatores que levaram ao crescimento do interesse nessa tecnologia incluem-se o declínio no seu custo de fabricação e a crescente preocupação com a limitação dos cartões de tarja magnética para evitar as fraudes bancárias e as brechas de segurança nos sistemas em que são utilizados.
Na linha de evolução dos Smart Card encontramos as e-TAGs (etiquetas eletrônicas), que vêm demonstrando seu enorme potencial na codificação eletrônica de produtos. Uma aplicação que representa um avanço no atendimento ao cliente e na logística de mercadorias.
Esse trabalho vem apresentar as tecnologias que estão por trás dos Smart Cards e das e-TAGs e as suas principais áreas de aplicação.
O Smart Card, ou Cartão Inteligente, é um cartão de plástico,
semelhante a um cartão de crédito, com um microchip embutido na
superfície. O conceito de Smart Card foi patenteado pelo Dr. Kunitaka
Arimura no Japão em 1970.
Fig. 1 - Smart Card
A história do Smart Card começou simultaneamente ao desenvolvimento da tecnologia de chips nos últimos 40 anos. Durante esse período, os cartões de identificação comuns (baseados em tarja magnética, código de barras, etc) evoluíram, dando lugar a uma nova classe: os ICCs (Integrated Circuit Cards - Cartões com Circuitos Integrados). Em 1974, Roland Moreno na França arquivou a patente original de cartões com circuitos integrados, mais tarde generalizadamente intitulados Smart Cards.
Embora existam muitos tipos, qualquer Smart Card pode ser classificado quanto à forma de conexão com a leitora que é:
- Por contato físico;
- Sem contato físico.
Por contato físico entende-se a inserção do cartão
na leitora, onde os contatos dos terminais do cartão com os da leitura,
permitem a troca de dados entre ambos. É importante salientar que todos
Smart Cards possuem terminais para este tipo de conexão.
A segunda classe se refere aos cartões que não necessitam de contato
físico com a leitora, o que indica que a conexão é feita
através de ondas eletromagnéticas. A ausência do ato inserção
traz benefícios como economia de tempo e não desgaste dos terminais
do cartão.
Por serem muito mais baratos, os cartões por contato ainda são
os mais utilizados, oferecendo um nível razoável de segurança
e abrangendo uma ampla gama de aplicações. Os cartões por
contatos são também chamados Memory Cards ou Cartões Memória.
Os Smart Cards que não fazem uso de contato físico são
tipicamente Microprocessor Cards ou Cartões Microprocessados. Embora
não seja do escopo dos cartões de identificação,
a modalidade de transmissão sem contato permite que o cartão propriamente
dito seja apenas um portador do chip. Isto é, a presença do chip
em anéis, relógios, braceletes e tornozeleiras ainda não
quebra o conceito Smart Card.
Algumas das principais características dos Smart Cards.
Custo
A faixa de preço típica varia de US$2.00 a US$10.00. O custo aumenta a medida que maior capacidade de armazenagem e de processamento são acrescentados ao chip e esse custo diminui a medida que o volume de produção aumenta.
Confiabilidade
Vendedores garantem 10.000 ciclos de leitura/escrita. Os cartões devem
atender as especificações da ISO (International Standards Organization)
e passar por uma bateria de testes que abrangem: testes de torção,
de flexibilidade, de desgaste, de concentração de carga, temperatura,
umidade, eletricidade estática, ataque químico, ultra-violeta,
raio X e testes de campo magnético.
Correção de Erro
O Sistema Operacional do Chip (COS - Current Chip Operating Systems) realiza
seu próprio algoritmo de correção de erro. O sistema operacional
do terminal deve checar os dois bytes de código de Status que o COS retorna
após receber o commando do terminal (como definido na ISO 7816 Parte
4 e nos comandos proprietários). Dessa forma o terminal toma as ações
corretivas necessárias.
Capacidade de Armazenamento
A memória mais usadas nos Smart Cards são as EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) que possuem capacidade de 8K - 128K bit. (1Kbits armazena algo em torno de 128 caracteres, o equivalente a uma frase de texto. Entretanto, com as modernas técnicas de compressão, a quantidade de informação armazenada em um Smart Card pode ser significativamente expandida).
Segurança
Smart cards são altamente seguros. As informações armazenadas no chip são difíceis de serem copiadas ou alteradas, ao contrário dos cartões de tarja magnética que podem ser facilmente clonados. O microprocessador e o co-processador do chip suportam criptografia, autenticação e assinatura digital para não-repúdio.
Capacidade de Processamento
Cartões mais antigos usavam um micro-controlador de 8-bits com clock de 16 MHz. Os cartões mais modernos utilizam um micro-controlador RISC de 32-bits rodando a um clock de 25 a 32 MHz, com um co-processador para a criptografia.
Do ponto de vista da aplicação, estes cartões por contato
podem ser vistos como uma memória programável. Assim, as informações
contidas no Smart Card podem ser apagadas e reescritas um sem-número
de vezes. Esta característica faz destes cartões um bem "reciclável"
quando comparados aos cartões magnéticos. As duas soluções
mais comuns que empregam Memory Cards são: como cédulas de identificação
em aplicações de nível de segurança não muito
elevado e, como dinheiro eletrônico. Nesta última, o cartão
é tido como descartável.
Embora existam diversas formas de disposição, o espaço
de endereçamento da memória é linear, com possíveis
faixas para uso relacionado à segurança.
Há no mercado atual, Memory Cards com capacidades que vão de 1
a 32 Kbits e recursos que abrangem criptografia. Essas inovações
tecnológicas sucederam uma vertente dos Memory Cards, os Logic Cards
(Cartões Lógicos).
A figura seguinte ilustra como é dividido o espaço linear de endereçamento
em um Cartão Lógico (Gemplus GPM 8k).
Fig. 2 - Endereçamento em Smart Card Lógico
Assim, os 1024 bytes (8 Kbits) de memória deste cartão estão
dispostos em três áreas:
- Área do fabricante, onde estão gravadas informações acerca do modo operacional do cartão, dados de identificação do fabricante, etc
- Área de aplicação, onde os dados da aplicação podem ser lidos ou escritos;
- Área de segurança, na qual são armazenados alguns dados que permitem que o cartão seja acessado somente pelo seu proprietário.
Um Smart Card Microprocessado possui os principais elementos de um computador,
como uma CPU (Central Processing Unit), um sistema de memórias e barramentos
de entrada e saída. Um sistema operacional, gravado no cartão,
permite que uma comunicação em alto nível possa ser estabelecida
com a leitora a que está conectado.
O sistema de memórias do Smart Card Microprocessado possui 3 tipos de memórias: ROM (Read-Only Memory), EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) e uma pequena quantidade de RAM (Random Access Memory). A ROM é onde o sistema operacional do Smart Card é armazenado e não pode ser alterada. É na EEPROM que são armazenados os dados da aplicação, isto é, ela pode ser lida e escrita por aplicativos. Os dados presentes nessa memória podem permanecer, se não sobrescritos, por até 10 anos. Entretanto, a EEPROM possui 2 inconvenientes:
- Lentidão. Leva-se de 3 a 10 ms para se escrever nessa memória;
- Número de regravações. Pode chegar a no máximo 100.000 gravações.
A RAM, por ser escassa, é o recurso mais precioso do cartão
do ponto de vista do desenvolvedor. Além disso, ela não é
usada somente pela aplicação, mas também por rotinas operacionais.
Antigamente a CPU era um microcontrolador de 8 bits, tipicamente utilizando
o conjunto de instruções dos chips Motorola 6805 ou Intel 8051
a um clock de 16 MHz. Atualmente ela é um microcontrolador RISC de 32
bits atingindo um clock de 25 a 32 MHz. As suas instruções manipulam
também os endereçamentos de memória e dos registradores
e operações de entrada e saída. Alguns fabricantes implantam
instruções próprias para um uso específico.
A crescente demanda por criptografia, exige cada vez mais poder de processamento da CPU. Um processo de decriptação RSA 1024 bits, por exemplo, pode demorar até 10 segundos. Assim, alguns fabricantes imbutem co-processadores no cartão, a fim de acelerar esse serviço.
O canal de entrada e saída do Smart Card é serial e unidirecional. Isto significa que os bits passam um a um em um único sentido de fluxo por vez. O hardware do Smart Card permite velocidades de até 115.200 bps.
A comunicação entre o cartão e o software de aplicação é do tipo mestre (software) e escravo (cartão). O software envia comandos ao cartão e espera por uma resposta. O cartão nunca envia dados ao software exceto em resposta a um comando.
Os sistemas operacionais dos Smart Cards suportam dois tipos de transferência: por caractere ou por bloco. A transferência por caractere ocorre quando os dados são transferidos caractere a caractere até formar uma palavra. Já na transferência por bloco, são transmitidos quadros inteiros por vez, o que faz deste tipo de transferência mais complexo que o outro.
Fig. 3 - Elementos de um Smart Card
O processo de manufatura de um Smart Card compreende 8 etapas distintas:
1. Fabricação de milhares de chips em uma única pastilha
de silício (wafer). Cada chip tem a forma de um quadrado de aproximadamente
5 mm de lado (25 mm2 de área, portanto). Esse modelo de chip é
repetido até preencher toda a pastilha de silício (totalizando
de 3000 a 4000 unidades por pastilha), num processo a vácuo, onde são
depositados materiais extremamente puros no substrato de silício.
Fig. 4 - Fabricação do chip
2. Empacotamento dos chips individuais para inserção dentro do
cartão. Quando a pastilha está completa, cada chip é testado
para verificar se está operacional. Cada chip aprovado é identificado
através de uma marca física antes de a pastilha ser particionada.
Uma vez que isto acontece, o chip é preso a uma lâmina de contatos,
que possui fios de baixíssima bitola que conectam os terminais do chip
a regiões específicas da lâmina. O resultado dessa união
é chamado tecnicamente de módulo.
Fig. 5 – Módulo
3. Fabricação do cartão. O cartão em si é feito em PVC (PolyVinyl Choride) ou em ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene). Em PVC é possível criar formas em alto-relevo, porém este material não é reciclável; o ABS não é modelável em alto-relevo mas é reciclável. O material do cartão é produzido em larga escala e em produções massivas para um determinado cliente, pode-se imprimir algo na superfície, como por exemplo logotipos.
Fig. 6 - Medidas de um cartão de identificação
4. Inserção do chip no cartão. Preparados o chip e o molde
de plástico, ambos são unidos através da cola do chip numa
depressão feita no molde. Esta depressão é feita por desbaste
ou derretimento do material e depois é embutida no módulo.
Fig. 7 - Inserção do módulo no molde
5. Pré-personalização. A maioria das aplicações
Smart Card requerem que certos programas ou arquivos sejam instalados em cada
cartão, antes que o mesmo seja personalizado e entregue ao usuário.
Isso é feito nesta etapa, na qual a preparação do software
do cartão é feita através do conector de I/O na superfície
do cartão.
6. Personalização. Este processo envolve a gravação
de informações como nomes e números relacionados ao usuário.
Isto usualmente também envolve a escrita do PIN (Personal Identification
Number) na memória, número que identifica o usuário com
o cartão. A personalização envolve ainda a manipulação
física do cartão; figuras e informações como nome
e endereço podem ser impressas em sua superfície. A impressão
também pode ser feita em alto-relevo para permitir que a informação
seja passada a outros tipos de mídia (por exemplo, impressão de
recibos de cartão de crédito).
7. Impressão no cartão. Esta etapa envolve a impressão
gráfica e textual no Smart Card. A aparência do cartão geralmente
reflete ambos estética e financeiramente o portador do cartão.
Símbolos corporativos e logotipos constroem a imagem do portador e têm
importante valor publicitário. Quando um cartão é utilizado
na identificação pessoal, a foto da pessoa portadora juntamente
com seu nome podem ser impressos. Em muitos cartões de propósito
financeiro são impressos hologramas como mecanismos para evitar estelionato.
Dependendo da informação a ser armazenada, vários processos
de impressão podem ser empregados. Para cartões que possuem o
mesmo design gráfico, como cartões telefônicos, a estampa
pode ser feita antes da inserção do circuito integrado no molde;
neste caso, a impressão é feita na manta plástica, antes
de se extrair o molde.
8. Inicialização do programa contido no cartão. Finalmente
são executados os programas que rodam no próprio cartão
(se microprocessado), e, então, o Smart Card está disponível
ao usuário final.
E-TAGs são etiquetas de identificação por rádio freqüência (RFID). Uma evolução dos Smart Cards sem contato (Contactless). E permitem que identifiquemos os objetos a que está associada de forma automática e com maior eficiência. Funcionam como dispositivos de comunicação de curto alcance e de baixa potência e que nos permite identificar a localização dos objetos, conhecer a condição de determinado evento ou até mesmo saber a condição do ambiente a qual ela esteja inserida. Porém elas não são meras etiquetas de identificação, pois têm a capacidade de computação local, de armazenar informação e fazer a comunicação com outros dispositivos
A indústria de identificação automática é muito ativa, com inúmeras empresas desenvolvendo aplicações com e-TAGs. De maneira geral, o mercado de RFID está segmentado em duas partes, o de etiquetas passivas e as ativas. A classe de etiquetas passivas possuem aproximadamente 32 bytes de memória local e são energizadas por um campo de RF gerado pelos leitores. Já a classe de etiquetas ativas carregam baterias próprias e possuem uma estrutura semelhante a um Smart Card.
As pessoas costumam achar que as e-TAGs são simplesmente uma evolução dos familiares códigos de barras, mas eles diferem em diversos pontos importantes, por exemplo:
• Elas não precisam de raio laser para serem lidas
• Podemos ler várias ao mesmo tempo
• Carregam mais informação, permitindo que identifiquemos itens individualmente
• Podem armazenar novas informações geradas pelos leitores
• Podem fazer interface com diversos sensores do ambiente e com outras fontes digitais.
Fig. 8 – e-TAGs
As e-Tags são sem fio, conectadas em rede e muito bem integradas ao ambiente
a que estão presentes. São facilmente fixadas aos objetos e possuem
tamanho e volume desprezíveis. Oferecem diversas vantagens aos negócios,
a manufatura e ao processo de rastreamento.
Fig 9 - sistema RFID
Sistema baseado em Rádio Freqüência
Os sistemas RFID utilizam as propriedades da propagação de Rádio Freqüência. Isso permite que a energia seja irradiada por uma fonte e coletada por uma e-TAG, que pode responder também irradiando energia. A performance dos sistemas RFID depende da implementação das técnicas de RF. O melhor funcionamento do sistema também exige que ele funcione nas freqüências de operação estabelecidas, para que ele não interfira com outras aplicações.
Campos de Energização
O sistema de RFID é composto por pelo menos um leitor e uma e-TAG. Se o protocolo de comunicações estiver implementado, o sistema pode ser composto por um leitor e várias e-TAGs. A fim de manter os custos da e-TAG reduzidos, é comum energizá-las a partir de um campo irradiado pelo leitor (fonte). Essa categoria de sistema RFID, em que a e-TAG é energizada por um campo irradiado pelo leitor é conhecido como Sistema RFID “passivo”.
O leitor irradia o campo de energização próximo às e-TAGs. A frequência desse campo será definida de acordo com a freqüência de operação alocada ao sistema e a potência de irradiação deverá estar de acordo com as exigências das autoridades reguladoras da região. Diferentes países irão especificar as freqüências de operação dentro de um intervalo muito grande, sendo desejável que as e-TAGs operem corretamente em todas as faixas de freqüências que elas encontrarem.
Essa habilidade de operar dentro dessa variação de freqüências (869MHz a 928MHz para o acordo UE/EUA) é chamada de frequency agility. Nessa situação os leitores que estão situados em diferentes países são programados para alocar a freqüência de operação estabelecida por aquele país e as e-TAGs devem responder corretamente a qualquer freqüência que estiver situada dentro de sua banda de operação.
Energizando a e-TAG
A e-TAG coleta parte da energia irradiada pelo leitor através de sua
antena. Essa energia está na frequência de operação
do leitor. Usando um simples circuito contendo um diodo e um capacitor, diodos
rápidos o suficiente para trabalhar na freqüência de operação,
a energia pode ser convertida para voltagem DC e é armazenada no capacitor
para fazer a e-TAG funcionar. Circuitos retificadores mais complexos podem ser
usados, tais como circuito de retificação de onda completa ou
o circuito multiplicador de voltagem se necessário.
Armazenamento de informação na e-TAG
A e-TAG necessita de uma série de células de memória para armazenar as informações que serão transmitidas quando for ativada pelo leitor. Essa memória pode ser do tipo somente leitura ou de leitura/escrita. Em alguns protocolos, tais como Trolleyponder/EcoTag, todas as e-TAGs podem conter a mesma informação.
Transferindo informação da e-TAG para o leitor
A e-TAG envia a informação de volta ao leitor de forma serial. Na década de 60 o desenvolvimento de uma tecnologia chamada de backscatter modulation pelo laboratório Lawrence Livermore nos EUA permitiu que essa comunicação fosse implementada de forma simples e a baixo custo enquanto mantinha a frequency agility determinada pela característica da e-TAG. Nela um transistor é chaveado para variar a carga na antena em sincronismo com a informação a ser transmitida. Essa variação da carga muda o casamento da antena e causa uma variação no campo energizado a ser refletido próximo ao receptor do leitor. O leitor tem um simples receptor composto de uma antena para coletar a energia refletida, um mixer, e usa um sinal derivado do campo de enrgização como um oscilador local. A informação transmitida pela e-TAG fica disponível na saída do mixer para ser processada por um microprocessador.
Protocolo para a situação de múltiplas e-TAGs
No passado, quando o raio de operação das e-TAGs era medido em centímetros, não era tão importante lidar com a situação de múltiplas e-TAGs, pois era difícil ter mais de uma e-TAG na zona de leitura ao mesmo tempo. Quando o raio de operação passou a ser medido em metros, a probabilidade de se ter mais de uma e-TAG na zona de leitura ao mesmo tempo passou a ser crítica.
Múltiplas e-TAGs causam complicações quando existe somente um canal de comunicação para carregar a informação da e-TAG de volta para o leitor, e se duas e-TAGs estiverem comunicando ao mesmo tempo o leitor detectará uma mensagem deturpada. De modo geral, é idensejável que a e-TAG tenha um receptor no seu circuito para reconhecer instruções de gerenciamento de tráfego passadas pelo leitor, pois introduziria penalidades de custo e problemas de estabilidade de temperatura, e uma única freqüência de operação teria que ser estabelecida se quiséssemos usar esse sistema ao redor do mundo. A transmissão das e-TAGs é tão fraca que outras e-TAGs não conseguem monitorar as transmissões de uma outra e-TAG do mesmo sitema que esteja transimitindo suas informações.
Em 1991, uma invensão de Mike Marsh publicada como patente chamada de Sistema de Identificação Eletrônica (Electronic Identification System) descrevia um protocolo que permite que um grande número de e-TAGs seja lido por um leitor sem a necessidade das e-TAGs possuírem um circuito de recepção. O que tornava o sistema de RFID, baseado em e-TAGs, prático e barato. Em 1998 Trolley Scan desenvolveu o protocolo Trolleyponder, outro protocolo que permitia várias e-TAGS serem lidas sem a necessidade de circuitos sintonizados.
Os protocolos são implementados por circuito tanto na e-TAG quanto no leitor, fazendo com que a gestão do trafego fique a cargo do leitor e permitindo que várias e-TAGs sejam lidas ao mesmo tempo. No protocolo Trolleyponder é possível ler até 1000 e-TAGs numa determinada área rapidamente, até mesmo se todas tiveram a mesma identificação.
Leitura Tri-Dimensional
Sistemas RFID usam técnicas de propagação de rádio para carregar energia e informação. Isso limita sua operação a situações onde a energia pode ser transferida e onde a comunicação entre o leitor e a e-TAG pode ser estabelecida. Uma das características da propagação de rádio é a necessidade de compatibilidade entre as polarizações do leitor e da e-TAG. Um sinal do leitor polarizado verticalmente irá transferir energia para uma e-TAG polarizada verticalmente, mas um leitor polarizado verticalmente não irá transferiri energia para uma e-TAG polarizada horizontalmente.
A aplicação deve ter as e-TAGs com uma orientação
conhecida para que os leitores possam ser polarizados corretamente. Entretanto,
em situações em que as e-TAGs são polarizadas de forma
aleatória, algumas podem não estar orientadas corretamente para
um eficiente acoplamento. Uma recente invenção resolveu esse problema
acrescentando um circuito simples, tanto no leitor quanto na e-TAQ, para permitir
uma completa leitura tri-dimensional.
Entre as aplicações práticas para a e-TAG podemos citar:
Identificação automática de
produtos: As e-TAGs permitem que os produtos sejam identificados sem
a necessidade da passagem de cada um deles por um leitor ótico, podendo
ser lidos vários itens de uma única vez. No supermercado um carrinho
de compras poderá ser registrado após uma única passagem
por um scanner e todo o seu conteúdo será identificado e registrado
automaticamente, o que vai resultar em menos filas e menor tempo de atendimento.
Segurança e controle de fluxo de produtos: Com uma
identificação automática, os produtos passarão a
ter uma maior segurança, pois poderemos fazer um controle do fluxo desses
produtos. Além disso poderemos diminuir as perdas e os acessos não
autorizados.
Rastreamento e logística de produtos e mercadorias:
A logística é uma das maiores beneficiadas com as e-TAGs. Todo
o controle de fluxo de produtos traz uma vantagem enorme para a gestão
da cadeia de suprimentos. As empresas poderão saber quando é a
hora de repor os estoques e a quantidade a ser produzida de cada item para fazer
a reposição nas prateleiras.
Informações médicas e pessoais: Com a
miniaturização das e-TAGs elas poderão ser utilizadas dentro
do corpo humano sob a pele. Elas armazenarão informações
médicas e pessoais, permitindo o registro do histórico do paciente
e de informações necessárias para determinadas aplicações.
http://electronics.howstuffworks.com
http://www.ieee.org
http://www.cardwerk.com/smartcards/smartcard_applications.aspx
http://www.computer.org/computer/homepage/0404/invisible/index.htm
http://dsonline.computer.org/archives/ds200/ds2wan.htm
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http://encyclopedia.thefreedictionary.com/smart%20card
http://www.gemplus.com/smart/basics/
http://rapidttp.com/transponder/