Алгоритмы и методы обработки, хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.15, кандидат технических наук Крюков, Дмитрий Алексеевич

• Крюков, Дмитрий Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Крюков, Дмитрий Алексеевич

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫХ КОМПЛЕКСОВ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ, ЗАПИСЬ, ХРАНЕНИЕ И ВВОД-ВЫВОД ДАННЫХ, ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Микрокомпьютерные комплексы персональной идентификации, хранение данных и особенности кодирования информации.

1.1.1. SMART-карты. Особенности кодирования информации, хранения и ввода-вывода данных.

1.1.2. Организация хранения и кодирования данных в магнитных картах.

1.1.3. Микрокомпьютерные комплексы персональной идентификации на основе технологии RFID.

1.1.4. Биометрические паспорта как особый персональный идентификатор.

1.2. Повышение надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации.

1.3. Возможности повышения надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации путем модификации обработки, хранения и ввода-вывода данных.

1.3.1. Возможности применения повышения надежности SMART-карт.

1.3.2. Возможности повышения надежности магнитных карт.

1.3.3. Возможности повышения надежности в микрокомпьютерных комплексах на основе технологии RFID.

1.3.4. Возможности повышения надежности биометрических паспортов.

1.4. Анализ ошибок, возникающих в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации.

1.4.1. Ошибки, характерные для электрически стираемых программируемых постоянно запоминающих блоков.

1.4.2. Ошибки, характерные для магнитных карт.

1.4.3. Ошибки, характерные для микрокомпьютерных комплексов на основе технологии RFID.

1.4.4. Ошибки, характерные для биометрических паспортов.

1.5. постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ

ОБРАБОТКИ, ХРАНЕНИЯ И ВВОДА-ВЫВОДА

ДАННЫХ В МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫХ

КОМПЛЕКСАХ ПЕРСОНАЛЬНОЙ

ИДЕНТИФИКАЦИИ.

2.1. Схемы организации ввода-вывода в комплексах персональной идентификации.

2.2. Разработка методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в SMART-kaptax.

2.2.1. Модель случайного выбора страниц памяти для ввода-вывода данных.

2.2.2. Применение кода Хемминга для обработки и хранения информации в SMART-картах.

2.2.3. Применение кода Рида-Соломона для обработки и хранения информации в SMART-картах.

2.2.4. Применение продольного контроля избыточности для обработки и хранения информации в SMART-картах.

2.3. Разработка методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в магнитных картах. Применение кода Хемминга.

2.4. Разработка методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации на основе технологии RFID.

2.5. Разработка методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в биометрических паспортах.

2.5.1. Модель последовательного выбора страниц памяти для ввода-вывода данных.

2.5.2. Применение кода Хемминга для обработки и хранения информации в биометрических паспортах.

2.5.3. Применение кода Рида-Соломона для обработки и хранения информации в биометрических паспортах.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. МОДИФИКАЦИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ХРАНЕНИЯ И ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ В МИКРОКОМПЬЮТЕРНЫХ КОМПЛЕКСАХ ПЕРСОНАЛЬНОЙ ИДЕНИТФИКАЦИИ.

3.1. Модификация методов хранения и ввода-вывода данных в SMART-kaptax.

3.1.1. Модификации файловой системы SMART-карт.

3.1.2. Реализация ввода-вывода данных в SMARTкартах.

3.2. Модификация методов хранения данных в магнитных картах.

3.3. Модификация методов хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации на основе технологии RFID.

3.4. Модификация методов хранения и ввода-вывода данных в биометрических паспортах.

3.5. Применение методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации.

3.5.1. Повышение надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации на базе SMART-карт.

3.5.1.1. Городские социальные карты.

3.5.1.2. SIM-карты аппаратов сотовой связи.

3.5.2. Повышение надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации на базе магнитных карт.

3.5.3. Повышение надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации на основе технологии RFID.

3.5.4. Повышение надежности микрокомпьютерных комплексов персональной идентификации на базе биометрических паспортов.

Выводы по третьей главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Алгоритмы и методы обработки, хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации»

Едва ли возможно представить настоящий этап развития информационного общества без таких результатов науки и техники, как Б1М-карта мобильного аппарата, карта оплаты проезда на транспорте, банковская пластиковая карта, биометрический паспорт. Это лишь часть технических решений, которая имеется в постоянном пользовании практически у каждого. Список подобных устройств можно долго перечислять, с каждым годом появляются новые образцы, более портативные, более производительные. Сферы производства, услуг, логистики, безопасности, медицины обладают собственными узкопрофильными образцами, выполняющими прикладные функции: электронные ключи доступа (е4океп), карты лояльности, чип-ключи автомобиля, парковочные автоматы, цифровое телевидение. Все они характеризуются тем, что надолго вписались в нашу жизнь и с разной степенью приближенности организуют жизнедеятельность каждого.

Особенности архитектуры и функционального назначения данных систем позволяют дать им название микрокомпьютерные комплексы персональной идентификации (МКПИ). В настоящее время МКПИ реализуют крайне важную функцию, они являются носителями исключительных данных владельца. Ввиду наибольшей (по сравнению со всеми остальными автоматизированными системами) приближенности к различным общественным процессам и непосредственно к человеку (владельцу) ценность информации в таких комплексах намного превышают их рыночную стоимость. Потеря или искажение информации являются критичными и не допустимы для них. Таким образом, долговременное хранение и своевременное предоставление информации должно является ключевой функцией каждого персонального идентификатора. Вопросам обработки, хранения и ввода-вывода данных в МКПИ посвящено большое число публикаций [3], [7], [13], [22], [28] и т.д., а так же международных стандартов и технических регламентов [9], [14], [17], [23], [26] и прочие. Вместе с тем, в открытой печати практически отсутствуют сведения о путях модернизации и совершенствовании МКПИ в части повышения надежности посредством разработки и модификации методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода информации. Данные устройства зачастую не используют алгоритмов обеспечения целостности информации и надежности функционирования, что может породить возникновение ошибок, во многом, не зависящих от действий владельца. Одна из проблем микрочипов - это возникновение возможной неисправности в странично-ориентированных модулях памяти. Незащищенность магнитной полосы, в случае её повреждения может привести к необратимой потере данных и замене карты. Воздействие непреднамеренных (паразитных) и преднамеренных электромагнитных связей и помех, наличие которых влияет на эффективность работы. Возникновение случайных ошибок записи, модификации хранимых данных, могут необратимо повлиять на работоспособность устройства. Поэтому, с течением времени, растет вероятность возникновения ошибок в МКПИ. Существуют серьезные пробелы в подходах к обработке, хранению и вводу-выводу данных, обеспечивающих повышение надежности персональных идентификаторов и достоверность выполнения ключевых функций МКПИ. Вопросы повышения надежности функционирования МКПИ и улучшения их технико-экономических характеристик путем использования алгоритмов специального кодирования в настоящее время в научной литературе практически не рассмотрены. Известные алгоритмы ориентированы на системы высокой производительности и не рассчитаны на использование в устройствах с ограниченными объемами памяти и небольшими вычислительными ресурсами.

В связи с этим, целью исследования является восполнение пробелов в подходах к обработке, хранению и вводу-выводу данных в МКПИ путем разработки специальных методов и алгоритмов кодирования информации в условиях ограниченного объема памяти и небольших вычислительных ресурсов, обеспечивающих стойкость к искажениям информации и блоков данных, вызванных, в том числе, стохастическими процессами, а так же выявляющих и исправляющих ошибки.

Объектом исследования являются микрокомпьютерные комплексы персональной идентификации (МКПИ), построенные на основе стандартов БМАЯТ-карт и технологий радиочастотной идентификации (ИРШ).

Предметом исследования являются методы и алгоритмы обработки, хранения и ввода-вывода данных, направленные на повышение надежности посредством внедрения кодов коррекции ошибок в микропроцессорные программы МКПИ, а также адаптация данных алгоритмов под ограниченные вычислительные ресурсы.

Предмет исследования определяют следующие основные задачи:

1. Провести анализ существующих организаций обработки, хранения и ввода-вывода данных в микрокомпьютерных комплексах персональной идентификации (МКПИ). Определить существенные критерии классификации МКПИ.

2. Рассмотреть перспективы развития методов обработки, хранения и ввода-вывода данных повышающие надежность МКПИ. Предложить качественные и количественные параметры для оценки алгоритмов хранения и обработки данных в МКПИ.

3. Разработать математические модели организации ввода-вывода данных в МКПИ, функции статистического расчета качественных показателей для оценки алгоритмов хранения и обработки данных в МКПИ повышающих надежность комплексов.

4. Разработать методы и алгоритмы повышения надежности МКПИ с учетом особенностей аппаратно-программных платформ.

5. Рассмотреть возможность практического применения разработанных методов помехоустойчивого кодирования в реальных

МКПИ и включить научные положения в учебный процесс магистерской подготовки.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ [12], [15], [18], [43], [44], [45], [46]. При этом основные результаты диссертации изложены в пяти статьях [12], [18], [43], [44], [45] в научных изданиях, определенных ВАК РФ для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка используемых сокращений, списка используемых источников информации из 108 наименований и трех приложений. Основная часть работы изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 10 таблиц. Текст работы предваряет развитый глоссарий терминов, относящихся к теме диссертации.

Заключение диссертации по теме «Вычислительные машины и системы», Крюков, Дмитрий Алексеевич

Результаты работы использованы в ОАО «ГИРООПТИКА» для решения практических задач связанных с повышением надежности персональных устройств на базе БМАЯТ-карт, подтверждающих полномочия доступа к специализированным базам данных. Результаты позволили на 40% повысить надежность ЗМАЯТ-карт с персональными сведениями. В 90% случаев данные в МКПИ были корректированы.

Методы и алгоритмы обработки, хранения и ввода-вывода данных в МКПИ использованы в ООО « НТЦКТ «Тор» при разработке и изготовлении идентификаторов для имитаторов стрельбы Малого артиллерийского полигона, поставляемого в рамках Рособоронзаказа. Решения позволили на 25-30% сократить время восстановления ошибок в имитаторах.

Результаты использованы ООО «Аналитик» в электронных ключах и БМАЯТ-картах еТокеп, предназначенных для обеспечения информационной безопасности. Позволили в 80% случаев выявить и исправить ошибки хранения информации и исключить трудозатраты на низкоуровневое восстановление данных.

Теоретические результаты использованы в учебном процессе МГТУ МИРЭА на кафедре «Корпоративные информационные системы» магистрами по направлению подготовки 230400.68 «Информационные системы и технологии».

Научные положения диссертации включены в учебный процесс МАИ подготовки бакалавров по направлению 230400 «Информационные системы и технологии» по направлению «Конструирование и производство средств вычислительной техники» на кафедре 307 факультета «Системы управления, информатика и электроэнергетика».

Методы исследования. В качестве теоретической и методологической основы диссертационного исследования использованы элементы теории вероятностей и математической статистики, дискретной математики, математического анализа и информационных технологий.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Рассмотрены существующие реализации МКПИ в части обработки, хранения и ввода вывода данных. Установлено, что МКПИ не полностью обеспечивают целостность данных и зачастую не используют алгоритмов коррекции ошибок в персональных идентификаторах, предложены перспективы развития.

2. Предложены критерии классификации МКПИ по аппаратно-программной платформе, особенностям хранимой информации, объему памяти в результате выделены SMART-карты, магнитные карты, RFID-устройства, биометрические паспорта.

3. Проведен анализ типичных ошибок и сбоев блоков памяти ЭСППЗУ и магнитных карт. Установлено, что алгоритмы повышения надежности МКПИ должны быть обеспечивать восстановление данных страниц памяти и исправление кластерных ошибок, вызванных механическими повреждениями магнитной полосы. Предложены качественные характеристики степени защищенности данных, эффективности помехоустойчивого кода, степени расхода памяти для МКПИ при использовании алгоритмов помехоустойчивого кодирования.

4. Разработаны математические модели для случайного и последовательного выбора страниц для ввода-вывода данных, позволяющие оценивать алгоритмы помехоустойчивого кодирования информации в МКПИ с позиций формул для расчета эффективности помехоустойчивого кода, коэффициента расхода памяти и степени защищенности данных.

5. Предложены методы организации ввода-вывода и хранения данных, обеспечивающих надежность SMART-карт, RFID-устройств и биометрических паспортов.

6. Рассмотрена применимость кодов Хемминга, Рида-Соломона и продольного контроля избыточности в модели случайного и последовательного выбора страниц для ввода-вывода данных. Проведены расчеты сложности операций кодирования и декодирования данных в персональных идентификаторах. Выбраны наиболее эффективные модификации алгоритмов для хранения персональных данных в ЭСППЗУ SMART-карт, RFID-устройств, биометрических паспортов и магнитных карт. Приведены таблицы, показывающие что относительный расход памяти кодов Хемминга уменьшается с увеличением длины кодовых слов и мощности алфавита кодирования. Приведены графики, показывающие что эффективность кода прямо пропорциональна мощности алфавита кодирования, коды, имеющие большую длину кодовых слов, более эффективно расходуют память в пределах избыточности до 20%.

7. Разработаны методы логической организации данных, модификации алгоритмов хранения и ввода-вывода данных в МКПИ позволившие улучшить их технико-экономические характеристики на 30%, а устойчивость к выявлению и исправлению ошибок до 80%.

Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и получили одобрение на 10-ой научно-практической конференции ФГУП «НИИ «Восход» «Современные информационные технологии в управлении и образовании», 60 и 61-ой Научно-технической конференции МГТУ МИРЭА, научно-практической конференции ФГУП «НИИ «Восход» «Проблемы функционирования государственной системы изготовления, оформления и контроля паспортно-визовых документов нового поколения» в 2011, 2012 гг.

Надежность БМАЯТ-карт и защищенность данных, хранящихся в памяти ЭСППЗУ, значительно улучшится в результате применения предложенных модификаций методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных. В число этих модификаций входят: разделение памяти ЭСППЗУ на память данных, контрольную и резервную память, организация данных в информационные блоки, программно-аппаратная реализация специального кодирования и декодирования кодов Хемминга либо Рида-Соломона, аппаратная реализация арифметических операций в полях Галуа, реализация программно-аппаратной функции обнаружения сбоя в страницах памяти;

Повысить надежность хранения данных в памяти магнитных карт, целесообразно путем модификации методов кодирования, регламентируемых стандартом ISO 7811. Предложены три альтернативных варианта расширения используемого кода с помощью кода Хемминга;

Для обеспечения повышения надежности МКПИ на основе технологий RFID следует реализовать методы и алгоритмы специального ввода-вывода и кодирования данных с помощью кодов Хемминга либо Рида-Соломона. Также предложена модификация процедур обработки данных на хост-компьютере;

Внедрение разработанных методов в файловые системы SMART-карт, RFID-меток и биометрических паспортов и организация хранения информации в магнитных картах и RFID-метках позволит более эффективно использовать возрастающую производительность МКПИ, повысит их надежность и стойкость к случайным ошибкам и повреждениям данных.

В результате исследования вопрос повышения надежности МКПИ путем модификации аппаратно-программной части персональных идентификаторов, в том числе, файловой системы, процедур ввода-вывода, и оптимизации хранения данных можно считать исчерпанным. Перспективными исследованиями в этом направлении целесообразно полагать внедрение алгоритмов гибридных облачных структур между конечными персональными идентификаторами и авторизованными центрами репликации персональных данных в составе комплексов идентификации, что позволит восстановить информацию даже в крайних случаях, таких как, утеря или уничтожение носителя данных.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Теоретическая новизна обоснована тем, что доказаны математические утверждения, вносящие вклад в расширение представлений о применимости помехоустойчивых кодов в условиях ограниченного объема памяти и небольших вычислительных ресурсов. Применительно к проблематике диссертации результативно использован комплекс базовых методов сравнения, моделирования и отображения содержания и структуры исследуемых объектов в форме математических символов, методов. Изложены доказательства и условия применимости методов и алгоритмов обработки, хранения и ввода-вывода данных в МКПИ. Проведена модернизация существующих методов хранения информации и ввода-вывода данных. В частности разработаны математические модели случайного и последовательного выбора страниц для ввода-вывода данных, позволяющие проводить оценку эффективности помехоустойчивого кода, расхода памяти и степени защищенности данных, предложены методы организации ввода-вывода и хранения данных, обеспечивающих надежность МКПИ.

Практическая значимость работы подтверждается внедрением результатов в системы контроля доступа на базе технологии ИГГО в ЗАО «Норси-Транс». Разработанные решения используются для выполнения практических задач связанных с повышением надежности систем радиочастотной идентификации. В соответствии с требованиями, предъявленными к системе ИРГО-идентификации, процедуры кодирования и декодирования данных были полностью перенесены на хост-компьютер. Испытания показали коррекцию ошибок в 80% случаев.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Крюков, Дмитрий Алексеевич, 2012 год

1. Геллъ П., Чип-карты. Устройство и применение в практических конструкциях. - М.: ДМК, 2000. - 176с.

2. Ortiz С. Е., An Introduction to Near-Field Communication and the

3. Contactless Communication API, 2006

4. Wolfgang R., Wolfgang E., Smart Card Handbook. WILEY, 2011. 1025 pp.

5. Востриков А. А., Калюжный В. П., Сергеев М. Б. Пластиковые карты соткрытой памятью: Учеб. пособие СПбГУАП. СПб., 2002. 104 с.

6. Материалы сайта http://dengi.polnaya.info/platezhnyesistemy/smartkarta/6. Материалы сайтаhttp://www.plastcard.net/plastikovve karty/zadacha smartkarty

7. Лахири С., RJFID. Руководство по внедрению The RFID Sourcebook М:1. Кудиц-Пресс, 2007. 312 с.

8. Бхуптани М, Морадпур Ш., RFID Field Guide: Deploying Radio Frequency Identification Systems / Троицкий H. -— Москва: «Альпина Паблишер», 2007. 290 с.

9. Стандарт ISO 7816-4 Organization, security and commands for interchange.1.O/EEC, 2005.

10. Адаменко M.B., Тонкости и хитрости мобильных телефонов. М.: ДМК Пресс, 2011. 296с.

11. Гёлль П., Мобильные телефоны и ПК. М.: ДМК Пресс, 2004.

12. Крюков Д. А., Программное обеспечение восстановления информации с SIM-карт «Вопросы радиоэлектроники», серия «Электронная вычислительная техника», 2011, вып. 4, стр. 157-164 издание ВАК

13. Гёлль П., Секреты сопряжения компьютера со смарт-картами. М.: ДМК Пресс, 2009.- 144 с.

14. Стандарт Specification of the Subscriber Identity Module Mobile Equipment interface GSM 11.11 version 8.3.0 Release. ETSI, 1999.

15. Крюков Д.А. Особенности файловой системы SMART-карт используемых в информационно-коммуникационных системах Труды НПК «Современные информационные технологии в управлении и образовании» часть 2, стр. 141-147. ФГУП НИИ «Восход», 20111617,18