Anwendungen und Technik von Near Field Communication (NFC)

Transkript

1 Anwendungen und Technik von Near Field Communication (NFC)

2 Josef Langer Michael Roland Anwendungen und Technik von Near Field Communication (NFC) 1 3

3 Prof. (FH) Dr. Josef Langer FH OÖ, Campus Hagenberg Softwarepark Hagenberg Österreich Michael Roland, MSc FH OÖ, Campus Hagenberg Softwarepark Hagenberg Österreich ISBN e-isbn DOI / Springer Heidelberg Dordrecht London New York Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2010 Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Einbandentwurf: WMXDesign GmbH, Heidelberg Gedruckt auf säurefreiem Papier Springer ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (

4 Vorwort Vor Ihnen liegt das erste Buch über Technologie und Anwendung von Near Field Communication (NFC). Die Idee dieses Buch zu schreiben, geht auf das Jahr 2007 zurück. Damals starteten wir in Hagenberg einen großen Feldversuch zu NFC und hatten das erste Mal die Möglichkeit, Studien mit Anwendern durchzuführen. Die positiven Ergebnisse des Feldversuchs haben gezeigt, dass NFC eine Technologie ist, bei der die einfache Anwendung im Mittelpunkt steht. Fasziniert von den technischen Eigenschaften und den Rückmeldungen von Studierenden und Teilnehmern am Feldversuch, war die Idee ein Buch darüber zu schreiben rasch entstanden. Doch durch die hohe Arbeitsbelastung blieb die Idee vorerst nur Gedanke. Erst nachdem Michael Roland, ein ehemaliger Student und nunmehriger Mitarbeiter am NFC Research Lab, und ich gemeinsam die Leidenschaft das Buch zu schreiben teilten, wurde aus der Idee ein Projekt und schließlich das Buch, das sie in Händen halten. NFC wurde 2002 von NXP und Sony erfunden. Im Jahr 2004 gründeten NXP, Sony und Nokia das NFC Forum. Noch im selben Jahr starteten wir an der Fachhochschule in Hagenberg unser erstes NFC Projekt. Zu Beginn noch als Semesterarbeit mit mehreren Studierenden. Im Jahr 2005 gründeten wir das NFC Research Lab Hagenberg, da die österreichische Forschungsförderungsgesellschaft, NXP, mobilkom austria und voestalpine Budgetmittel zur Verfügung stellten. Möglich war dies durch das Engagement und den großen Einsatz aller Beteiligten. Zu unseren wichtigsten Unterstützern zählt Andreas Mühlberger, Leiter der NFC Abteilung bei NXP. Ihm verdanken wir den Aufbau unserer Forschungsabteilung und den Zugang zu internationalen Kontakten. Ein weiterer bedeutender Unterstützer bei NXP war Felix Marx. Wichtig war die Unterstützung der Mobilkom Austria. Allen voran möchten wir uns bei Christian Kantner für sein großes Engagement bedanken. Besonderer Dank gilt Hannes Ametsreiter, Markus Stüber, Christoph Kößler und Christiane Schweighofer, dass sie uns personell und finanziell förderten. Ein sehr wichtiger Förderer der ersten Stunde war Gerhard Romen von Nokia, der uns den Zugang zu neuesten NFC-Mobiltelefonen und die Vernetzung mit internationalen Unternehmen ermöglichte. Herzlich möchten wir uns bei unseren Mentoren in Hagenberg bedanken: Professor Buchberger, der den Softwarepark Hagenberg gründete und leitet, sowie v

5 vi Vorwort Alt-Bürgermeister Rudolf Fischerlehner. Durch sie konnten wir unsere NFC-Forschungsergebnisse optimal in die Praxis umsetzen. Besonders wollen wir uns bei dem Dekan der Fakultät für Informatik, Kommunikation und Medien, Witold Jacak sowie bei Thomas Müller-Wipperfürth, dem Leiter des Studiengangs Hardware- Software-Design bedanken. Sie haben uns ermöglicht, frei und unabhängig zu arbeiten und zu forschen. Wir möchten uns bei allen weiteren Unternehmen und Personen bedanken, die bei der Entstehung dieses Buches mitgeholfen haben. Alle Hinweise und Ratschläge haben uns geholfen, ein möglichst ausgewogenes Bild der NFC-Technologie und der NFC-Anwendungen zu zeichnen. Unser Dank gilt unseren Kollegen Stefan Grünberger, Christian Saminger sowie Hans-Georg Brachtendorf am Studiengang Hardware-Software-Design, die das Manuskript Korrektur gelesen haben. Bei Gerald Madlmayr wollen wir uns für seine Mithilfe beim Aufbau des NFC Research Lab Hagenberg und für seinen Einsatz beim NFC-Feldversuch bedanken. Für die Gestaltung der Grafiken bedanken wir uns herzlich bei Alicia Krenn, die sehr flexibel auf unsere Anliegen eingegangen ist. Danke an Andreas Oyrer und Clemens Rainer für das Erstellen der Bildschirmoberflächen. Beim Springer-Verlag bedanken wir uns für die angenehme Zusammenarbeit und das entgegengebrachte Verständnis. Prof. (FH) Dr. Josef Langer Michael Roland, MSc Während der letzten Monate musste ich feststellen, dass die Arbeit an einem Buch und besonders die Recherchen rund um ein Buch keine leichte Aufgabe sind. Ganz im Gegenteil: Die Arbeit war oft sehr mühsam und zeitaufwändig. Daher musste ich leider für die Fertigstellung dieses Buches einige Kompromisse eingehen. So wurden viele Abende und Wochenenden, anstatt meinen Freunden und meiner Familie, dem Buch gewidmet. Umso mehr freut es mich, schlussendlich das fertige Manuskript in Händen zu halten. Daher möchte ich mich bei meiner Familie, meinen Freunden und bei allen bedanken, die mich stets ermutigten, dieses Buchprojekt zu Ende zu bringen. Ganz besonderer Dank gilt meinen Eltern, Susanne und Helmut Roland, die mich immer unterstützt haben. Sehr herzlich möchte ich mich auch bei Günther Roland und Martina Mayr bedanken, die mir zwischen dem Schreiben immer wieder eine willkommene und dringend notwendige Abwechslung ermöglichten. Großer Dank, besonders für ihre Geduld, gilt meinen Freunden, allen voran Kristina, Dietmar, Katrin, Manuel, Marcus und den Mitgliedern der Band nailcross und ihren Fans der ersten Stunde, die ich während dieses Projekts häufig vernachlässigte. Dennoch haben sie mich nicht aufgegeben und mich immer wieder dazu überredet, an dem einen oder anderen Abend den Computer auszuschalten und einmal wieder ordentlich zu feiern. Hagenberg, im März 2010 Michael Roland, MSc

6 Vorwort vii Es ist nicht ganz einfach ein Buch neben einem Vollzeit-Beruf zu schreiben, selbst wenn man eine sehr verständnisvolle Familie hat, wie dies bei mir der Fall ist. Mein ganz besonderer Dank gilt daher meiner lieben Frau Christa, die mich immer ermutigte und mir Kraft für das Schreiben des Buches gab. Ohne Ihre Geduld, Rücksichtnahme und großartige Unterstützung, hätte ich dieses Buchprojekt nicht zu einem erfolgreichen Ende gebracht. Sehr herzlich will ich mich bei meiner Mutter Erna Langer und meiner vor kurzem verstorbenen Großmutter Katharina Stauchner bedanken, die mir immer mit guten Ratschlägen zur Seite standen und mich unterstützen, den richtigen Weg einzuschlagen. Ein herzlicher Dank gilt meinen Brüdern Bernhard und Martin für die fruchtbaren Diskussionen. Nicht zuletzt möchte ich meinen Kindern Niklas, Paul und Lorenz Langer dafür danken, dass sie mich vermisst haben. Sie waren mir nicht nur dringend notwendige Abwechselung sondern haben mir vor allem viel Freude und Glück geschenkt. Sie zeigen mir immer wieder, dass die Familie das wichtigste in meinem Leben ist. Dieses Buch widme ich in Dankbarkeit und im Andenken an meinen leider viel zur früh verstorbenen Vater Josef. Hagenberg, im März 2010 Prof. (FH) Dr. Josef Langer

7 Inhalt 1 Einführung Historische Entwicklung Historische Entwicklung von RFID Historische Entwicklung der Chipkarten Historische Entwicklung von NFC Die NFC-Technologie Das NFC Forum Die ersten Mikrochips, Geräte und Hersteller NFC-ICs Mobiltelefone... 9 Literatur Technische Grundlagen Induktive Kopplung Magnetisches Feld Magnetische Spannung Magnetische Feldstärke Magnetische Flussdichte Magnetischer Fluss Induktivität Gegeninduktivität Kopplungsfaktor Induktion Transformator Schwingkreis Energieversorgung Datenübertragung Modulationsverfahren Codierungsverfahren Datenübertragung vom Lesegerät zum Transponder Datenübertragung vom Transponder zum Lesegerät ix

8 x Inhalt 2.4 Mehrfachzugriffsverfahren Antikollision Literatur Smartcard Technologie Definition: Smartcard Klassifizierung Funktionalität Kommunikationsschnittstelle Physikalische Eigenschaften Identifikationskarten nach ISO/IEC Kontaktbehaftete Chipkarten nach ISO/IEC Kontaktlose Chipkarten nach ISO/IEC Übertragungsprotokolle Kontaktbehaftete Chipkarten nach ISO/IEC Kontaktlose Chipkarten nach ISO/IEC Vergleich der Standards ISO/IEC 7816 und ISO/IEC FeliCa ISO/IEC Aufbau von Smartcards Speicherkarten Prozessorkarten Betriebssysteme Dateisystem Befehle Sicherheit von Smartcard-Mikrochips Klassifizierung von Angriffen Attacken und Schutzmaßnahmen Literatur Beispiele für kontaktlose Chipkarten MIFARE MIFARE Ultralight MIFARE Classic MIFARE Application Directory FeliCa Dateisystem Befehlssatz Literatur NFC-Technologie Einführung und Überblick Normierungsaktivitäten Das NFC Forum Zusammenspiel der Standards und Protokolle... 89

9 Inhalt xi 5.2 Peer-to-Peer-Modus Passiver Kommunikationsmodus Aktiver Kommunikationsmodus Initialisierung und Datenaustausch Logical Link Control Protocol (LLCP) Reader/Writer-Modus Card-Emulation-Modus Arbeitsweise NFCIP Mode Switching Activities Spezifikation Sicherheit Angriffsmöglichkeiten NFCIP-1 Security Services and Protocol (NFC-SEC) Literatur Datenformate NFC-Forum-Tags Type Type Type Type NFC Data Exchange Format (NDEF) NDEF Record NDEF Message MIME Media Types NFC Record Type Definition (RTD) NFC Forum Well-known Types NFC Forum External Types Text Record Type URI Record Type Smart Poster Record Type Generic Control Record Type Signature Record Type Connection Handover Literatur Architektur mobiler NFC-Geräte NFC im Mobiltelefon: Zusammenspiel der Standards Aufbau eines mobilen NFC-Geräts Beteiligte Organisationen NFC-Controller Energieversorgung Secure Element Aufgaben und Anforderungen

10 xii Inhalt Varianten Aufbau und Funktionsweise Lebenszyklus Parallele Verwendung mehrerer Secure Elements Host-/Basisbandcontroller Schnittstellen von Secure Element und NFC-Controller NFC Wired Interface (NFC-WI) Single Wire Protocol (SWP) Host Controller Interface (HCI) NFC Controller Interface (NCI) Softwareentwicklung für mobile NFC-Geräte Java Micro Edition (Java ME) Smartcard Webserver Windows Mobile und andere Betriebssysteme Sicherheitsaspekte Schaltbare NFC-Funktion Verbindung zwischen Secure Element und Hostcontroller Sichere Ein- und Ausgabe Literatur Over-the-Air (OTA) Management Einleitung GlobalPlatform Trusted Service Manager GlobalPlatform Messaging Rollenverteilung Application Developer Application Owner Application Provider Supplementary Security Domain Manager Controlling Authority Card Issuer Cardholder Card Enabler Loader Card Manufacturer IC Manufacturer Platform Owner Platform Developer OTA Deployment Simple Mode Delegated Mode Authorized Mode Anforderungen an einen Trusted Service Manager Infrastruktur Organisation

11 Inhalt xiii Personal Hardware und Software Netzwerk und Kommunikation Literatur Anwendungen der NFC-Technologie Das NFC Forum N-Mark Bezahlen mit NFC Das NFC-Mobiltelefon als Kreditkarte Das NFC-Telefon als Prepaid-Karte Das NFC-Telefon als Debitkarte Öffentlicher Personennahverkehr Prepaid-Tickets im Secure Element SMS-Tickets ohne Secure Element (Wiener Linien) Postpaid-Modell Die Kredit- oder Bankkarte als Fahrkarte Rhein-Main-Verkehrsverbund (RMV) Deutsche Bahn Touch and Travel Hemmnisse und Erfolgsfaktoren Kino- und Konzertkarten Bestellung der Karten Zustellung und Entwertung der Karten Zutritt Hotels Firmengebäude Tourismus-Anwendungen Produktinformationssystem Fotos übertragen mit NFC und Bluetooth McDonald s in Japan Essensservice für ältere Menschen Konferenz- und Eventmanagement Wachdienste Industrieanwendungen Medizinische Anwendungen Datenerfassung für die klinische Forschung Öffentliches Gesundheitswesen in Entwicklungsländern Generische NFC-Plattform Literatur Javaprogrammierung für NFC JSR SATSA-APDU SATSA-JCRMI SATSA-PKI SATSA-CRYPTO

12 xiv Inhalt 10.2 JSR Gemeinsame Schnittstelle PushRegistry und JSR NDEF-Records Secure Element Transaktionen Nokia-Erweiterungen zu JSR Peer-to-Peer-Paket PushRegistry Zugriff auf das Secure Element Literatur Sachverzeichnis

13 Abkürzungen 3DES Triple Data Encryption Standard 3GPP Third Generation Partnership Project ACK Acknowledge ACT Activation Protocol AEE Application Execution Environment 1 AES Advanced Encryption Standard AID Application Identifier APDU Application Protocol Data Unit API Application Programming Interface 2 APSD Application Provider Security Domain ASCII American Standard Code for Information Interchange ASK Amplitude-Shift Keying 3 ATR Answer-to-Reset BIP Bearer Independent Protocol BPSK Binary Phase-Shift Keying 4 BSI British Standards Institution CA Certificate Authority CA Controlling Authority CASD Controlling Authority Security Domain CC Capability Container CCM Card Content Management CDC Connected Device Configuration CDMA Code Division Multiple Access CF Chunk Flag CID Card Identification CKLA Confidential Key Loading Authority 1 allgemeine Ausführungsumgebung für Applikationen. 2 Programmierschnittstelle. 3 Amplitudenumtastung. 4 binäre Phasenumtastung. xv

14 xvi Abkürzungen CL Contactless 5 CLA Class 6 CLDC Connected, Limited Device Configuration CLF Contactless Front-end CLK Clock 7 CLT Contactless Tunneling Protocol COS Card Operating System 8 CPS Carrier Power State CRC Cyclic Redundancy Check CSR Certificate Signing Request CTF Carrier Type Format DES Data Encryption Standard DF Dedicated File DID Device Identifier DMTSD Delegated Mode TSM Security Domain DSAP Destination Service Access Point ECDH Elliptic Curve Diffie-Hellman EDC Error Detection Code 9 EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory EF Elementary File EGT Extra Guard Time EOF End of Frame EPC Electronic Product Code ETSI European Telecommunications Standards Institute etu Elementary Time Unit 10 EU Euroäische Union FDMA Frequency Division Multiple Access FeliCa Felicity Card FID File Identifier FM Frequency Modulation 11 FSK Frequency-Shift Keying 12 GCF Generic Connection Framework 5 kontaktlos. 6 Instruktionsklasse. 7 Takt. 8 Smartcard-Betriebssystem. 9 Fehlererkennungscode. 10 elementare Zeiteinheit. 11 Frequenzmodulation. 12 Frequenzumtastung.

15 Abkürzungen xvii GND Ground 13 GPB General Purpose Byte GPRS General Packet Radio Service GSM Global System for Mobile Communications GSMA GSM Association HCI Host Controller Interface HCP Host Controller Protocol HF Hochfrequenz HSDPA High-Speed Downlink Packet Access HTML Hyper Text Markup Language HTTP Hyper Text Transfer Protocol HTTPS Hyper Text Transfer Protocol Secure I/O Input/Output I 2 C Inter-Integrated Circuit Bus IANA Internet Assigned Numbers Authority IC Integrated Circuit 14 ID Identification IEC International Electrotechnical Commission IL ID Length present INS Instruction 15 ISD Issuer Security Domain ISO International Organization for Standardization IT Information Technology JCOP Java Card Open Platform JCP Java Community Process JCRE Java Card Runtime Environment JCRMI Java Card Remote Method Invocation JCVM Java Card Virtual Machine JIS Japanese Industrial Standard JPEG Joint Photographic Experts Group JSR Java Specification Request JVM Java Virtual Machine LLC Logical Link Control Layer LLCP Logical Link Control Layer Protocol LSB Least Significant Bit/Byte MAC Medium Access Control Layer MAC Message Authentication Code MAD MIFARE Application Directory MB Message Begin ME Message End 13 Masse. 14 integrierte Schaltung. 15 Instruktionscode.

16 xviii Abkürzungen MF Master File MID Mobile Information Device MIDP Mobile Information Device Profile MIFARE Mikron fare collection MIME Multipurpose Internet Mail Extensions MITM Man-in-the-Middle (Attack) MMS Multimedia Message Service MMU Memory Managment Unit MNO Mobile Network Operator 16 MSB Most Significant Bit/Byte NAD Node Address NCI NFC Controller Interface NDEF NFC Data Exchange Format NFC Near Field Communication NFCIP Near Field Communication Interface and Protocol NFC-WI Near Field Communication Wired Interface NRZ-L Non-Return-to-Zero Level NTIP NFC Transfer Interface Packet OMA Open Mobile Alliance OOK On-Off Keying 17 OSI Open Systems Interconnection OTA Over-the-Air OTP One-time Programmable Memory 18 PCB Protocol Control Byte PCD Proximity Coupling Device PDA Personal Digital Assistant PDU Protocol Data Unit PFB Protocol Function Byte PHY Physical Layer 19 PICC Proximity Integrated Cicuit Card PIN Personal Identification Number PKI Public Key Infrastructure POS Point of Sale PPS Protocol and Parameter Selection PSK Phase-Shift Keying 20 RAC Read Access Condition RAM Random Access Memory RF Radio Frequency 16 Mobilfunkbetreiber. 17 Ein-Aus-Tastung. 18 einmal beschreibbarer Speicher. 19 Bitübertragungsschicht. 20 Phasenumtastung.

17 Abkürzungen xix RFC Request for Comments RFID Radio Frequency Identification RMV Rhein-Main-Verkehrsverbund ROI Return of Investment ROM Read-Only Memory RST Reset RTD Record Type Definition RZ Return-to-Zero SAK Select Acknowledge SAT SIM Application Toolkit SATSA Security and Trust Services API SCH Secure Channel Service SCP Smart Card Platform SCWS Smartcard-Webserver SD Secure Digital SDD Single Device Detection SDMA Space Division Multiple Access SE Secure Element SEC Secure Element Controller SHDLC Simplified High Level Data Link Control Protocol SIM Subscriber Identity Module SMAPSD Simple Mode Application Provider Security Domain SMC Secure Memory Card SMS Short Message Service SOF Start of Frame SP Service Provider 21 SPI Serial Peripheral Interface Bus SPU Standard or Proprietary Use SR Short Record SSAP Source Service Access Point SSD Supplementrary Security Domain SSE Shared Secret Service SWP Single Wire Protocol TCP Transmission Control Protocol TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol TDMA Time Division Multiple Access TEE Trusted Execution Environment 22 TLS Transport Layer Security TLV Tag-Length-Value TNF Type Name Format TPDU Transport Protocol Data Unit 21 Dienstanbieter. 22 sichere Ausführungsumgebung für Applikationen.

18 xx Abkürzungen TRNG True Random Number Generator 23 TS Technical Specification 24 TSM Trusted Service Manager TSN Time Slot Number UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter UDP User Datagram Protocol UHF Ultra High Frequency UICC Universal Integrated Circuit Card UID Unique Identifier UMTS Universal Mobile Telecommunications System URI Uniform Resource Identifier URL Uniform Resource Locator URN Uniform Resource Name USB Universal Serial Bus USIM Universal Subscriber Identity Module UTF Unicode Transformation Format UV Ultraviolett VCC Voltage Common Collector 25 VCD Vicinity Coupling Device VDV Verband Deutscher Verkehrsunternehmen VICC Vicinity Integrated Circuit Card VM Virtual Machine WAC Write Access Condition WAP Wireless Application Protocol WKT Well-known Type WLAN Wireless Local Area Network WORM Write once, read multiple XML Extensible Markup Language 23 echter Zufallszahlengenerator. 24 technische Spezifikation. 25 positive Versorgungsspannung.