Emulating complex HF-RFID protocols for identity and sensing

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1 School of Engineering InES Institute of Embedded Systems Emulating complex HF-RFID protocols for identity and sensing (Präsentiert an der Embedded Computing Conference in Winterthur vom 27 sten August 2013) Dipl. MSc Olivier Rion Contacts: /

2 und Lösung 2/34

3 Sensor und und Lösung Temperatur: 40 C Identifikation von Material Identifikation von Leuten Artikel Nr: xxxxxxxxx RFID Karte 3/34

4 und und Lösung RFID kann verschiedenen Zwecken dienen: Hilfreich für Anwendungsentwicklung Debugg und Test von Produkten Ermöglicht Sicherheitstests (Sicherheitsprobleme detektieren) Ermöglicht Geschwindigkeitstests Fehler Simulation, um Konsequenzen testen zu können Unterricht (RFID zu verstehen) 4/34

5 und Lösung Vorstellung einer einfachen und flexiblen Emulation von komplexen n: ngrösse = normale RFID Kartengrösse Genügend Ressourcen ( mit Extra-Funktionen) Nötige Features für die Einfachheit und Flexibilität: Programmierbare (für komplexe Low Layer) Genügend CPU- und Speicher-Ressourcen 5/34

6 Wie RFID Tags funktionieren: Der Tag enthält Informationen Reader kann diese Informationen lesen Tag und Reader kommunizieren mit einem RF Feld und Tranceiver Transponder Lösung Oscillator Antenna Driver Coil1 EM4102 Coil2 Diagrams taken from datasheet of EM4102 (125kHz tag), EM Marin Filter and Gain Demodulator Data decoder Data received from transponder Signal on coils CLOCK EXTRACTOR Transponder coil COIL1 VDD Logic Clock Cress AC1 + FULL WAVE RECTIFIER Csup SEQUENCER MEMORY ARRAY Transeiver coil COIL2 AC2 - VSS RF Carrier Data DATA MODULATOR Serial Data Out DATA ENCODER Modulation Control 6/34

7 in emulierten HF n überwinden und Lösung Bedingungen zu erfüllen, um komplexe zu emulieren: Genügend Rechenleistung Datenraten und zeitkritische Operationen beachten Schnelle physikalische Schicht Genügend Ressourcen für die Anwendung Möglichkeit, die Signale über die ganze Kette zu analysieren Die Kommunikationsüberwachung darf nicht die Reaktionszeit des Systems beeinflussen Logging von Daten in NV Speicher Signale herausführen zum Analysieren (z.b. bei der Lehre) 7/34

8 Vorhandene Möglichkeiten, HF-RFID zu emulieren: und Lösung 1 Kombination von einem externen FPGA und einem Mikrocontroller FPGA für zeitkritischen Layers zuständig Mikrocontroller für oberen Layer zuständig 2 Chips Lösung 2 RFID Chips für das Front-End Multi-Protokoll RFID Chip + CPU Schwierig mit neuen n/protokolländerungen Emulation von mehreren Karten schwierig 3 Leistungsstarke Prozessoren Für die emulation Reaktionszeit problematisch Microcontroller External Bus (i.e. SPI) Logic / Dedicated chip (time critical work) Analog envelope Reader 8/34

9 Lösung für RFID Emulation Der ermöglicht eine kleine, flexible und günstige Low-Power-Lösung: und Lösung Der wurde für RFID Emulation schon verwendet Emulation eines RFID Readers mit einem 1 (Cypress Application note) ZHAW-InES: Emulation von Readers mit einfachen RFID n mit 1 ZHAW-InES: 125KHz RFID Reader für Lehrzwecke mit einem 3 Der 5 ermöglicht kompliziertere zu emulieren Andere Arbeiten mit HF-RFID Karten Emulation mit 3/5 sind uns nicht bekannt 5 Logic (time critical work) Analog envelope Reader 9/34

10 (1,2,3) (= Programmable System on Chip) und Lösung Familie von Mikrocontroller mit internen programmierbaren Blöcken Die CPU kontrolliert das System 3 Generationen: 1, 3 (80C51), 5 (Cortex M3) Konfigurierbare Analogblöcke Konfigurierbare Digitalblöcke 1 ermöglicht on-the-fly Rekonfiguration Funktionsblöcke leiten Signale von CPU oder Signale zur CPU weiter 10/34

11 5 architecture 5 Architektur (datasheet, Cypress Semiconductors) Analog Interconnect Digital Interconnect und Lösung 2.7 to 5.5 V 4-25 MHz ( Optional) KHz ( Optional) SIOs GPIOs GPIOs GPIOs System Wide Resources Xtal Osc IMO RTC Timer WDT and Wake ILO Clock Tree Clocking System Power Management System POR and LVD Sleep Power 1.8 V LDO Usage Example for Digital System Universal Digital Block Array (24 x ) 8- Bit Quadrature Decoder 16- Bit 16- Bit PRS Timer PWM I 2C Slave UART EEPROM LCD Direct Drive 4 x SC/ CT Blocks (TIA, PGA, Mixer etc) Temperature Sensor CapSense 8- Bit SPI SRAM FLASH Digital Filter Block 4x DAC 8- Bit Timer Logic Sequencer Memory System 12- Bit SPI Logic 12- Bit PWM System Bus 8051or Cortex M3 CPU Cache ADCs CPU System Analog System 2 x SAR ADC 1 x Del Sig ADC Interrupt Controller PHUB DMA 4 x Timer Counter PWM Program & Debug + 4 x Opamp - 4 x CMP Program Debug Trace + - I2C Master/ Slave FS USB 2.0 GPIOs GPIOs GPIOs GPIOs SIO USB PHY 3 per Opamp 22 11/34

12 5 Features vom Datasheet 32-bit ARM Cortex-M3 (80C51 für 3) CPU core und Lösung Bis zu 67 MHz Operation Flash Programm Speicher, bis zu 256 KB Bis zu 64 KB SRAM Speicher Low voltage, ultra low power Betriebsspannungsbereich: 2.7V - 5.5V Low power Modus mit: 2 ua Sleep Modus 300-nA hibernate mode mit RAM retention 12/34

13 und Lösung Vielseitiges I/O system: 5 features 46 bis 70 I/Os (60 GPIOs, 8 SIOs, 2 USBIOs) Alle GPIO zu allen Digital- oder Analogperipherien routability Digitalperipherien: 20 bis 24 PLD based universal digital blocks (s) Full-Speed USB 2.0, Timers, Counters, PWM Blöcke, SPI, UART, I2C Library of advanced peripherals (CRC (cyclic redundancy check), PRS (pseudo random sequence), usw.) Analogperipherien: ADC mit 8- bis 20-bit Resolution SAR ADCs, opamps, usw... 13/34

14 und Lösung Blockschaltbild des RFID Emulator PICC/skarte: Emulation von PICC (=ISO14443A) und VICC (=ISO15693) mit der gleichen Plattform Envelope detection block zwischen der Antenne und dem Der Rest wird im gemacht Mit änderungen könnte das Protokoll ISO14443B emuliert werden Loop Analog Envelope SPI TX RX Manchaster Encoder Modified Miller Decoder Controll Fram e Detection FIFO FIFO 8051 Corte x-m3 USB USART 14/34

15 RFID mit Antennen Konfiguration der mit einem Terminal durch UART: und Lösung Systemkonfiguration von PC: IDs, Kartentyp, usw... Parameter zum Messen (für RFID Sensoren) RF Verkehr zum PC weiterleiten für die Visualisierung Befehle über den PC senden 15/34

16 RFID IO Erweiterung, um Sensoren, LEDs, usw. anzuschliessen Genügend Ressourcen stehen zur Verfügen für eventuelle RF Module und Lösung 16/34

17 und Charakteristik ISO15693 VICC (Vicinity cards) Maximale Reichweite 1m - 1.5m Frequenz fc=13.56 MHz Reader - Karte Kommunikation ASK mit 10% oder 100% Modulation Index Data coding ist mit Pulse Position Modulation gemacht 1 out of 4 Symbol time = 75.52us pause (9.44us) position codes 2 bits (26.48kbps) Lösung "00" 9.44us 9.44us 75.52us 17/34

18 und Lösung Charakteristik ISO15693 VICC (Vicinity cards) Maximale Reichweite 1m - 1.5m Frequenz fc=13.56 MHz Reader - Karte Kommunikation ASK mit 10% oder 100% Modulation Index Data coding ist mit Pulse Position Modulation gemacht 1 out of 4 Symbol time = 75.52us pause (9.44us) position codes 2 bits (26.48kbps) 1 out of 256 Symbol time = 4.833ms, pause (9.44us) position codes 8 bits (1.65kbps) "0C" 9.44us 18.88us 17/ ms

19 und Lösung Charakteristik ISO15693 VICC (Vicinity cards) Maximale Reichweite 1m - 1.5m Frequenz fc=13.56 MHz Reader - Karte Kommunikation ASK mit 10% oder 100% Modulation Index Data coding ist mit Pulse Position Modulation gemacht 1 out of 4 Symbol time = 75.52us pause (9.44us) position codes 2 bits (26.48kbps) 1 out of 256 Symbol time = 4.833ms, pause (9.44us) position codes 8 bits (1.65kbps) Karte - Reader Kommunikation Low speed fc/2048 = 6.62kbps High speed fc/512 = 26.48kbps Data Coding: Manchester ASK 100% mit Modulation Index mit KHz subcarrier FSK 100% mit Modulation Index mit 2 subcarrier KHz und KHz 17/34

20 : Layer 1 Logik Die Logik behandelt RX/TX, UART, Switches Interrupts und Lösung 18/34

21 und Lösung : Funktionen Die unterstützt die folgenden Befehle: inventory (ISO15693_3_inventory_f) stay quiet (ISO15693_3_stay_quiet_f) read single block (ISO15693_3_read_single_block_f) write single block (ISO15693_3_write_single_block_f) lock block (ISO15693_3_lock_block_f) read multiple blocks (ISO15693_3_read_multiple_blocks_f) write multimple blocks (ISO15693_3_write_multiple_blocks_f) select (ISO15693_3_select_f) reset to ready (ISO15693_3_reset_to_ready_f) write afi (ISO15693_3_write_afi_f) lock afi (ISO15693_3_lock_afi_f) write dsfid (ISO15693_3_write_dsfid_f) lock dsfid (ISO15693_3_lock_dsfid_f) get system information (ISO15693_3_get_system_information_f) get multiple block security status (ISO15693_3_get_multiple_block_security_status_f) 19/34

22 : Beschreibung und Layer 3 General function Lösung Layer 2 Coding 1 out of 4 RF RX TX Logik Layer 1 start of frame? end of frame? 20/34

23 und Lösung : Tests und Ergebnisse Verschiedene Karten wurden mit der getestet: In der waren 4 verschiedene IDs programmiert Die konnte dann mit dem Reader und der des RFID Verkäufers gelesen werden Das Wechseln von einer Karte auf eine andere erfolgte durch Schalter 21/34 Die folgenden Karten konnten emuliert werden (04 für NXP) 0xE0, 0x04, 0x01, 0x00, 0x33, 0x01, 0x04, 0xE0 //0xE0, 0x04, 0x01, 0xxxx1 xxxx ICODE SLIX 0xE0, 0x04, 0x01, 0x00, 0x44, 0x01, 0x04, 0xE0 //0xE0, 0x04, 0x01, 0xxxx0 xxxx ICODE SLI 0xE0, 0x04, 0x01, 0x00, 0x55, 0x02, 0x04, 0xE0 //0xE0, 0x04, 0x02, 0xxxx0 xxxx ICODE SLI-S 0xE0, 0x04, 0x01, 0x00, 0x66, 0x02, 0x04, 0xE0 //0xE0, 0x04, 0x02, 0xxxx1 xxxx ICODE SLI-S

24 : Sensing und Lösung Statt IDs kann die Sensordaten lesen und diese Daten dem Reader zur Verfügung stellen Die ADC Inputs oder andere digitale Signale können auch für Sensing gebraucht werden Ressourcen (CPU und Speicher) stehen noch für weitere Funktionen zur Verfügung 22/34

25 und Lösung 5 Logic (time critical work) Analog envelope Reader PICC card emulation Ebenso kann ein PICC (ISO14443A) emuliert werden unterer Layer (Layer 1) wurde mit digital programmable blocks implementiert Modulation und Coding wurden implementiert, aber Anti-Collision wurde nur partiell implementiert Logik, Interrupts und sind für PICC und VICC komplett unterschiedlich 23/34

26 BUG 1 : Status enable Waiting for answer... BUG 1 : Response OK CMD 2 : Sended Waiting for answer... CMD 2 : Response error BUG 1 : Status disable Waiting for answer... BUG 1 : Response OK CMD 2 : Sended Waiting for answer... CMD 2 : Response OK RFID Emulation und Lösung Fehler Simulation und Debugging ist auf jeder Stufe möglich Empfangene Daten können direkt von der Logik zum PC gesendet werden Monitoring 5 Layer 3 Layer 2 Layer 1 BUG Simulation Daten auf jeder Stufe können auch zum PC für Logging und Analyse weitergeleitet werden Logic (time critical work) 24/34

27 und Kartenkonfiguration und Kommunikationslog: PC ist über UART mit der PICC verbunden Spalte card stellt Konfigurationsmöglichkeiten dar Spalte log stellt das Kommunikationslog zwischen Reader und PICC dar Lösung 25/34

28 und Lösung Die kann im Prinzip alle mit einer Modulation 100% emulieren: ISO/IEC (1 out of 4 mode (schnellster Modus) und 1 subcarrier unterstützt) (implementiert und getestet) Der Clock muss vom Reader aufgenommen werden ISO/IEC 14443A (implementiert und getestet) Obere Protokolllayers können auf diesen n emuliert werden (Proprietäres Protokoll implementiert und getestet) Notiz: Einige brauchen kleine Anpassungen 26/34

29 Verbesserung des Prüfverfahrens Die verbessert die Tests: und Lösung Schnelle Testprozedur Die Testprozedur ist sehr vereinfacht Konfiguration der mit dem PC Die Tests sind reproduzierbar Möglichkeit, mehrere Karten zu emulieren Verschiedene Fehler können simuliert werden Gesamter Verkehr zwischen und Reader kann mit dem PC analysiert und gespeichert werden 27/34

30 Verbesserung des Prüfverfahrens Kommunikation zwischen der und einem Reader mit dem ISO/IEC 14443A Protokoll mit einem Echtzeit Logging über UART. und Lösung 28/34

31 Ein Einchip RFID Emulator wurde für verschiedene komplexe implementiert: und Lösung Nur passive Komponente nötig für 100% Modulation Index Nur wenig Komponenten notwendig Die Flexibilität von Blöcken und CPU (Cortex M3) ermöglicht: die Implementierung von komplexen Anwendungen auf die Kommunikationsprotokolle Sensorwerte zu lesen und sie als card IDs zu schreiben Tests auf Level ( Fehler Simulation) Sehr schnell zu sein (kein SPI/I2C Interface) Logging Reproduzierbare Tests mehrere Karten zu emulieren 29/34

32 Danke für Ihre Aufmerksamkeit Fragen? und Lösung 30/34 For more information: Prof. Dr. Marcel, Head of Wireless Systems Group Zurich University of Applied Sciences (ZHAW) Institute of Embedded Systems (InES) Technikumstr. 9 CH-8401 Winterthur Phone:

33 und Lösung Our activities Institute of Embedded Systems, Winterthur, Switzerland Part of Zurich University of Applied Sciences Involved in teaching, applied research projects Wired: Industrial Real Time Communication (Ethernet, ) Wireless: WPAN, RFID, UWB,... Energy harvesting, very Low power applications Examples of Low power developments: Passive, Intelligent RFID Tag (RF harvesting) Battery-less: powered only by the RFID reader Uses a 32-Bit microcontroller to emulate protocols Successful emulation of LF, UHF, Gen2 Identification, sensor, security,... (RFID sensor network) Range of several meters 31/34

34 Our activities Dynapic Wireless (Battery-less, wireless switch >10 million cycles) und Lösung Battery-less, wireless piezo-switch (patent filed) > 10 million cycles Silent (no unwanted clicks), thin, flat, fits on many surfaces 32/34

35 Our activities 6LoWPAN-Ethernet Bridge (Based on Cortex M3) Mobile node with cortex M0 also available. Running on EH und Lösung 33/34

36 Our activities Wireless automation with different energy harvesting sources und Lösung 34/34

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