Tecnologia NFC - Near Field Communication: Note Tecniche

La tecnologia NFC è un nuovo sistema wireless basato sull’RFID e su altre tecnologie di identificazione ed interconnessione contactless, che sta rapidamente prendendo piede all’interno del mercato. Ecco alcune note tecniche riguardo alle modalità operative ed alle relative architetture.


	Tecnologia	RFID HF passiva (13,56 MHz)
	Data/Revisione	Febbraio 2014 / rev. 1.0 –
	Riferimenti	Controller RFID HF NFC

La tecnologia NFC è un nuovo sistema wireless basato sull’RFID e su altre tecnologie di identificazione ed interconnessione contactless. Opera alla frequenza di 13,56 MHz e può trasferire dati fino a 424 Kbit al secondo.

Di seguito le caratteristiche tecniche ed architetturali per ognuna delle tre modalità operative implementate dalla tecnologia NFC. Al termine, è possibile vedere una panoramica riguardo alla struttura di uno smartphone con tecnologia NFC integrata.

[learn_more caption=”Read/Write Mode – Clicca qui” state=”close”]

La modalità Read\Write prevede la comunicazione fra un Device ed un Tag, per la lettura/scrittura di dati sul Tag da parte del Device. L’NFC Forum specifica l’architettura del Device in Read/Write Mode attraverso questo stack protocollare:

Analog: livello fisico
Digital Protocol: Protocollo di basso livello definito all’interno dello standard NFCIP 1 e 2. Esso prevede tre parti:
- NFC-A che comprende lo standard RFID ISO/IEC 14443-3 Type A nelle sue specifiche di basso livello
- NFC-B che comprende lo standard RFID ISO/IEC 14443-3 Type B nelle sue specifiche di basso livello
- NFC-F che comprende lo standard FeliCa JIS X 6319-4 (o almeno alcune parti di questo standard che sono incorporate all’interno di quello ISO/IEC 18092) nelle sue specifiche di basso livello
Type 1-4 Tag Operation: comandi ed istruzioni utilizzati dal Device per dialogare con le quattro categorie di Tag, corrispondenti alle diverse tecnologie RFID utilizzate.
NDEF Applications: applicazioni come Smart Poster, vCard, ecc.. basate sull’utilizzo dell’NDEF (NFC Data Exchange Format).
Non NDEF Applications: Applicazioni particolari che non utilizzano le specifiche NDEF.

I dati applicativi sono memorizzati all’interno del Tag NFC in un certo modo. Per prima cosa il dato è incapsulato all’interno di un messaggio NDEF, ed in seconda battuta nelle strutture di memoria specifiche della singola tipologia di tag (Type 1-4). Il messaggio NDEF e l’utilizzo delle tipologie di tag definite dall’NFC Forum sono usate per identificare il tipo di dato applicativo (Url, vCard, immagine Jpeg, ecc…) e garantire l’interoperabilità e la co-esistenza fra le diverse applicazione e Device. Un Tag NFC viene perciò costruito, per esempio, in questo modo:

Le specifiche NDEF definiscono una modalità di formattazione/incapsulamento dei dati all’interno di un messaggio, per lo scambio di informazioni fra il Device ed il Tag.

Un messaggio NDEF può contenere uno o più “payload” di tipo e dimensione arbitraria. Un payload può inoltre esser incapsulato all’interno di un singolo record NDEF oppure spezzato su più record NDEF. I dati applicativi possono perciò essere contenuti in uno o più payload. Ogni payload è descritto da un tipo (URI, MIME media type, ecc..) e da un identificativo opzionale (che permette l’associazione fra payload multipli). Un record NDEF è costruito in questo modo:

I Tag NFC si basano su prodotti attualmente esistenti e disponibili sul mercato. La relazione è riassunta in questa tabella:

In aggiunta a queste tipologie standard, NXP ha definito delle proprie linee guida per utilizzare i tag della famiglia MIFARE Classic come Tag NFC. Utilizzando queste particolari specifiche è possibile memorizzare i messaggi NDEF,
garantendo la co-esistenza e l’interoperabilità fra Device NFC in grado di operare con questa specifica famiglia di tag. La relazione è riassunta dalla seguente tabella:

Specifiche sono state rilasciate da NXP anche per i tag ISO 15693 ICODE.

I Tag NFC per essere tali devono essere formattati secondo le specifiche. La formattazione è una procedura che consiste nell’invio di una sequenza di comandi al tag al fine di configurarne le funzionalità e le strutture dati interne. La formattazione dei tag può essere effettuata al momento della produzione oppure successivamente, da un Device (per esempio uno smartphone), al loro primo utilizzo.

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[learn_more caption=”Peer to Peer Mode – Clicca qui” state=”close”]

La modalità Peer-to-peer permette a due Device con tecnologia NFC di scambiarsi informazioni quali ad esempio un contatto, un messaggio, o qualsiasi altro tipo di dato. In peer-to-peer mode, entrambi i Device sono “attivi”; i dati sono inviati su un
canale di comunicazione bidirezionale di tipo half-duplex (quando un dispositivo trasmette, l’altro deve restare in ascolto, e può iniziare una trasmissione solo dopo che il primo ha terminato).La massima velocità di trasmissione dati è 424 kbps. L’architettura di questa modalità può essere vista nella figura sottostante:

Questa modalità ha uno stack protocollare che prevede, a livello base, lo standard NFCIP-1 (ISO/IEC 18092) ed al livello superiore lo standard LLCP.

L’NFCIP-1 si basa su un modello “initiator – target” in cui i due attori della comunicazione (chi inizia la comunicazione e chi riceve) sono definiti a priori nella comunicazione. A livello LLCP, tuttavia, i due device con tecnologia NFC agiscono identicamente all’interno della comunicazione. Dopo un handshake iniziale, le decisioni sono prese a livello applicativo dal software in esecuzione su entrambi i Device.

Ai livelli superiori le applicazioni possono essere sviluppate per scambiarsi informazioni utilizzando il protocollo NDEF, mentre a livello inferiore i dati sono trasmessi con il protocollo LLCP come OBEX e IP.

LLCP (Logical Link Control Protocol) definisce un protocollo OSI di scambio dati fra i Device NFC. È essenziale per qualsiasi applicazione NFC che gestisce una comunicazione bidirezionale. La relazione fra il modello dell’NFC Forum ed il modello ISO/OSI può essere vista in figura.

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[learn_more caption=”Card Emulation Mode – Clicca qui” state=”close”]

In Card Emulation Mode, un Device con tecnologia NFC può emulare un tag ISO 14443 oppure una Smart card. L’architettura di questa modalità può essere vista in figura.

I Device con tecnologia NFC che operano in Card Emulation Mode utilizzano, a livello fisico, gli stessi protocolli utilizzati dalle Smart Card, e sono completamente compatibili con questi standard. Lo stack protocollare previsto è il seguente:

Durante la comunicazione fra il Device NFC Target che effettua l’emulazione ed il Device Initiator, quest’ultimo interagisce con le applicazioni presenti all’interno del chip Smart Card del Target chiamato “Secure Element” (SE).

È importante notare la differenza fra una “Smart Card” contactless ed un “Tag NFC“:

Un Tag NFC è un transponder che ha un certo tipo di memoria e contiene dei dati formattati secondo le specifiche NDEF.
Una Smart Card può essere molto più che un Tag NFC. Può contenere, per esempio, delle applicazioni per il pagamento (credito/debito), applicazioni di ticketing per il trasporto pubblico, ecc… Queste applicazioni esistevano anche prima dell’NFC. Non utilizzano il formato NDEF per lo scambio e la memorizzazione dei dati. Utilizzano un proprio protocollo (per esempio EMV per le carte di credito). Spesso utilizzano delle speciali funzioni di sicurezza.

Come detto, la modalità Card Emulation consente di simulare una Smart Card contactless (e non un Tag NFC, anche se potrebbe essere utilizzata come tale). I dispositivi che tipicamente effettuano la Card Emulation sono i telefoni cellulari (smartphone). L’emulazione in genere non viene effettuata dal processore NFC all’interno del Device, ma da un componente hardware dedicato (SE – Secure Element). L’SE può essere integrato all’interno del controller NFC, oppure è possibile utilizzare una speciale UICC (SIM card) che supporti il protocollo SWP (Single Wire Protocol, un interfaccia disegnata per la comunicazione fra il controller NFC e l’UICC).

L’SE è un ambiente “protetto”, e l’installazione di applicazioni proprietarie non è semplice. È necessario avere l’autorizzazione del produttore del dispositivo, in particolare del produttore del sistema operativo installato all’interno di esso. Perciò, in uno smartphone, è il produttore dello stesso che decide chi può avere accesso all’SE oppure no. Nel caso dell’UICC è l’operatore telefonico che decide questo.

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[learn_more caption=”Architettura di uno smartphone abilitato NFC – Clicca qui” state=”close”]

Uno smartphone con tecnologia NFC è composto tipicamente da vari circuiti integrati, una o più SE ed un’interfaccia NFC. Il sistema si compone dei seguenti elementi:

NFC Contactless Front-End (NFC CLF)
Un’antenna RFID
NFC Controller per le transazioni NFC

Oltre al controller NFC, uno smartphone con tecnologia NFC ha almeno un SE che è connessa all’NFC controller per effettuare transazioni di prossimità sicure con un Device NFC esterno. L’SE permette la memorizzazione sicura di dati privati e di valore, come le informazioni della carta di credito dell’utente, e l’esecuzione sicura di servizi abilitati dall’NFC quali i pagamenti contactless. I protocolli di scambio dati utilizzati fra l’SE e l’NFC controller sono l’SWP e l’NFC-WI (NFC Wired Interface). L’SE può essere acceduta e controllata dall’host controller internamente come dal campo RF esterno. L’host controller è il cuore di qualsiasi smartphone. L’HCI (Host Controller Interface) crea un ponte fra l’NFC controller e l’host controller. L’host controller setta le modalità operative dell’NFC controller attraverso l’HCI, processa i dati inviati e ricevuti e stabilisce la connessione fra l’NFC controller e l’SE.