Conocimiento

Tecnología NFC, modalidades operativas y aspectos técnicos

28 de Enero de 2015

Tecnología NFC, modalidades operativas y aspectos técnicos

En este artículo intentaremos explicar las características técnicas para cada una de las modalidades operativas implementadas por la tecnología NFC, así como una pequeña introducción a la estructura de un móvil Smartphone con NFC.

Modo NFC lectura/escritura (read/write)

La modalidad lectura/escritura prevé la comunicación entre un dispositivo NFC y un tag, para la lectura y/o escritura de datos en el tag mediante el dispositivo NFC. La organización NFC Forum especifica la arquitectura del dispositivo en modo lectura/escritura mediante el siguiente protocolo:

► Analógico: se refiere a las especificaciones analógicas del interface RF en el dispositivo NFC. La especificación pretende caracterizar y especificar las señales observables externamente, sin tener que especificar el diseño de la antena del dispositivo NFC. Esto incluye requerimientos de potencia (volumen operativo), requerimientos de transmisión y del receptor y formato de las señales.

► Protocolo digital: protocolo de bajo nivel definido en el estándar NFCIP1 y NFCIP2. Esta especificación guía el protocolo digital para los dispositivos NFC, facilitando especificaciones de la implementación basada en los estándares ISO/IEC 18092 e ISO/IEC 14443. Armoniza las tecnologías integradas, especifica las opciones de implementación y los límites de interpretación de los estándares; en esencia, muestra a los desarrolladores cómo usar los estándares NFC, ISO/IEC 14443 y JIS X6319-4 juntos para asegurar una interoperabilidad global entre diferentes dispositivos NFC y entre dispositivos NFC e infraestructuras contactless existentes. La especificación define el conjunto de características comunes que puede ser usado sin tener que hacer modificaciones para la mayoría de aplicaciones NFC en áreas como servicios financieros y transporte público. Las especificaciones cubren el interface digital y el protocolo de transmisión half-duplex del dispositivo NFC es sus 4 posibles roles (iniciador, target, lector/grabador y emulación de tarjeta). Incluye codificación a nivel de bit, bit rates, frame formats, protocolos y sets de comandos, usados por los dispositivos NFC para intercambiar datos y unificar con el protocolo LLCP. Incluye tres partes:

• NFC-A: comprende el estándar RFID ISO/IEC 14443-3 tipo A en sus especificaciones de bajo nivel

• NFC-B: comprende el estándar RFID ISO/IEC 14443-3 tipo B en sus especificaciones de bajo nivel

• NFC-F: comprende el estándar FeliCa JIS X 6319-4 (o, al menos, algunas partes de este estándar que son incorporadas en el ISO/IEC 18092) en sus especificaciones de bajo nivel

► Operaciones con tags Tipo 1-4: como se comentó ya en el artículo de fundamentos de la tecnología NFC, el organismo NFC Forum ha especificado 4 tipos de tags operativos con dispositivos NFC. Esta es la columna vertebral de la interoperabilidad entre diferentes proveedores de tags NFC y fabricantes de dispositivos NFC, para asegurar una experiencia de usuario consistente. Las especificaciones de operación para los tags NFC Forum Type 1/2/3/4 proveen la información técnica necesaria para implementar el lector/grabador y funcionalidades de control asociadas del dispositivo NFC para que pueda interactuar con los tags. Los tags Tipo 1/2/3/4 están basados en productos contactless existentes y están comercialmente disponibles.

► Aplicaciones NDEF: se refiere a aplicaciones tipo vCard, SmartPoster (anuncios o carteles con tag NFC), etc, basadas en la utilización del formato NDEF (NFC Data Exchange Format). El formato NDEF provee un formato estándar para aplicaciones de datos NFC.

► Aplicaciones No NDEF: se refiere a aplicaciones particulares que no utilizan el formato NDEF

Los datos de una aplicación se memorizan en el interior de un tag NFC de una forma muy concreta:

1.- El dato es encapsulado en el interior de un mensaje con formato NDEF

2.- El mensaje se guarda en la memoria del tag. El tag puede ser tipo 1, 2, 3 o 4, y cada tipo tiene sus propias estructuras de memoria

El mensaje NDEF y el uso de alguno de los tags definidos por el NFC Forum (según las 4 tipologías), son usados para identificar el tipo de dato aplicativo (URL, vCard, imagen JPEG, etc) y garantizar la interoperabilidad y coexistencia entre las diferentes aplicaciones y dispositivos.

Es por esto que un tag NFC está formado de la siguiente manera:

Las especificaciones NDEF definen una modalidad de formateado/encapsulamiento de los datos en el interior de un mensaje, para el intercambio de información entre el dispositivo y el tag.

Un mensaje NDEF puede contener una o más cargas (en inglés, “payload”) de tipo y dimensiones arbitrarias. Además, una carga puede ser encapsulada en el interior de un único NDEF o bien se pueden poner diferentes “trozos” en varios NDEF. Los datos aplicativos pueden estar contenidos en una o más cargas. Cada carga está definida por un tipo (URI, MIME media type, etc.) y por un identificativo opcional (que permite la asociación entre múltiples cargas).

Los tags NFC se basan en productos actualmente existentes y disponibles en el mercado. La relación de los tipos de tag NFC (tipos 1, 2, 3 y 4) se puede encontrar en el artículo “Fundamentos de la tecnología NFC”.

Además de estas tipologías estándar, NXP ha definido unas guías para usar los tags de la familia MIFARE Classic® como tags NFC. Utilizando estas especificaciones facilitadas por NXP, es posible memorizar los mensajes NDEF, garantizando la co-existencia e interoperabilidad entre dispositivos NFC que pueden operar con esta familia de tags específica. La relación se resume en la siguiente tabla:

Estas especificaciones también han sido facilitadas por NXP para los tags ISO15693 I-Code.

Los tags NFC deben estar formateados según las especificaciones para poder ser tags NFC. El formateado es un procedimiento que consiste en el envío de una secuencia de comandos al tag para configurar su funcionalidad y la estructura de datos interna. El formateado de los tags puede ser efectuada en el momento de la producción del mismo o más tarde con el primer uso con un dispositivo NFC (por ejemplo con un Smartphone se podría hacer).

Modo peer-to-peer

La modalidad peer-to-peer permite a dos dispositivos NFC comunicarse entre ellos para intercambiar información y compartir ficheros. Los usuarios de dispositivos NFC pueden compartir información y otros ficheros fácilmente, con un simple toque o aproximación. Dos dispositivos NFC crean una conexión para intercambiar información de forma activa. Cuando se intercambian información, ésta se envía por un canal de comunicaciones bidireccional half-duplex (cuando un dispositivo transmite, el otro debe escuchar, y puede iniciar una transmisión sólo cuando el primero ha terminado). La velocidad máxima de transmisión de datos es 424 kbps. La arquitectura de esta modalidad está resumida en el siguiente esquema:

Esta modalidad tiene un conjunto protocolario que prevé a nivel base el NFCIP-1 (ISO/IEC 18092) y, a nivel superior, el estándar LLCP.

El NFCIP-1 (Near Fiel Communication Interface and Protocol-1) es un estándar que particularmente especifica esquemas de modulación, codificaciones, velocidades de transferencia y “frame formats” del interface RF, así como esquemas de inicialización y condiciones requeridas para el control de la colisión de datos durante la inicialización. Además, este estándar define el protocolo de transporte, incluyendo métodos para la activación de protocolo e intercambio de datos. En resumen, el estándar se basa en un modelo iniciador-target en el cual los dos actores de la comunicación (quien inicia la comunicación y quien la recibe) son definidos previamente en la comunicación. De todas maneras, a nivel LLCP, los dos dispositivos con tecnología NFC se comportan de manera idéntica en el interior de la comunicación. Después del contacto inicial, las decisiones son tomadas a nivel aplicativo del software en ejecución entre ambos dispositivos.

En los niveles superiores, las aplicaciones pueden ser desarrolladas para intercambiarse información utilizando el protocolo NDEF, mientras a nivel inferior, los datos son transmitidos con el protocolo LLCP. 

LLCP (Logical Link Control Protocol) define un protocolo OSI nivel 2 de intercambio de datos peer-to-peer entre dos dispositivos NFC. Es esencial para cualquier aplicación NFC que gestiona una comunicación bidireccional. El LLCP es un protocolo compacto, basado en el estándar industrial IEEE 802.2, diseñado para soportar pequeñas aplicaciones con requerimientos limitados de transmisión de datos, como transferencia de ficheros menores, o protocolos de red, como el OBEX y el TCP/IP que, a su vez, dan un entorno de servicios más robusto para las aplicaciones. Así, el protocolo NFC LLCP facilita unos fundamentos sólidos para aplicaciones peer-to-peer, mejorando las funcionalidades básicas ofrecidas por la normativa ISO7IEC 18092, pero sin impactar la interoperabilidad de chips y aplicaciones NFC. 

Modo emulación tarjeta

Emulación tarjeta es el término que describe que un teléfono con tecnología NFC se puede comportar como una tarjeta inteligente o un tag ISO 14443 sin tener que acceder al elemento seguro del teléfono. Esta funcionalidad permite a los usuarios realizar transacciones como pagos (crédito y/o débito) o controles de accesos con sólo un “toque” o aproximación del dispositivo en emulación tarjeta al otro dispositivo NFC. Este modo mantiene su funcionalidad aunque el dispositivo esté apagado, aunque el hecho de permitirlo o no depende de la decisión del proveedor de servicios. Esta sería la arquitectura: 

Una tarjeta inteligente puede ser mucho más que un tag NFC. Por ejemplo, y como acabamos de comentar, puede contener aplicaciones de pago (crédito o débito), aplicaciones de ticketing, etc. Estas aplicaciones existían antes del NFC y no utilizan el formato NDEF para el intercambio y grabación de datos. Utilizan un protocolo propio (por ejemplo, EMV para las tarjetas de crédito) y habitualmente utilizan funciones especiales de seguridad. En cambio, un tag NFC es un transponder que tiene un cierto tipo de memoria y que contiene datos formateados según NDEF.

Los dispositivos con tecnología NFC que operan en modo emulación tarjeta utilizan a nivel físico los mismos protocolos que usan las tarjetas inteligentes, y son completamente compatibles con estos estándares.

Durante la comunicación entre el dispositivo NFC  target que efectúa la emulación, y el dispositivo iniciador, este último interactúa con las aplicaciones presentes en el interior del chip Smart Card del target, llamado elemento seguro (SE, Secure Element).

El modo de funcionamiento emulación tarjeta (Card Emulation), emula una Smart Card (tarjeta inteligente) contactless (no un tag NFC, aunque también se podría utilizar como tal). Los smartphones son los dispositivos que típicamente pueden trabajar en emulación tarjeta. En general, la emulación no es efectuada por el procesador NFC en el interior del dispositivo, si no por un componente hardware dedicado (el elemento seguro, SE-Secure Element). El SE puede ser integrado en el interior del controlador NFC, o bien es posible utilizar una tarjeta SIM especial (UICC) que soporte el protocolo SWP (Single Wire Protocol), que es un interfaz diseñado para la comunicación entre el controlador NFC y el UICC (tarjeta SIM).

El SE es un elemento físicamente protegido (tamper-resistant), y la instalación de aplicaciones propietarias no es simple. Es necesario tener la autorización del fabricante del dispositivo y, en particular, del fabricante del sistema operativo instalado en su interior. Por ese motivo, en un Smartphone, es el fabricante del mismo quien decide quién puede tener acceso al elemento seguro (SE) o no. En el caso de la tarjeta SIM es el operador telefónico quien lo decide.

Arquitectura de un móvil NFC

Un smartphone con tecnologia NFC está típicamente compuesto de varios circuitos integrados, uno o más elementos seguros (SE) y una interfaz NFC. El sistema se compone de los siguientes elementos:

• NFC Contactless Front-End (NFC CLF)

• Una antena RFID

• Controlador NFC para las transacciones NFC

Más allá del controlador NFC, un Smartphone con tecnología NFC tiene al menos un elemento seguro (SE) (acostumbra a ser una tarjeta SIM) conectado al controlador NFC para efectuar las transacciones seguras de proximidad con un dispositivo NFC externo.

El elemento seguro permite la memorización segura de datos privados y de valor, como la información de la tarjeta de crédito del usuario, y la ejecución segura de servicios habilitados por el NFC , como los pagos contactless. Los protocolos de intercambio de datos utilizados entre el SE y el controlador NFC son el SWP y el NFC-WI (NFC Wired Interface). El elemento seguro puede ser controlado y accedido internamente desde el controlador host o bien desde el campo RF externo. El controlador host es el corazón de cualquier Smartphone. El HCI (Host Controller Interface) crea un puente entre el controlador NFC y el controlador Host. El controlador Host fija la modalidad operativa del controlador NFC a través del HCI, procesa los datos enviados y recibidos y establece la conexión entre el controlador NFC y el SE (elemento seguro).

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