Drahtlose Kommunikation Orientierung im NFC-Labyrinth

Auch wenn die drahtlose Kommunikation über die induktive Kopplung zweier Magnetfelder in unmittelbarer Nachbarschaft seit Jahrzehnten bekannt ist, hat sich diese magnetische Nahfeldtechnik erst durch die Standardisierung als »Near Field Communication« (NFC) in den vergangenen zehn Jahren vor allem in Smartphones etabliert. Doch wer eine NFC-Entwicklung starten will, steht trotz Standardisierung vor einem Labyrinth von Protokollen, Tags und Betriebsmodi.

Dafür, dass das elektromagnetische Phänomen als Grundlage der NFC schon lange bekannt ist, erscheint das erst kürzlich entbrannte Interesse daran fast erstaunlich. Welche kommerziellen und technischen Faktoren mussten aufeinandertreffen, damit NFC heute so weit verbreitet ist? Und wo finden Ingenieure, die sich zum ersten Mal mit der Implementierung der Technik befassen, Informationen und Anleitung? Den Grundstein für das heutige Interesse der Systementwickler legte die Standardisierung der Nahfeld-Technik.

Im Jahr 2003 starteten die Internationale Organisation für Normung (ISO) und die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) offiziell den Prozess der NFC-Standardisierung, dessen Ergebnis in Bild 1 zu sehen ist.

Mit der Gründung des NFC-Forums durch Philips (heute NXP Semiconductors), Sony und Nokia im Jahr 2004 entwickelte sich das NFC-Ökosystem stetig weiter. Seitdem hat sich die Technik rasch verbreitet, nicht zuletzt aufgrund ihrer inhärenten Sicherheit und der Bequemlichkeit für den Anwender. Denn eine Kommunikation kann nicht stattfinden, ohne dass der Benutzer das Gerät in die Nähe eines Hosts führt.

Ist die Annäherung vollzogen, erfolgt die Verbindung viel Aufwand - im Unterschied zum Pairing bei Bluetooth oder dem für WLAN benötigten Sicherheitsschlüssel. Zur Explosion der NFC-Anwendungen führte jedoch letztlich erst die wachsende installierte Basis an Smartphones, Tablets und einer Vielzahl an weiteren kleinen, aber komplexen Geräten, die leistungsfähige Mikroprozessoren und Software zur Verschlüsselung beinhalten.

Zusammen mit der Nahbereichsfunktion des NFC-Standards ISO 18092 und dem damit verbundenen Kreditkarten-Standard ISO 14443 bilden sie die Plattform für ein sicheres Transaktionssystem, das kabellos funktioniert und einfach zu bedienen ist. In der Praxis bauen die heute eingesetzten Transaktionssysteme auf weitergehende Verschlüsselung, als in den Normen ISO/IEC 18092 und ISO 14443 festgelegt, und setzen oft auf proprietäre Systeme wie beispielsweise »MIFARE« von NXP.

MIFARE erweitert ISO 14443 um Kryptografiefunktionen und Befehlsschichten und ist weltweit in etwa 650 Ticketing-Systemen in öffentlichen Verkehrsmitteln im Einsatz, darunter die »Oyster-Card« in London, »Clipper« in San Francisco und die »EasyCard« in Taiwan. In Japans Bahnnetz ist die Zahlkarte »Suica« in Betrieb, die ebenso wie »Octopus« in Hong Kong auf die »FeliCa«-Tags setzt. Diese basieren auf dem japanischen Industriestandard, der von der ISO 18092 abgeleitet ist und mit zusätzlichen Features zur Authentifizierung und Verschlüsselung ausgestattet wurde.

NFC lässt sich leicht von HF-Techniken geringer Reichweite wie Bluetooth und WiFi unterscheiden, denn die Nahfeld-Kommunikation erlaubt einen einfachen Verbindungsaufbau zwischen Geräten bei einer Frequenz von 13,56 MHz und sehr geringem Abstand. Mit einem Tastendruck können Benutzer eine Verbindung herstellen und die Datenübertragung zwischen zwei Geräten mit einer Datenrate von bis zu 424 KBit/s initiieren.

Verwirrende Standard-Vielfalt

Allerdings hat die Standardisierung nicht nur von Anfang an zu einer hohen Akzeptanz der NFC-Technik geführt, sie ist zugleich das größte Hindernis für die praktische Umsetzung. Denn die Normungsorganisationen und das unterstützende Ökosystem haben einen nahezu undurchschaubaren Wildwuchs von Standards, Protokollen und Gerätetypen verursacht - sehr verwirrend für den Ingenieur, der sich zum ersten Mal mit einem NFC-Design befasst: Es gibt drei Betriebsarten, vier Arten von Tags, mehrere ISO-Normen und weitere Standards von anderen Gremien als der ISO. Und dabei sind die Bestrebungen noch gar nicht berücksichtigt, NFC mit der Smartcard-Technologie zu verschmelzen.

Um sicher durch dieses Labyrinth zu steuern, ist es zunächst wichtig, sich einen Überblick über die verschiedenen Typen von NFC-Standards und -Protokollen zu verschaffen. Standards stellen die Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller sicher. So wird ein NFC-Gerät beispielsweise durch die Umsetzung von NFCIP-2 kompatibel mit den Standards ISO 14443 (Proximity Card), ISO 15693 (Vicinity Card) und auch mit FeliCa. Voraussetzung dafür ist, dass alle zugrundeliegenden Protokolle und die Hardware jede Spezifikationsschicht unterstützen.

Die geforderte Interoperabilität zwischen NFC-Tag-Anbietern und NFC-Geräteherstellern führte dazu, dass das NFC-Forum vier Tag-Typen definiert hat (siehe Tabelle 1, dort ist der MIFARE-Tag von NXP zum Vergleich mit aufgeführt).

Zusätzlich zu den vier Tag-Typen wurden drei Betriebsmodi definiert, die unterschiedliche Einsatzfelder abdecken:

  • Lesen/Schreiben,
  • Card-Emulation und
  • Peer-to-Peer-Modus.

Mit seinem Dokument »Near Field Communication in der realen Welt - Teil II« bietet das NFC-Forum Orientierungshilfe bei der Auswahl von Tags für eine bestimmte Anwendung. Über Tag-Typen und Betriebsmodi hinaus müssen Entwickler auch die Art der Daten berücksichtigen, die kommuniziert werden sollen. Die zugrundeliegende NFC-Datenstruktur »NDEF« (NFC Data Exchange Format) bietet Protokolle, die sich nicht nur für den Austausch von Text eignen, sondern auch für Bilder, URLs, Telefonnummern und Kalendereinträge. Dieses vom NFC-Forum definierte NDEF-Format steht auf der Websitezum Download zur Verfügung.

Auch der industrieweit verwendete Begriff »NFC« klingt so, als handele es sich um eine einzige Technik, in Wirklichkeit sind Ingenieure allerdings mit Hunderten von Permutationen von Tag-Typen, Betriebsarten, Verschlüsselungstechniken, Datenaustauschformaten, Datenraten und Interoperabilitätsstandards konfrontiert. NFC lässt sich also nicht als einfache »Plug and Play«-Technik implementieren, sondern ihr Einsatz ist in vielen Fällen experimentell. Dennoch zeigen erste Projekte, dass die NFC-Technologie bereit ist für den großflächigen Einsatz in neuen Anwendungen.

Das Telekommunikationsunternehmen Telenor und Norwegens größte Bank DNB gaben vor kurzem einen erfolgreichen NFC-Test in Oslo bekannt. In Schweden hat PayPal eine NFC-Prämienregelung mit dem Sportgerätehändler Alpingaraget und dem Elektronikmarkt Webhallen evaluiert - allerdings unter dem Vorbehalt, dass die Technologie noch in der Testphase ist. In den USA starteten Google, MasterCard, Sprint, FirstData und NXP bereits im September 2011 den ersten kommerziellen mobilen Bezahldienst, die »Google Wallet«.