Introducción a la tarjeta con circuito integrado (página 2)

TIPOS DE TARJETAS CON CIRCUITO INTEGRADO

Las tarjetas con circuito integrado también son llamadas tarjetas inteligentes o tarjetas con chip, sin embargo estos términos no son sinónimos y los distintos tipos de tarjeta se distinguen por el tipo de chip que tienen y la interfaz que usan para comunicarse con el lector.

Hay tres tipos de chips que están asociados con estas tarjetas: solo memoria, cableado lógico y microcontrolador.

Tarjetas con circuito integrado con chip de solo memoria. Estas tarjetas son como bandas magnéticas electrónicas y su objetivo es el suministrar una mayor seguridad que la tarjeta con banda magnética tradicional. Su ventaja sobre las tarjetas con banda magnética es su capacidad de memoria (hasta 16Kbits) y el menor costo que tiene el dispositivo lector/escritor de la tarjeta. Las tarjetas con chip de solo memoria simplemente almacenan datos. Estas tarjetas pueden tener una memoria que no se puede reescribir.

Las primeras versiones eran de solo lectura, baja capacidad (máximo 160 unidades de valor), tarjetas prepago con bajo nivel de seguridad. Versiones más modernas usan memorias de lectura/escritura y esquemas de conteo binario que permite que las tarjetas lleven más de 20000 unidades de valor. Muchas de estas tarjetas tienen esquemas avanzados de autenticación en el chip.

Tarjetas con circuito integrado cableado lógico. Contiene un maquina de estado basado en lógica que suministra encriptación y autenticación de acceso a la memoria y su contenido. Suministra un sistema de archivos estáticos que soporta múltiples aplicaciones, con acceso encriptado al contenido de la memoria opcional. El sistema de archivos y el juego de comandos solo pueden ser cambiados rediseñando la lógica del circuito integrado. Estas tarjetas incluyen variaciones como las I-Class o MIFARE.

Tarjeta con circuito integrado microcontrolador seguro. Estas tarjetas contienen un microcontrolador, un sistema operativo, una memoria lectura/escritura que puede ser actualizada muchas veces. Estas tarjetas contienen y ejecutan lógica y cálculos y almacenan datos de acuerdo con su sistema operativo. Todo lo que necesita la tarjeta para operar es una fuente de poder y un puerto de comunicación. Esta disponible en tarjetas de contacto, no contacto y de interfaz-dual. Este tipo de tarjetas son las que se conocen como tarjetas inteligentes.

Hay dos tipos básicos de interfaz de tarjetas con circuito integrado: las de contacto y las de no contacto. El que sea de contacto o no de contacto se refiere al suministro de corriente y bajo que esquema son transferidos los datos de la tarjeta al dispositivo lector y viceversa. Las tarjetas pueden tener los dos tipos de chips (llamadas hibridas) o que usan una chip de interfaz dual llamado tarjetas "combi".

Tarjeta Inteligente de Contacto. Estas tarjetas requieren ser insertadas en un lector de tarjeta inteligente con una conexión directa a un micromódulo conductivo en la superficie de la tarjeta.

Figura 6. Tarjeta Inteligente de contacto

Tarjeta Inteligente de no contacto. Estas tarjetas deben estar ubicadas cerca del lector (generalmente no superior a 10 centímetros) para que se realice el intercambio de información. El intercambio de información se realiza con ondas de radio frecuencia, esta comunicación se logra con una antena interna tanto en la tarjeta como en el lector.

Figura 7. Tarjeta Inteligente de no contacto

Tarjeta Inteligente Híbrida. Estas tarjetas contienen dos chips en las tarjetas, una que soporta la interfaz de contacto y otra que soporta la interfaz de no contacto. Por lo general los chips contenidos en la tarjeta no están conectados entre sí.

Tarjeta Inteligente de interfaz dual. Estas tarjetas contienen un solo chip que soporta los dos tipos de interfaz, los de contacto y los de no contacto, permitiendo el acceso a la información por cualquiera de las dos vías.

TIPOS DE MEMORIAS USADAS EN LAS TARJETAS INTELIGENTES

Memoria de sólo lectura – ROM. Contiene el sistema operativo del circuito integrado. El sistema operativo o el juego de comandos controla todas las comunicaciones entre el chip el dispositivo lector. El sistema operativo controla el acceso a los archivos del sistema o applets. La memoria es escrita durante su producción por el productor manufacturero y una vez escrito, no puede ser alterado.

Memoria de sólo lectura programable y borrable – EEPROM. Es una memoria no volátil y es memoria lectura/escritura para el almacenamiento de datos. El acceso a la memoria EEPROM es controlado por el sistema operativo del circuito integrado. La memoria puede contener 128 Kbytes de memoria con el potencial para más de 256 Kbytes.

La memoria puede contener datos como el numero de identificación personal (PIN) que solo puede ser acezado por el sistema operativo, otros datos, como el numero serial de la tarjeta, pueden ser escritos en la memoria EEPROM durante su fabricación. EEPROM es típicamente usado para aplicaciones de datos y para ciertas funciones filtradas. La mayoría de las memorias EEPROM son usadas para almacenar datas como registros biométricos, datos financieros, tarjetas de pago, información demográfica y registro de transacciones. La memoria puede ser programada o borrada de decenas hasta cientos de miles de veces.

Memoria de acceso aleatoria – RAM. Es una memoria volátil, usada para almacenamiento temporal de registros por el microcontrolador.

Memoria RAM ferroeléctrica – FRAM (También llamada Fe-RAM). Es otro tipo de memoria no volátil. Esta memoria puede leer datos cientos de veces más rápido a bajo voltaje. Esta memoria combina la velocidad de lectura y escritura de una memoria dinámica RAM con la de almacenar datos cuando se apaga la fuente de poder. Como es una memoria rápida con bajos requerimientos de poder, tiene muchas aplicaciones en dispositivos de pequeños consumidores. FRAM es más veloz que una memoria flash. Se espera que remplace las memorias EEPROM y SRAM para algunas aplicaciones y tiene el potencial para convertirse en una componente clave en aplicaciones inalámbricas futuras.

Memorias Flash. Es un tipo de memoria permanentemente energizada, no volátil que puede ser borrada y reprogramada en unidades de memoria llamadas bloques. Las memorias flash son menos costosas que las memorias EEPROM, pero no puede ser programada y borrada tantas veces y por lo general no puede programarse o borrarse bytes sencillos de memoria.

SELECCIÓN DE UNA TARJETA INTELIGENTE

Las tarjetas inteligentes son más costosas y complejas que otras tecnologías usadas para la identificación de personas. Sin embargo las tarjetas inteligentes tienen capacidades especificas que otras tecnologías no proveen, incluyendo características de seguridad que evitan el robo de identidad. Durante la selección se debe determinar que características suministran suficiente valor agregado para justificar el precio y el costo de oportunidad asociado con la implementación. La capacidad de la tarjeta es finita, aunque esta en aumento.

Portabilidad. Las tarjetas con CI permiten transportar la información a cualquier locación física que se desee. La tarjeta permite que la información se mueva con el cliente entre los proveedores. La información puede ser acezada donde sea y cuando quiera que sea necesario. Las tarjetas suministran distintos niveles de seguridad que garantizan la integridad de los datos.

Las tarjetas están diseñadas para administrar la protección de interceptaciones ilícitas, modificación o sustitución. Las tarjetas permiten el compartir información entre distintos sistemas, así como permite mover información entre aplicaciones.

Autenticación de la Identidad / seguridad de la información. Suministrando mecanismos para la autenticación segura de identidad a través de certificados digitales y/o plantillas biométricas. Cuando una Las tarjetas con CI por si misma es usada para realizar la verificación de identidad uno-a-uno en vez de a través de un equipo externo, un mayor grado de confidencialidad y seguridad de la verificación de la credencial se logra.

Llenado automático de formularios. Las tarjetas suministran la capacidad de llenar formularios con datos que se llevan en la tarjeta, reduciendo la captura redundante de datos.

Habilitador de multi-aplicaciones. Más de una aplicación puede residir en la plataforma de la tarjeta.

Actualización de aplicaciones. La construcción de las tarjetas con CI con plataformas abiertas son dinámicas y nuevas aplicaciones e incluso estructuras de datos aún después de haber sido emitidas pueden ser insertadas en las tarjetas.

Soporte para múltiples tecnologías. Las tarjetas soportan diferentes tecnologías e interfaces. Los chips pueden estar enveidos en tarjetas de proximidad y pueden ser combinadas con otras tecnologías como banda magnética y código de barras. Tecnologías como infraestructura de llave publica (PKI) o biométricos pueden ser adicionadas a las funcionalidades de la tarjeta.

Arquitectura de Red. El siguiente diagrama es un ejemplo conceptual de la arquitectura de la red que se requiere en un sistema que utilice tarjetas con circuito integrado, la existencia o no de ciertos componentes de la red, dependen de las necesidades específicas del usuario.

Figura 8. Ejemplo conceptual de arquitectura de red

CARACTERÍSTICAS TARJETA CON CIRCUITO INTEGRADO DE CONTACTO

La norma ISO7816 estableció las características que deben cumplir las tarjetas con circuito integrado, en cuanto a las características físicas de la tarjeta, dimensiones, ubicación de los contactos, definición de los protocolos de señales eléctricas y su transmisión.

Figura 9. Tamaño mínimo del contacto

Figura 10. Ubicación de los contactos

Figura 11. Asignación de contactos

Tabla 1. Asignación Contactos

Convenciones:

Vih : Nivel de voltaje de entrada alto

Vil : Nivel de voltaje de entrada bajo

Vcc : Fuente de suministro de voltaje en Vcc

Vpp : Voltaje programado en Vpp

Voh : Nivel de voltaje de salida alto

Vol : Nivel de voltaje de salida bajo

tr : Tiempo de levantamiento entre 10% y 90% de la amplitud de señal

tf : Tiempo de caída entre 90% y 10% de la amplitud de señal

Iih: Nivel alto de corriente de entrada

Iil : Nivel bajo de corriente de entrada

Icc: Suministro de corriente en Vcc

Ipp: Corriente de programación en Vpp

Ioh: Nivel alto de corriente de salida

Iol: Nivel bajo de corriente de salida

Cin: Capacitancia de entrada

Cout: Capacitancia de salida

Contacto 7 – Entrada/Salida (I/O)

Este contacto es usado como entrada (modo recepción) o salida (modo transmisión) para intercambio de datos, existen dos posibles estados para I/O:

• marca o estado alto (estado Z), si la tarjeta y el dispositivo de interfaz están en modo recepción o si el estado es impuesto por el transmisor.
• Espacio o estado bajo (estado A), si este estado es impuesto por el transmisor

Cuando los dos finales de la línea están en modo de recepción, la línea debe mantenerse en estado Z, cuando los dos finales están en modo de transmisión no-iguales, el estado de la línea debe ser intermedio. Durante las operaciones, el dispositivo de interfaz y la tarjeta no deben estar ambos en modo de transmisión.

Tabla 2. Características Eléctricas de I/O bajo condiciones normales de operación.

Contacto 6 – Vpp

Este contacto puede proporcionar el voltaje exigido para programar o borrar la memoria no-volátil interior. Existen dos posibles estados para Vpp; Estado ocioso y estado activo. Se debe mantener el estado ocioso por el dispositivo de interfaz hasta que el estado activo es requerido

Tabla 3. Características Eléctricas de Vpp bajo condiciones normales de operación.

Levantamiento de tiempo de caída: 200m s máximo. La rata de cambio de Vpp no debe exceder 2V/m s. El máximo poder Vpp*Ipp no debe exceder 1.5W cuando el periodo sobre cualquier periodo de 1s.

Contacto 3 – Reloj (CLK)

La frecuencia actual, entregada por el dispositivo de interfaz en CLK, es designado igual por Fi la frecuencia inicial durante la respuesta a reinicializar, o por el fs la frecuencia subsiguiente durante la transmisión subsiguiente.

El ciclo de trabajo para operaciones asíncronas debe estar entre 45% y 55% del periodo durante una operación estable. El cuidado se debe tener cuando se cambian frecuencias (de fi a fs) para asegurarse que el pulso no sea inferior al 45% del periodo más corto.

Tabla 4. Características Eléctricas de CLK bajo condiciones normales de operación.

Contacto 2 – Reinicializar (RST)

Tabla 5. Características Eléctricas de RST bajo condiciones normales de operación.

Contacto 1 – Vcc

Este contacto es usado para suministrar el voltaje Vcc

Tabla 6. Características Eléctricas de Vcc bajo condiciones normales de operación.

Características Física de la Tarjeta

La Norma ISO 7816 especifica las características físicas de tarjetas de identificación incluso los materiales de la tarjeta, la construcción, características, y dimensiones para cuatro tamaños de tarjetas.

Esta Norma Internacional especifica los requisitos para tarjetas usadas para la identificación. Tiene en la cuenta ambos aspectos el humano y de la máquina y los requisitos mínimos de los estados.

Las tarjetas flexibles delgadas no están dentro del alcance de esta norma internacional.

Tipos de tarjetas:

ID-1 nominalmente 85,60 mm ancho por 53,98 mm alto por 0,76 mm espesor

ID-2 nominalmente 105,00 mm ancho por 74,00 mm alto por 0,76 mm espesor

ID-3 nominalmente 125,00 mm ancho por 88,00 mm alto por 0,76 mm espesor

ID-000 nominalmente 25 mm ancho por 15 mm alto por 0,76 mm espesor

Figura 12. Posicionamiento del chip en la tarjeta inteligente

Nota 1: La definición del frente de la tarjeta es tecnología dependiente. Por ejemplo tarjetas que soportan contactos ICC o relieve siempre tienen esta tecnología en el frente de la tarjeta, y la banda magnética siempre aparece en la parte de atrás. No todas las tecnologías de tarjeta necesitan definir el frente de la tarjeta.

Nota 2: Las tolerancias no pueden aplicarse a materiales no-plásticos

Opacidad, tarjeta tamaño ID-1

Toda maquina lectora de tarjeta deberá tener una densidad de transmisión óptica superior a 1.3 para el rango de 450nm a 950nm, y superior a 1.1 para el rango de 950nm a 1000nm en todas las áreas de la tarjeta excepto en el área c y área d como se muestra en la figura. El área c y d deben ser ópticamente transparentes y no tienen una densidad óptica de transmisión especificada.

Nota 1: Esta característica es requerida para aplicaciones en donde la presencia de la tarjeta es detectada por su atenuación de luz transmitida entre la fuente y el sensor.

Nota 2: no habrá ningún requisito de opacidad para el rango de 450 nm-850 nm en la próxima revisión de ISO/IEC 7810. Hasta entonces, es posible que un número limitado de terminales no puedan detectar tarjetas que tienen un rango más bajo que el especificado en la frecuencia de rango de los 450 nm-850 nm.

Figura 13. Áreas en tarjetas de tamaño ID-1 sin especificaciones de opacidad

Figura 14. Relación de tamaño entre tarjetas ID-000 y ID-1

Figura 15. Límites área de alivio

Nota: La tarjeta de tamaño ID-000 puede ser asegurada a la tarjeta de tamaño ID-1 por algún número de puentes o cuerdas alrededor del perímetro de la tarjeta de tamaño ID-000 (3 es común)

Nota: Capacidad de marco igual FSC+Marco ID+Dato+CRC, Datos igual bytes por marco * byte por byte. Capacidad de Track igual Marcos+FSC.

Tabla 7. Capacidad de datos en tarjetas

OPERACIÓN CON TARJETAS CON CIRCUITO INTEGRADO

El diálogo entre la tarjeta y el dispositivo de interfaz debe ser conducido a través de los siguientes pasos:

• Conexión y activación de los contactos por la interfaz del dispositivo.
• Reinicializar la tarjeta.
• Respuesta al restablecimiento por la tarjeta.
• Intercambio subsiguiente de información entre la tarjeta y el dispositivo de interfaz.
• Desactivación de los contactos por la interfaz del dispositivo.

Nota: Un estado de activación Vpp no debe ser suministrado y mantenido solo cuando lo requiere la tarjeta.

Conexión y activación de contactos

Los circuitos eléctricos no deben ser activados hasta que los contactos sean conectados a la interfaz del dispositivo para evitar posibles daños a las tarjetas que se sometan al estándar ISO 7816.

La activación de los contactos por la interfaz del dispositivo debe seguir los siguientes pasos:

• Reinicializar (RST) está en estado L
• Vcc debe ser inicializado.
• Entrada/Salida (I/O) en la interfaz del dispositivo debe ponerse en modo de recepción.
• Vpp debe ser elevado a estado de reposo.
• Reloj (CLK) debe ser suministrado con un reloj equipado y estable.

Reinicializar la tarjeta

Un restablecimiento de tarjeta es inicializado por la interfaz del dispositivo, donde la tarjeta debe responder:

Transmisión asíncrona: Los caracteres son transmitidos en la línea I/O en modo halfduplex asíncrono. Cada carácter incluye un byte de 8 bits.

Transmisión síncrona: Una serie de bits son transmitidos en la línea I/O en modo halfduplex en sincronización con la señal del reloj en CLK

Para el final de la activación de los contactos (RST es en L, Vcc inicializado y estable, I/O en modo de recepción en la interfaz del dispositivo, Vpp estable y en nivel de reposo, CLK entregado con un reloj equipado y estable), la respuesta asíncrona de la tarjeta esta lista para reinicializar.

La señal del reloj se aplica a CLK en el momento T0. La línea I/O se declarará al estado Z dentro de 200 ciclos de reloj de la señal del reloj (t2) aplicado al CLK (tiempo t2 después de T0).

Una tarjeta con un reinicializar activo bajo es restablecido manteniendo RST en estado L por al menos 40000 ciclos de reloj (t3) después de que la señal de reloj es aplicada en CLK (tiempo t3 después de T0). Así si no se recibe respuesta para el inicio del restablecimiento antes de los 40000 ciclos del reloj (t3) con RST en estado L, RST será puesto en estado H (en tiempo T1). La respuesta a reinicializar en I/O debe empezar entre 400 y 40000 ciclos de reloj (t1) después de que el borde creciente de la señal en RST (tiempo t1 después de T1).

Si la respuesta al restablecimiento no empieza dentro de los 40000 ciclos de reloj (t3) con RST en estado H (t3 después de T1), la señal en RST debe retornar a estado L (en tiempo T2) y los contactos deben desactivarse por la interfaz del dispositivo

Figura 16. Restablecimiento de la tarjeta

Con una tarjeta respondiendo sincrónicamente, el dispositivo de interfaz pone todas las líneas en estado L. Vcc es energizado, Vpp se pone en estado de reposo, CLK y RST permanecen en estado L, I/O es puesto en estado de recepción en la interfaz del dispositivo, RST debe mantenerse en estado H por al menos 50m s (t12), antes de regresar al estado L nuevamente.

El pulso del reloj es aplicado después de un intervalo (t10) del levantamiento del borde de la señal de restablecimiento. La duración del estado H del pulso del reloj puede tener cualquier valor entre 10m s y 50m s; no más de un pulso de reloj durante el restablecimiento en alto pude ser permitido. El intervalo de tiempo entre la caída del borde en CLK y RST es t11.

El primer bit de dato es obtenido como una respuesta al restablecimiento en I/O cuando CLK esta en estado L y es valido después del intervalo t13 de la caída del borde en RST.

Figura 17. Restablecimiento de la tarjeta cuando una respuesta síncrona es esperada

Nota:

2. El estado interno de la tarjeta se asume que no esta definido antes del restablecimiento.
3. En orden a continuar el dialogo con la tarjeta, RST debe mantenerse en el estado donde una respuesta en I/O ocurra.
4. El restablecimiento de la tarjeta se puede inicializar por el dispositivo de interfaz a su discreción en cualquier momento.
5. Dispositivos de interfaz pueden soportar una o más de estos tipos de comportamiento de restablecimiento.

Desactivación de contactos

Cuando el intercambio de información es terminado o abortado, los contactos eléctricos deben ser desactivados.

La desactivación por el dispositivo de interfaz debe consistir en una serie de operaciones consecutivas.

• Estado L en RST
• Estado L en CLK
• Vpp inactivo
• Estado A en I/O
• Vcc inactivo

Respuesta a reinicializar

Hay dos tipos de transmisiones consideradas

Transmisión asíncrona: Los caracteres son transmitidos en la línea I/O en modo halfduplex asíncrono. Cada carácter incluye un byte de 8 bits.

Transmisión síncrona: Una serie de bits son transmitidos en la línea I/O en modo halfduplex en sincronización con la señal del reloj en CLK

Respuesta a un restablecimiento de transmisión asíncrona

Duración de bit: La duración nominal de bit usado en I/O es definido como una unidad de tiempo elemental (etu).

Para tarjetas que tienen reloj interno, el etu inicial es 1/9600 s.

Para tarjetas que usan reloj externo, hay una relación lineal entre la etu usada en I/O y el periodo suministrado por la interfaz de dispositivo en CLK.

La etu inicial es 372/fi s donde fi es en Hertz.

La frecuencia inicial fi es suministrada por la interfaz del dispositivo en CLK durante la respuesta a reinicializar.

En orden para leer el carácter inicial (TS), todas las tarjetas deben inicialmente ser operadas con fi en el rango de 1MHz a 5 MHz.

Marco del carácter durante la respuesta a reinicializar: Antes de la transmisión de un carácter, I/O debe estar en estado Z.

Un carácter esta compuesto por 10 bits consecutivos:

• Un bit inicial en estado A
• Ocho bits de información, designados ba a bh y llevando un byte de datos
• Un décimo bit bi usado para verificar la paridad.