СЧИТЫВАТЕЛЬ КРИПТОМЕТОК

Полезная модель относится к области автоматической бесконтактной идентификации объектов, а конкретно к считывателям данных с криптометок, содержащих: двухмерную матричную символику штрихового кода выполненного по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200 и QR Code, национальный код лекарств США и серийный номер; металл-транспондер, состоящий из ферромагнитных, антиферромагнитных или ферримагнитных порошков, обладающих свойствами ядерного магнитного резонанса. Полезная модель может найти широкое применение при автоматической бесконтактной оптико-электронной аутентификации и идентификации упаковок в системе мониторинга движения лекарственных препаратов фармацевтической промышленности, технологии блокчейн (Blockchain).
Известны ядерно-магнитные резонансные (ЯМР) сканеры, описанные в патентах США №5986550 от 16.11.1999 и №9696397 от 04.07.2017. ЯМР сканеры содержат антенну, передатчик и приемник, блок управления. Недостаток вышеописанных ЯМР сканеров заключается в том, что они работают только локально, не имеют возможности передачи полученных идентификационных данных в информационно-телекоммуникационные сети и серверы обработки баз данных.
В патенте РФ на полезную модель №35935 от 20.10.2003, описано мобильное устройство, которое содержит: радиочастотный сканер, пассивный приемоответчик, антенну, модем сотовой связи, дисплей, микрофон, устройство считывания абонентной идентификационной карточки (SIM-карты), динамик, энергонезависимую память, порт ввода-вывода.
Недостаток этого устройства является невозможность определения подлинности бесконтактного микрочипа, встроенного в документы или платежную карту и, как следствие, низкая функциональная возможность в процессе идентификации объектов.
Известен современный идентификационный беспроводный считыватель, описанный в патенте на полезную модель №72592 от 10.01.2008. Современный идентификационный беспроводный считыватель, описанный в патенте на полезную модель №72592 от 10.01.2008, содержит модем сотовой связи, первую антенну, устройство чтения SIM-карты, микроконтроллер, радиочастотный считыватель, вторую антенну, ЯМР сканер, третью антенну, кнопку "Пуск", светодиоды индикации, блок электропитания и порт внешнего электропитания. Описанный в патенте на полезную модель №72592 от 10.01.2008 современный идентификационный беспроводный считыватель выберем за прототип.
Недостатки прототипа: возможность подделки (фальсификации) считывателя при массовом производстве на заводе-производителе, которая объясняется низкой защитой от копирования встроенного программного обеспечения (firmware или прошивка) микроконтроллера. Из литературы известно, что прошивкой (Firmware) называют содержимое энергонезависимой памяти микроконтроллера, микропроцессора или любого цифрового вычислительного устройства, в которой содержится его программа. Широко известным примером Firmware является BIOS, поставляемая вместе с материнской платой компьютера и обеспечивающая начальную подготовку компьютера к запуску операционной системы.
Другим существенным недостатком прототипа является то, что описанным в патенте на полезную модель №72592 от 10.01.2008 считывателем невозможно считывать двухмерную матричную символику штрихового кода выполненного по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200 и QR Code, национальный код лекарств США и серийный номе, т.е. считыватель имеет низкую функциональную возможность.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели является расширение функциональных возможностей считывателя криптометок.
Технический результат достигается за счет того, что считыватель криптометок, содержащий модем сотовой связи, выполненный с возможностью работы в глобальной системе мобильной связи, антенну сотовой связи, устройство чтения идентификационной карточки абонента (SIM-карты), микроконтроллер, предназначенный для подключения внешних устройств и управления работой всех элементов и блоков, ядерный магнитно-резонансный сканер, предназначенный для формирования импульса и индикации криптометок, содержащих порошок, обладающий свойствами ядерного магнитного резонанса, антенну, предназначенную для передачи импульса с частотой от 1 МГц до 1 ГГц и получения отклика от криптометок, кнопку "Пуск", светодиоды индикации, блок электропитания, порт внешнего электропитания, предназначенный для подключения внешнего источника электропитания, дополнительно содержит чип безопасной аутентификации, предназначенный для защиты от копирования встроенного программного обеспечения, сканер штрих-кодов, предназначенный для считывания и распознавания двухмерной матричной символики штрихового кода выполненной по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200 и QR Code, национального кода лекарств США и серийного номера, дисплей, предназначенный для отображения информационных данных, при этом первый вход-выход упомянутого модема сотовой связи соединен с первым входом-выходом антенны сотовой связи, второй вход-выход модема сотовой связи соединен с первым входом-выходом микроконтроллера, второй вход-выход которого соединен с первым входом-выходом упомянутого сканера штрих-кодов, третий вход упомянутого модема сотовой связи соединен со вторым выходом блока электропитания, четвертый вход-выход упомянутого модема сотовой связи соединен с первым входом-выходом устройства чтения SIM-карты, второй вход упомянутого сканера шрих-кода соединен с четвертым выходом блока электропитания, при этом ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) сканер третьим входом-выходом соединен с антенной, третий вход-выход упомянутого микроконтроллера соединен с первым входом-выходом ЯМР-сканера, первый вход блока электропитания соединен с выходом порта внешнего электропитания, третий выход упомянутого блока электропитания соединен с четвертым входом микроконтроллера, пятый выход блока электропитания соединен со вторым входом ЯМР-сканером, при этом пятый вход микроконтроллера соединен с кнопкой "Пуск", а шестой выход упомянутого микроконтроллера соединен со светодиодами индикации, первый вход-выход чипа безопасной аутентификации (security chip), соединен с седьмым входом-выходом упомянутого микроконтроллера, восьмой выход которого соединен с первым входом дисплея, второй вход дисплея соединен с шестым выходом блока питания.
В частном варианте, упомянутый блок электропитания содержит аккумуляторную батарею, преобразователь напряжения и стабилизатор электропитания.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующим чертежом: фиг. 1, на которой показана структурная схема считывателя криптометок 1, и фиг. 2, на которой показан принцип работы считывателя 1.
Рассмотрим структуру и работу считывателя криптометок 1.
Как видно из чертежа фиг. 1, считыватель 1 содержит модем сотовой связи 3, антенну сотовой связи 2, устройство чтения идентификационной карточки абонента (SIM-карты) 4, микроконтроллер 5, ядерный магнитно-резонансный сканер 6, антенну 7, предназначенную для передачи импульса с частотой от 1 МГц до 1 ГГц и получения отклика от криптометок, кнопку "Пуск" 9, светодиоды индикации 10, блок электропитания 11, порт внешнего электропитания 12, предназначенный для подключения внешнего источника электропитания, чип безопасной аутентификации (security chip) 14, предназначенный для защиты от копирования встроенного программного обеспечения (firmware), сканер штрих-кодов 8, предназначенный для считывания и распознавания двухмерной матричной символики штрихового кода выполненной по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200 и QR Code, национального кода лекарств США и серийного номера, дисплей 13, предназначенный для отображения информационных данных. Антенна сотовой связи 2 и устройство чтения SIM-карты 4 подключены к модему сотовой связи 3, который соединен с микроконтроллером 5. Чип безопасной аутентификации (security chip) 14, ЯМР-сканер 6 и сканер штрих-кодов 8 соединены с входом-выходом упомянутого микроконтроллера 5, восьмой выход которого соединен с первым входом дисплея 13, второй выход дисплея 13 соединен с шестым выходом блока питания 11. Кнопка "Пуск" 9 и светодиоды индикации 10 соединены с микроконтроллером 5. Блок электропитания И соединен с модемом сотовой связи 3, микроконтроллером 5, ЯМР-сканером 6, сканером штрих кодов 8, дисплеем 13 и портом внешнего электропитания 12
Заявленный считыватель 1 работает следующим образом (фиг. 2). При включении кнопки "Пуск" 9 подается электропитание на все элементы считывателя 1.
Работа считывателя 1 будет начата только после запуска программы Firmware, которая находиться в микроконтроллере 5. Встроенная программа (Firmware), записанная в энергонезависимую память микроконтроллера 5, обращается к Security Chip (SC) 14.
SC 14 содержит ключи безопасности, генерируемые в кристалле физически-неклонируемой функцией (PUF). Ключ генерируется по изменениям порогового напряжения МОП-транзистора, что является случайным процессом. В этом же кристалле генерируется, так называемый, партнерский публичный ключ, необходимый для шифрования публичного ключа и исключения выдачи приватного ключа за пределы чипа. Firmware микроконтроллера 5 получив от SC 14 ключ, начинает работу. Таким образом, SC 14 обеспечивает схему защиты начальной загрузки микроконтроллера 5, аутентификации считывателя 1. Получить ключ можно лишь в лабораторных условиях, однако, пользы это не принесет намеревающимся взламывать SC 14. Даже SC 14, изготовленные из одной пластины, не имеют взаимосвязи по ключам. Само же извлечение ключа в лаборатории - довольно затратный процесс. Основной криптографический ключ не остается в памяти SC 14 или в каком-то статическом состоянии. Когда требуется, цепь генерирует уникальный для конкретного SC 14 ключ, который мгновенно исчезает, если больше не используется. При попытках жестких физических воздействий чувствительные электрические характеристики цепи меняются, что затрудняет проведение атаки на SC 14.
При ошибке выполнения процедуры аутентификации SC 14, никакой информации от SC 14 в микроконтроллер 5 не передается, микроконтроллер 5 включает красный светодиод "тревога" ("Alarm") индикации 10 и отключает все элементы считывателя 1 от блока электропитания 11. Таким образом, если SC 14, не поддельный, проходит аутентификация считывателя 1 и микроконтроллер 5 запускает дальнейшую работу.
Криптометка 15, выполненная на бумаге или другом печатном материале, содержит изображение в виде двухмерной матричной символики штрихового кода, предназначенная для отображения идентификационных данных товара и производителя. При этом металл-транспондер криптометки 15, состоящий из ферромагнитного, антиферромагнитного или ферримагнитных порошка, обладает свойствами ядерного магнитного резонанса. Вышеупомянутый металл-транспондер, добавлен в компоненты типографской краски и в процессе печати, нанесен на квадратные модули, образующие шаблон поиска и область кодирования двухмерной матричной символики штрихового кода криптометки 15, при этом область кодирования содержит информационные данные: информацию об идентификационном номере лекарственного препарата, серийный номер упаковки, номер лекарственного препарата в системе национального лекарственного обеспечения (если применяется), номер серии, срок годности и другие данные.
Считыватель 1 содержит сканер штрих-кода 8 который, по сути, представляет оптический сканер распознавания символов или optical character recognition scanner (OCR Scanner).
Каждый считыватель 1 имеет уникальный идентификатор ID1. Считыватель 1, имея в своем составе модем сотовой связи 3, по каналу сотовой связи передает информационные данные на базовую станцию (на чертеже не показано), и далее в сеть сотовой связи 18. К сотовой сети связи 18, которая состоит из коммутационной системы и системы базовых станций (на чертеже не показано), через узел коммутации в сотовой сети связи (на чертеже не показано) подключается интернет сеть 19, к которой подключены пользователи блокчейн сети 20, и сервер 17. Сервера блокчейн технологии 20, по своей сути являются распределенной базой данных, где происходит хранение данных криптометок.
При включении считывателя 1, через сеть сотовой связи 18, происходит отправка данных идентификатора 21 (ID1) считывателя 1 на сервер 17. В составе сервера 17 имеется генератор открытых ключей (PKG). Сервер 17, получив ID1 данные идентификатора 21 (ID1) от считывателя 1, идентифицирует его в базе данных (на чертеже не показано).
Если в базе данных сервера 17 не прошла идентификация данных идентификатора 21 (ID 1), то процесс идентификации останавливается.
После положительной идентификации (ID1) считывателя 1 в базе данных, сервер 17 передает на считыватель 1 данные 22 открытого ключа РК1.
Получив данные 22 открытого ключа РК1, считыватель 1 автоматически включает ядерный магнитно-резонансный сканер 6 и передает данные 23 ключа РК2 на криптометку 15, содержащую металл-транспондер. Данные ключа 23 РК2 - это уникальная часта ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для конкретного типа металл-транспондера криптометки 15.
Ядерный магнитно-резонансный (ЯМР) сканер (ЯМР-сканер) 6 содержит антенну 7, приемник и передатчик (на чертеже не показано), которые работают в диапазоне частот от 1 МГц до 1 ГГц. ЯМР-сканер, через антенну 7 передает данные 23 ключа РК2 и энергию на металл-транспондер криптометки 15. Благодаря электрическими/магнитными дипольными или туннельными переходами между Штарка-Зеемана уровнями в металл-транспондере криптометки 15 происходит ядерный магнитный резонанс (ЯМР), который позволяет получить отклик 24 (уникальную частоту), именно она является данными идентификатора 24 (ID2) криптометки 15. ЯМР-сканер 6, встроенный в считыватель 1, принимает уникальную частоту 24, или данные идентификатора 24 - ID2, от криптометки 15 с металл-транспондером
2
4
Рассмотрим описание физического эффекта для криптометки 15 с металл-транспондером, содержащим, например, ферримагнитный порошок MnFe0.
2
2
4
2
4
При облучении 23 ЯМР-сканером 6 криптометки 15 с металл-транспондером на частоте 536 МГц, в слое ферримагнитного порошка MnFe04, на уровнях Штарка-Зеемана происходит ядерный магнитный резонансный эффект 24, который однозначно регистрируется ЯМР-сканером 6 считывателя 1. Для феррита-шпинели MnFe0 на частоте f1=536 МГц + 10,7 МГц = 546,7 МГц, где 10,7 МГц - частота резонанса феррита-шпинели MnFe0, а 536 МГц - частота возбуждения 23 полученная от ядерного магнитно-резонансного сканера 6 считывателя 1 через антенну 7.
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
Металл-транспондер в криптометке 15, может содержать несколько слоев (от одного до N) ферримагнитного порошка в области кодирования, например, первый слой - MgFe0, второй слой - NiFe0 и третий слой - LiFe0. Печатая металл-транспондер различными слоями, будет образована комбинация слоев в области кодирования криптометки 15: идентификационном номер лекарственного препарата, например, слой - MgFe0, серийный номер упаковки, например, второй слой - NiFe0, номер серии, например, третий слой - LiFe0.
2
4
2
4
2
4
Таким образом, злоумышленнику невозможно будет подделать комбинацию слоев в области кодирования криптометки 15, так как каждому значению информационных данных однозначно соответствуют уникальные частоты ядерного магнитного резонанса 24, например, первый слой - MgFe0 имеет частоту f1, второй слой - NiFe0 имеет частоту f2 и третий слой - LiFe0 имеет частоту fN, становиться невозможно, что повышает защищенность криптометки 15 с штриховым кодом Data Matrix версии ЕСС200 или QR Code от подделки.
Далее, считыватель 1, передает данные 25 идентификатора ID2 криптометки 15 на сервер 17.
В случае, если в базе данных сервера 17 не прошла идентификация данных 24 криптометки 15 (ID2), процесс идентификации останавливается, считыватель 1 отправляет на сервер 17 сообщение "alarm", на дисплее 13 считывателя 1 появляется сообщение "тревога".
Как только аутентификация криптометки 1 будет завершена с положительным результатом на сервере 17, сервер 17 передаст на считыватель 1 данные 26 закрытого ключа РК2. Получив данные 26 закрытого ключа РК2, считыватель 1 автоматически включает сканер штрих-кода (OCR Scanner) 8. OCR Scanner 8 считывателя 1, считывает 27 и распознает двухмерную матричную символику штрихового кода выполненную по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200 или по спецификации символики QR Code на криптометке 15.
Далее считыватель 1 передает серверу 17 данные 28 ключа РК3 криптометки 15, который содержит данные 26 закрытого ключа РК2, плюс данные серийного номера (SN) криптометки 15, считанный и распознанный OCR Scanner 8 из области кодирования двухмерной матричной символики штрихового кода криптометки 15.
Таким образом, данные 28 ключа РК3=РК2+SN.
После создания и распределения ключей РК1 и РК2, каждая криптометка 15 в блокчейн сети 20 будет обладать своим собственным ключом, который будет содержать ключ РК3=РК2+SN.
Этот РК3 ключ будет использоваться для создания шифрованного хэш-кода криптометки 15 на основе алгоритма криптографического хеширования SHA-1 (Secure Hash Algorithm 1). Потом сервер 17 зашифрует этот хэш-код, используя закрытый ключ РК3 криптометки 15, и сохранит серийный номер, информацию производителя и зашифрованный хэш-код в памяти считывателя 1.
Считыватель 1 имеет возможность отображать информационные данные, считанные из области кодирования криптометки 15 на дисплее 13: информацию об идентификационном номере лекарственного препарата, серийный номер упаковки, номер лекарственного препарата в системе национального лекарственного обеспечения (если применяется), номер серии, срок годности.
Информационные данные (идентификационный номер лекарственного препарата, серийный номер упаковки, номер лекарственного препарата в системе национального лекарственного обеспечения, номер серии, срок годности), полученные от криптометки 15, считыватель 1 передает в защищенном (криптографическом) режиме 29 на сервер 17. Сервер 17, зашифрует информационные данные, полученные от криптометки 15, далее передаст данные в сеть интернет 19, и далее в блокчейн сеть 20.
В вышеописанной схеме, каждая криптометка 15 обладает своим собственным закрытым ключом РК3=РК2+SN, и эти ключи отличаются друг от друга. Если закрытый ключ РК3 криптометки 15 будет известен злоумышленнику, это не окажет большого влияния на блокчейн сеть 20 целиком, так как злоумышленник не может узнать закрытие ключи других криптометок 15 по этому ключу.
Из литературы (A. Shamir, Identity-based Cryptosystems and Signature Schemes. Advances in Cryptology: Proceeding of Crypto 84, LNCS, 1984. - PP. 47-53) известно, что криптографическая схема, базирующаяся на идентификации, - это один из методов криптографии, базирующихся на открытом ключе, который может использоваться двумя участниками для обмена сообщениями и эффективной проверки подписей.
На рисунке фиг. 2 показана архитектура, которая позволяет производить информационный обмен данными от криптометки 15 в защищенном режиме, которая нанесена на упаковку 16, считывателя 1, сервера 17, сотовой сети связи 18, сети интернет 19 и блокчейн сети 20.
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
2
4
3
2
4
За счет наличия металл-транспондера в криптометке 1, пользователь считывателем 1 может оценивать качество печати двухмерной матричной символики штрихового кода, которое осуществляется путем анализа частоты ЯМР 24, и расчета содержания металл-транспондера в черной краске на поверхности (площади и толщины) штрихового кода криптометки 15. Металл-транспондер криптометки 15, может состоять из ферромагнитных, антиферромагнитных или ферримагнитных порошков, например: MgFe0, NiFe0, LiFe0,CuFe0, ZnFe0, CoFe0, MnC0, MnFe0, обладающих свойствами ЯМР.
Двухмерная матричная символика штрихового кода выполнена по спецификации символики Data Matrix версии ЕСС200, согласно требованиям стандарта ISO/IEC 16022:2006 или ГОСТ Р ИСО МЭК 16022-2008 или выполнена по спецификации символики QR Code, согласно требованиям стандарта ISOAEC 18004:2015 или ГОСТ Р ИСО МЭК 18004-2015.
Микроконтроллер 5 передает считанную сканером штрих-кодов 8 информацию из криптометки 15 в модем сотовой связи 3, который через антенну 2 передает информацию на базовую приемопередающую станцию сотового оператора связи (на чертеже не показано). Далее информация от базовой приемопередающая станция сотового оператора связи передается в контроллер базовой станции (на чертеже не показано). Далее сигнал от контроллера базовой станции сотового оператора связи поступает в центр коммутации мобильной связи и через маршрутизатор поступает в сеть передачи данных (TCP/IP), к которой подключен сервер получения и обработки данных 17. На сервере получения и обработки данных 17 происходит идентификация данных криптометки 17.
Модем сотовой связи 3 выполнен с возможностью работы в глобальной системе мобильной связи. Модем 3 имеет устройство чтения идентификационной карточки абонента (SIM-карты) 4 в которую вставляется SIM карта оператора сотовой связи, предварительно приобретенная пользователем.
Микроконтроллер 5 предназначен для подключения внешних устройств, например, ЯМР-сканера 6 и сканера штрих-кода 8, кнопки "Пуск" 9 и чипа безопасной аутентификации (SC) 14.
Микроконтроллер 5 может иметь универсальный порт ввода-вывода (на чертеже не показано), для подключения внешних устройств. При подключении к порту микроконтроллера 5 внешних устройств (на чертеже не показано), например, компьютера, можно вводить программы и данные (частоты ЯМР металл-транспондеров и т.п.) в память считывателя 1 встроенную в микроконтроллер 5 (на чертеже не показано).
Микроконтроллер 5 управляет работой внутренних и внешних устройств подключенных к считывателю 1: ЯМР-сканером 6 и сканером 8, модемом 3 и SC 14.
SC 14 содержит ключи безопасности и обеспечивает схему защиты начальной загрузки микроконтроллера 5. Основной криптографический ключ не остается в памяти SC 14. Когда требуется, цепь генерирует уникальный для конкретного SC 14 ключ, который мгновенно исчезает, если больше не используется.
Таким образом, введением в схему считывателя криптометок 1 чипа SC 14, достигается повышение защиты от копирования встроенного программного обеспечения (firmware) микроконтроллера 5 считывателя 1. Микроконтроллер 5 имеет возможность шифровать передаваемые данные 29 от/к считывателя 1. Архитектура современных микроконтроллеров 5 позволяют эффективно реализовать аппаратную поддержку национальных алгоритмов шифрования и представить эту реализацию вместе с исходными кодами на сертификацию. При этом микроконтроллер 5 может поддерживать как имеющиеся западные алгоритмы шифрования данных и, соответственно, обеспечивает совместимость с имеющимися приложениями, так и национальные алгоритмы шифрования данных.
Электропитание считывателя 1 осуществляется от блока электропитания 11, через который происходит электропитание всех элементов устройства: модема 3, микроконтроллера 5, ЯМР-сканера 6 и сканера штрих-кодов 8, SC 14, дисплея 13. В частном случае, блок электролитания 12 содержит аккумуляторную батарею, преобразователь напряжения и стабилизатор электропитания (на чертеже не показано). Через порт внешнего электропитания 12 осуществляется зарядка аккумуляторной батареи (на чертеже не показано) блока электропитания 11.
Таким образом, введением в схему считывателя 1 чипа SC 14, сканера штрих-кодов 8 и дисплея 13, достигается технический результат полезной модели: расширение функциональных возможностей считывателя криптометок 1. Дополнительные функциональные возможности считывателя криптометок 1, в отличии от прототипа: возможность проведения дополнительной безопасной аутентификации за счет введения SC 14; считывание национального кода лекарств США (NDC) и серийного номера (SN), согласно закона о безопасности поставок лекарственных препаратов (Drug Supply Chain Security Act) США; считывание двухмерной матричной символики штрихового кода выполненной по спецификации Data Matrix версии ЕСС200, согласно требованиям стандарта ISO/IEC 16022:2006 и спецификации QR Code, согласно требованиям стандарта ISO/IEC 18004:2015; отображение идентификационных данных на дисплее 13.
Изготовление считывателя 1, изображенного на фиг. 1, осуществляют из типовых радиоэлектронных компонентов (РЭК). РЭК могут быть: микроконтроллер 5, например, MEGA AVR ATMEGA 128L-8AU компании ATMEL, модем сотовой связи 3 типа G20 компании Motorola, Security Chip 14 типа DS28E38 компании Maxim. Остальные элементы - типовые РЭК, широко используемые в промышленности.
Опытные образцы считывателя криптометок 1 были изготовлены. Испытания показали, что они соответствует тем требованиям, которые предъявляются к средствам идентификации лекарственных препаратов.