Was ist RFID? Alles, was Sie wissen müssen

In der heutigen Welt ist die Fähigkeit, schnell und einfach auf große Informationsmengen zuzugreifen, zweifellos von großem Wert. Jedes Jahr werden neue Entwicklungen vorangetrieben, um praktische und kompakte Speichermedien zum Speichern, Übertragen und Schützen bestimmter Daten zu schaffen.

Die Menschheit hat heute einen großen Schritt ins digitale Zeitalter gemacht und fast jedem den Zugang zum Internet ermöglicht. Von alten handgeschriebenen Büchern über Dokumente bis hin zu Geld wird alles digitalisiert. Immer weniger Bargeld wird verwendet, stattdessen werden kontaktlose Bankkarten bevorzugt. Behörden sprechen immer häufiger über die Einführung elektronischer Reisepässe, mit denen sich alle Informationen über eine Person mit nur zwei Klicks abrufen lassen. Man muss nicht mehr stundenlang anstehen, um ein oder mehrere Dokumente zu erhalten – die Beantragung erfolgt einfach online. Es ist unbestreitbar, dass diese Veränderungen das Leben der Menschen erleichtern. Und diese Annehmlichkeiten beschränken sich nicht nur auf Dokumente. Sie betreffen ganze Branchen.

In diesem Artikel werden wir die RFID-Indexierung besprechen – eine Technologie, die in Dutzenden von Branchen weit verbreitet ist und, was am wichtigsten ist, die fast jeden Tag von jedem von Ihnen verwendet wird.

Was ist RFID und wozu dient es?

RFID (Radiofrequenzidentifikation) bedeutet Identifizierung mittels Funkfrequenzen. Anders ausgedrückt: Es handelt sich um eine Methode zur Identifizierung von Objekten, bei der Funksignale Informationen auf RFID-Tags (auch Transponder genannt) aufzeichnen oder auslesen.

RFID bezeichnet ein drahtloses System, das aus zwei Komponenten besteht: einem Tag und einem Lesegerät. Das Lesegerät verfügt über eine oder mehrere Antennen, die Radiowellen aussenden und Signale vom RFID-Tag empfangen.

 RFID-Tags können vielfältige Informationen speichern, von einer einzelnen Seriennummer bis hin zu mehreren Datenseiten. Die Lesegeräte können mobil sein (daher der Name „Transponder“), sodass sie in der Hand getragen oder an einem Mast oder über Kopf montiert werden können. 

RFID-Transponder sind prinzipiell in nahezu allen Formen, Materialien, Größen und Farben erhältlich. Ihre spezifische Bauweise hängt von ihrem Anwendungszweck ab. Allen RFID-Transpondern ist gemeinsam, dass sie aus zwei Komponenten bestehen. Jeder RFID-Transponder enthält mindestens einen Mikrochip und eine gedruckte, gestapelte oder geätzte Antenne. Chip und Antenne (auch Insert genannt) sind sehr empfindlich, wodurch ihre Beständigkeit gegenüber mechanischen, thermischen und chemischen Einflüssen begrenzt ist. Daher ist eine spezielle Verpackung dieser elektronischen Komponenten erforderlich. Die einfachste Verpackungsform ist ein RFID-Etikett.

 Ein „Single-Chip“-Transponder besteht aus einem Substrat mit einer Antenne und einem Chip (kurz für „Tab“). Das Transpondersystem umfasst das Lesegerät, die Software und den Antragsprozess inklusive des zugehörigen Dienstes.

RFID-Typ

Nach Art der Stromversorgung

Es gibt zwei Haupttypen von Transpondern – aktive und passive. 

Aktive RFID-Transponder verfügen über eine eigene Stromversorgung, z. B. eine eingebaute Batterie, und können Daten über große Entfernungen (bis zu 100 m) übertragen. 

Passive RFID-Transponder beziehen die Energie für die Datenübertragung ausschließlich aus dem elektromagnetischen Feld des RFID-Lesegeräts.

Darüber hinaus gibt es einen Zwischentyp, die halbaktiven oder halbpassiven Transponder. Diese verfügen zwar über eine eigene Stromversorgung, fungieren aber selbst nicht als Sender. Der RFID-Transponder wird über eine Batterie mit Strom versorgt und ist daher nicht auf die Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes angewiesen. Die Antwort wird durch Feldmodulation erzeugt, die das Feld nicht weiter verstärkt.

Je nach Art des verwendeten Speichers

RO (Nur lesbar) – Bei diesen Tags werden die Informationen nur einmal geschrieben. Sie eignen sich hervorragend zur einmaligen Identifizierung.

WORM (Write Once Read Many) – enthält einen Block von einem einzigen beschreibbaren Speicherbereich, der viele Male gelesen werden kann.

RW (Read and Write) – Transponder, die viele Male beschrieben und gelesen werden können.

Nach Betriebsfrequenz

Niederfrequenz (LF = 125 kHz)

Dieses frei verfügbare Frequenzband zeichnet sich durch niedrige Übertragungsraten und kurze Reichweiten aus. Die Einrichtung solcher Systeme ist in den meisten Fällen kostengünstig und einfach und erfordert weder Registrierung noch zusätzliche Gebühren. RFID-Transponder nutzen elektromagnetische Nahfeldwellen und beziehen ihre Energie induktiv. Der Vorteil von RFID-Transpondern in diesem Frequenzband liegt in ihrer relativen Unempfindlichkeit gegenüber Metallen und Flüssigkeiten, wodurch sie sich für die Identifizierung von Tieren und Menschen eignen. Kollisionen sind charakteristisch für diese Transponder – Übertragungsfehler einzelner Signaturen in gemeinsam genutzten Umgebungen.

Hochfrequenz (HF 13.56 MHz)

Hochfrequenz-Transponder sind universell einsetzbar und zeichnen sich durch hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und hohe Taktfrequenzen aus. Die entsprechenden RFID-Transponder arbeiten mit einer Frequenz von 13.56 MHz. Dies entspricht einer kurzen Wellenlänge und erfordert nur wenige Spulen der Antenne. Dadurch können RFID-Antennen kleiner und einfacher gestaltet werden. Dies ermöglicht den Einsatz geätzter oder gedruckter Antennen, wodurch Inlays (Chip + Antenne) als durchgehende Spule gefertigt werden können. Dies vereinfacht die Weiterverarbeitung erheblich, insbesondere bei der Fertigung einer großen Anzahl von Produkten in einem Serienfertigungsprozess.

Ultrahochfrequenz (UHF 860 – 950 MHz, unterteilt in Teilbänder)

Diese Systeme zeichnen sich durch sehr hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und Reichweiten aus. Aufgrund der kürzeren Wellenlängen genügt ein Dipol als Antenne anstelle einer Spule. Für die Strahloptik ist eine ausreichende Feldaufweitung gegeben, die wiederum eine gezielte Ausbreitung ermöglicht. Darüber hinaus werden UHF-Transponder meist in Folienform gefertigt, was die Handhabung großer Mengen im Rollenspielprozess erleichtert. 

Erwähnenswert ist in diesem Zusammenhang auch, dass einige Frequenzbänder im Mikrowellenspektrum noch nicht wirtschaftlich rentabel sind und darüber hinaus lokalen Genehmigungsbeschränkungen unterliegen können. 

Anwendung von RFID

Vielleicht sollten wir Anwendungen im medizinischen Bereich in Betracht ziehen.

RFID-Systeme nutzen Radiowellen auf verschiedenen Frequenzen zur Datenübertragung. In medizinischen Einrichtungen und Krankenhäusern werden RFID-Technologien unter anderem für folgende Anwendungen eingesetzt:

• Bestandsverwaltung
• Geräteverfolgung
• Bettseitige Ausstiegserkennung und Sturzerkennung
• Personalverfolgung
•  Sicherstellen, dass Patienten die richtigen Medikamente und medizinischen Geräte erhalten.
• Verhinderung des Vertriebs gefälschter Medikamente und Medizinprodukte.
• Patientenüberwachung.
• Bereitstellung von Daten für elektronische Patientenaktensysteme
• Branche 
• Transport- und Lagerlogistik, Diebstahlprävention;
• Zugangskontroll- und Managementsysteme
• Gepäckmanagementsysteme
• Pässe

Der FDA sind keine Nebenwirkungen im Zusammenhang mit RFID bekannt. Es bestehen jedoch Bedenken hinsichtlich der potenziellen Gefahr elektromagnetischer Störungen (EMI) für elektronische Medizinprodukte durch Funksender wie RFID. Elektromagnetische Störungen bezeichnen die Beeinträchtigung von Geräten oder Systemen (z. B. Medizinprodukten) durch elektromagnetische Einflüsse.

Vorteile der Nutzung der Technologie

• Jeder Chip verfügt über eine eindeutige Seriennummer (UID oder TID), die weltweit nur einmal vergeben wird. Dies gewährleistet eine klare Zuordnung innerhalb des jeweiligen Produkts und die Individualisierung der gesamten Produktpalette.
• Wiederbeschreibbarer Datenspeicher auf dem Chip. Informationen auf dem RFID-Datenträger können jederzeit geändert, gelöscht oder ergänzt werden. Produkt-, Service-, Produktions- oder Wartungsdaten sind direkt auf dem Produkt verfügbar. (Vorteil gegenüber herkömmlichen Systemen) Barcodes)
• Die Kommunikation zwischen dem RFID-Datenträger und dem Lese-/Schreibsystem erfolgt ohne Sichtkontakt und ist daher resistent gegen Verunreinigungen, wenn das System an geschützten Orten platziert wird. Zudem ermöglicht sie die unsichtbare Integration in bestehende Produkte und vereinfacht den Prozess.
• Hohe Datenübertragungsrate von 100 % beim ersten Durchlauf bei Barcodes.
• Kann mehrere RFID-Datenträger gleichzeitig in einem Arbeitsschritt lesen (Massenerfassung), was die Prozesse beschleunigt.

Ist alles so gut?

Der Einsatz von RFID hat erhebliche Kontroversen ausgelöst, und einige Verbraucherschützer haben zu Produktboykotten aufgerufen. Die Verbraucherschutzexpertinnen Catherine Albrecht und Liz McIntyre, zwei prominente Kritikerinnen, haben zwei wesentliche Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes im Zusammenhang mit RFID identifiziert:

Da der Besitzer des Gegenstands möglicherweise nichts von dem RFID-Tag weiß und dieser aus der Ferne ohne sein Wissen ausgelesen werden kann, können sensible Daten ohne seine Zustimmung erlangt werden.

Wird der mit einem RFID-Chip versehene Artikel per Kreditkarte oder in Verbindung mit einer Kundenkarte bezahlt, lässt sich der Käufer indirekt identifizieren, indem die eindeutige globale Kennung des Artikels im RFID-Chip ausgelesen wird. Dies ist möglich, wenn die beobachtende Person Zugriff auf die Kundenkarte und die Kreditkartendaten hat und derjenige mit dem Gerät weiß, wo sich der Kunde aufhält.

RFID-Sicherheit

Bei der Diskussion über die Sicherheitseigenschaften verschiedener RFID-Designs ist es hilfreich, klare Sicherheitsziele zu formulieren. 

• Tags (im Folgenden „Tags“) sollten die Privatsphäre ihrer Besitzer nicht gefährden. 
• Die Informationen sollten nicht an unbefugte Leser weitergegeben werden und keine langfristige Zuordnung von Tags zu ihren Besitzern ermöglichen.
• Um eine Ortung zu verhindern, sollten Besitzer in der Lage sein, alle von ihnen angebrachten Tags zu erkennen und zu deaktivieren.
• Die Ausgabe öffentlicher Tags sollte zufällig oder leicht veränderbar sein, um langfristige Verknüpfungen zwischen Tags und Inhabern zu vermeiden.
• Private Tag-Inhalte sollten durch Zugriffskontrollen und, falls von unsicheren Abfragekanälen ausgegangen wird, durch Verschlüsselung geschützt werden.
• Sowohl Tags als auch Leser müssen einander vertrauen. Spoofing durch eine der beiden Parteien sollte praktisch unmöglich sein. 
• Neben der Bereitstellung eines Zugriffskontrollmechanismus schafft die gegenseitige Authentifizierung zwischen Tags und Lesegeräten auch ein gewisses Maß an Vertrauen. Session-Hijacking und Replay-Angriffe sind ebenfalls ein Problem. Fehlerinduzierte Störungen oder Stromausfälle dürfen die Protokolle nicht beeinträchtigen oder Manipulationsversuchen Tür und Tor öffnen. Sowohl Tags als auch Lesegeräte müssen resistent gegen Replay-Angriffe und Angreifer-in-the-Middle-Angriffe sein.

Möglichkeiten zur Sicherung der Nutzung von RFID-Technologie

Vor diesem Hintergrund sollten die Sicherheitseigenschaften passiver, schreibgeschützter Werksetiketten betrachtet werden. Jedes Etikett enthält eine eindeutige Kennung. Obwohl optische Barcodes oft unübersichtlicher sind, ist die automatische Überwachung von RF-Etiketten möglich. Dieses grundlegende Prinzip widerspricht dem Datenschutz, da die Nachverfolgung von Etikettenbesitzern und das Auslesen der Etiketteninhalte möglich sind, sofern das Etikett im Anforderungsfeld des Lesegeräts korrekt dargestellt wird. Weder Etiketten noch Lesegeräte werden authentifiziert – Vertrauen ist daher nicht gegeben.

Angenommen, wir würden eine Richtlinie einführen, die die eindeutigen Seriennummern am Verkaufsort entfernt, um diese Mängel zu beheben. Die von den Verbrauchern aufbewahrten Etiketten enthielten zwar weiterhin Produktcodeinformationen, aber keine eindeutigen Identifikationsnummern mehr. Leider ist die Nachverfolgung weiterhin möglich, indem bestimmte Etikettentypen mit den Inhaber-IDs verknüpft werden. Beispielsweise kann die eindeutige Verwendung von RFID-Tags für Gucci-Schuhe, Rolex-Uhren und Cohiba-Zigarren Ihre Anonymität preisgeben. Darüber hinaus bietet dieses Vorgehen weiterhin keinen Vertrauensmechanismus.

Um die genannten Sicherheitsziele zu erreichen, ist die Implementierung von Zugriffskontrolle und Authentifizierung erforderlich. Public-Key-Kryptographie bietet hierfür eine Lösung. Ein spezifischer öffentlicher Schlüssel des Lesegeräts und ein eindeutiger privater Schlüssel können in jedes Tag eingebettet werden. Während des Abfragevorgangs können sich Tags und Lesegeräte mithilfe dieser Schlüssel und etablierter Protokolle gegenseitig authentifizieren. Um das Abhören im Abfragebereich zu verhindern, können Tags ihren Inhalt mit einer zufällig generierten Einmalnummer verschlüsseln. Die Unterstützung starker Public-Key-Kryptographie übersteigt jedoch die Ressourcen kostengünstiger Tags (0.05–0.10 US-Dollar), obwohl Lösungen für teurere Tags existieren.

Die symmetrische Nachrichtenauthentifizierung erfordert, dass jedes Tag über einen eindeutigen Schlüssel für das Lesegerät verfügt oder dass der Schlüssel im Tag-Paket geteilt wird. Die Verwendung eines eindeutigen Schlüssels für jedes Tag erfordert einen komplexen Schlüsselverwaltungsaufwand. Sollen die Schlüssel geteilt werden, müssen die Tags gegen die beschriebenen physischen Angriffe resistent sein; andernfalls gefährdet die Kompromittierung eines einzigen Tags die gesamte Charge. Die Implementierung eines sicheren Speichers auf einem kostengünstigen Tag mit mehreren hundert logischen Entnahmestellen ist eine Herausforderung, insbesondere angesichts der Schwierigkeit, den Speicher auf ressourcenintensiven Smartcards zu schützen . Selbst die Unterstützung einer robusten symmetrischen Verschlüsselung stellt kurzfristig eine Herausforderung dar.

Angesichts der kurzfristigen Ressourcenbeschränkungen kostengünstiger Tags wird ein einfaches RFID-Sicherheitsschema auf Basis einer Einweg-Hashfunktion vorgestellt. In der Praxis genügt eine hardwareoptimierte kryptografische Hashfunktion, sofern diese mit deutlich weniger Ressourcen als symmetrische Verschlüsselung implementiert werden kann. In diesem Schema verfügt jeder Hash-fähige Tag über einen für die „Meta-Kennung“ reservierten Speicherbereich und kann entweder im entsperrten oder gesperrten Zustand betrieben werden. Im entsperrten Zustand stehen alle Funktionen und der Speicher des Tags allen Benutzern im Erfassungsbereich zur Verfügung.

Um ein Tag zu sperren, berechnet der Besitzer den Hashwert eines zufälligen Schlüssels und sendet diesen als Sperrwert an das Tag (Sperre = Hash(Schlüssel)). Das Tag speichert den Sperrwert im Speicherbereich der Meta-ID und wechselt in den gesperrten Zustand. Solange das Tag gesperrt ist, antwortet es auf alle Anfragen mit dem aktuellen Meta-Identifikator und schränkt alle anderen Funktionen ein. Zum Entsperren sendet der Besitzer dem Tag den ursprünglichen Schlüsselwert. Das Tag berechnet dann den Hashwert dieses Wertes und vergleicht ihn mit dem unter der Meta-ID gespeicherten Sperrwert. Stimmen die Werte überein, wird das Tag entsperrt.

Jeder Tag reagiert stets auf Anfragen und gibt somit seine Existenz preis. Die Tags sind mit einem physischen Selbstzerstörungsmechanismus ausgestattet und werden nur während der Kommunikation mit einem autorisierten Lesegerät entsperrt. Bei Stromausfall oder Übertragungsunterbrechung kehren die Tags in den standardmäßigen Sperrzustand zurück. Für Steuerungsfunktionen wie Schlüsselverwaltung, Tag-Deaktivierung oder sogar Tag-Beschreibung kann ein vertrauenswürdiger Kanal eingerichtet werden, der physischen Kontakt zwischen Steuergerät und Tag erfordert. Diese Anforderung physischen Kontakts für kritische Funktionen schützt vor Sabotage des drahtlosen Netzwerks oder Denial-of-Service-Angriffen.

Ein Hash-basierter Sperrmechanismus löst die meisten unserer Datenschutzbedenken. Die Zugriffskontrolle zum Taggen von Inhalten ist auf Schlüsselinhaber beschränkt.

Diese Designoption erfüllt zwar teilweise die gewünschten Sicherheitsanforderungen, doch für sicherere Implementierungen sind weitere Entwicklungen erforderlich. Ein wichtiger Forschungsschwerpunkt liegt auf der Weiterentwicklung und Implementierung kostengünstiger kryptografischer Primitiven. Dazu gehören Hash-Funktionen, Zufallszahlengeneratoren sowie symmetrische und asymmetrische kryptografische Funktionen. Preiswerte Hardware sollte die Schaltungsfläche und den Stromverbrauch minimieren, ohne die Rechenzeit negativ zu beeinflussen. Die RFID-Sicherheit kann sowohl von Verbesserungen bestehender Systeme als auch von Neuentwicklungen profitieren. Hochwertige RFID-Geräte bieten bereits symmetrische Verschlüsselung und asymmetrische Algorithmen. Die Anpassung dieser Algorithmen für kostengünstige passive RFID-Geräte dürfte in wenigen Jahren Realität werden.

Protokolle, die diese kryptografischen Primitiven nutzen, müssen resistent gegen Stromausfälle und Fehlfunktionen sein. Im Vergleich zu Smartcards sind RFID-Tags anfälliger für solche Angriffe. Protokolle müssen Störungen des Funkkanals oder versuchte Kommunikationsabhörungen berücksichtigen. Die Tags selbst müssen sich nach Stromausfall oder Kommunikationsunterbrechung reibungslos wiederherstellen können, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Kontinuierliche technologische Verbesserungen lassen die Grenzen zwischen RFID-Geräten, Smartcards und Ubiquitous-Computing-Systemen zunehmend verschwimmen. Forschung zur Verbesserung der Sicherheit von RFID-Geräten ebnet den Weg für ein universelles, sicheres Ubiquitous-Computing-System. Alle Entwicklungen im Bereich der RFID-Tags und anderer eingebetteter Systeme können zu einer zuverlässigen und sicheren Infrastruktur beitragen und bieten viele interessante Anwendungsmöglichkeiten. 

Schlussfolgerungen

Die unbestreitbaren Vorteile der RFID-Identifizierung sind somit:

• Kein direkter Kontakt oder Sichtbarkeit erforderlich
• Schnelligkeit und Genauigkeit
• Unbegrenzte Lebensdauer
• Große Menge an gespeicherten Informationen auf kleinem Medium
• Möglichkeit mehrfacher Überarbeitung
• Preis

 Dank des Einsatzes dieser Technologie ist uns dies bereits gelungen:

• Verringern Sie die Anzahl der Fehler, die durch manuelle Dateneingabe verursacht werden.
• Steigern Sie die Effizienz vieler industrieller Prozesse durch Automatisierung.
• Automatisierung ganzer Produktionsprozesse
• Verbesserung der Qualitätskontrolle der Abläufe

Zu den positiven Eigenschaften gehören auch die negativen:

• Einwirkung von Störungen
• Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit
• Kollisionen
• Vertraulichkeit der gelesenen Daten