NFC (Near Field Communication) to technologia bezprzewodowej komunikacji na bardzo małą odległość, wykorzystująca pole elektromagnetyczne o częstotliwości 13,56 MHz. Pozwala na wymianę danych pomiędzy kompatybilnymi urządzeniami, takimi jak smartfony, karty płatnicze, terminale, zegarki, identyfikatory czy pasywne tagi NFC.
NFC nie jest pojedynczym protokołem. To zestaw standardów określających między innymi sposób generowania pola, komunikacji, formatowania danych oraz rodzaje urządzeń uczestniczących w transmisji.
Korzenie NFC sięgają technologii RFID (Radio-Frequency Identification), rozwijanej przez dziesięciolecia do bezprzewodowej identyfikacji obiektów. NFC powstało jako rozwinięcie i standaryzacja komunikacji zbliżeniowej wykorzystywanej między innymi w kartach bezkontaktowych.
Istotnym krokiem było połączenie technologii opracowywanych przez firmy zajmujące się RFID i kartami bezkontaktowymi. W 2002 roku Sony i NXP (wówczas Philips Semiconductors) rozpoczęły współpracę nad technologią komunikacji bliskiego zasięgu. W 2004 roku Sony, NXP i Nokia utworzyły organizację NFC Forum, której zadaniem było rozwijanie i standaryzowanie ekosystemu NFC.
NFC nie ma więc jednego wynalazcy. Technologia powstała na bazie wcześniejszych rozwiązań RFID i kart zbliżeniowych, a następnie została ustandaryzowana przez wiele organizacji normalizacyjnych i producentów.
NFC wykorzystuje pasmo 13,56 MHz. Jest to częstotliwość należąca do zakresu ISM, przeznaczonego między innymi dla urządzeń przemysłowych, naukowych i medycznych oraz różnych systemów komunikacji krótkiego zasięgu.
Długość fali dla 13,56 MHz wynosi około 22,1 metra. NFC nie wykorzystuje jednak klasycznej propagacji fal radiowych na dużą odległość. Komunikacja odbywa się przede wszystkim w bliskim polu elektromagnetycznym, a dokładniej poprzez sprzężenie indukcyjne pomiędzy antenami.
Kluczową rolę odgrywa indukcja elektromagnetyczna. Czytnik NFC posiada antenę, przez którą płynie zmienny prąd o częstotliwości 13,56 MHz. Powoduje to powstanie zmiennego pola magnetycznego.
Kiedy w pobliżu znajdzie się druga antena, zmienne pole magnetyczne indukuje w niej napięcie. W przypadku pasywnego tagu energia ta może zostać wykorzystana nie tylko do komunikacji, ale również do zasilenia układu scalonego znajdującego się wewnątrz tagu.
To właśnie dlatego pasywna karta lub naklejka NFC nie potrzebuje własnej baterii.
Typowy system NFC może zawierać kilka podstawowych elementów:
W smartfonach kontroler NFC jest połączony z systemem operacyjnym oraz innymi elementami telefonu. Antena znajduje się zwykle z tyłu urządzenia i jest projektowana tak, aby mogła współpracować z odpowiednimi częstotliwościami i układem dopasowującym.
Urządzenie inicjujące komunikację generuje sygnał RF o częstotliwości 13,56 MHz i tworzy pole elektromagnetyczne wokół swojej anteny.
Antena znajdująca się w zasięgu pola odbiera energię elektromagnetyczną. W przypadku urządzenia pasywnego indukowane napięcie jest prostowane i wykorzystywane do zasilania układu scalonego.
Urządzenia wykrywają swoją obecność i rozpoczynają procedurę ustalania parametrów komunikacji. W zależności od zastosowanego protokołu może być wykonywana również procedura antykolizyjna pozwalająca wybrać konkretny tag spośród kilku znajdujących się w polu.
Dane są przesyłane poprzez modulowanie sygnału RF. Sposób modulacji i kodowania zależy od wykorzystywanego trybu oraz technologii NFC.
Jest to jeden z najciekawszych elementów NFC. Pasywny tag nie musi samodzielnie generować pełnego sygnału radiowego.
Wykorzystuje zjawisko load modulation. Układ znajdujący się w tagu zmienia swoje obciążenie elektryczne, przez co zmienia się sposób, w jaki antena tagu oddziałuje z polem czytnika. Czytnik może wykryć te niewielkie zmiany i zinterpretować je jako dane.
W praktyce oznacza to, że czytnik dostarcza energię, a tag wykorzystuje tę energię do odpowiedzi.
NFC korzysta z kilku standardów opracowanych między innymi przez ISO/IEC, ECMA oraz NFC Forum.
Jeden z najważniejszych standardów dla bezkontaktowych kart identyfikacyjnych. Określa między innymi charakterystykę kart pracujących z częstotliwością 13,56 MHz oraz sposób komunikacji pomiędzy kartą a czytnikiem.
Standard opisujący NFCIP-1, czyli protokół komunikacji pomiędzy urządzeniami NFC. Jest związany między innymi z trybem peer-to-peer.
Standard dotyczący kart i tagów pracujących na 13,56 MHz, zwykle zapewniających większy zasięg niż rozwiązania ISO/IEC 14443. Nie każdy system ISO/IEC 15693 jest jednak automatycznie pełnym systemem NFC.
NFC Forum definiuje między innymi technologie i formaty wykorzystywane przez urządzenia NFC oraz specyfikacje dotyczące tagów, NDEF i różnych trybów działania.
NFC może działać w kilku podstawowych konfiguracjach.
Smartfon lub czytnik odczytuje albo zapisuje dane znajdujące się na tagu NFC. Przykładem może być naklejka NFC zawierająca adres strony internetowej.
Telefon lub inne urządzenie zachowuje się jak karta bezkontaktowa. Ten tryb jest wykorzystywany między innymi w płatnościach mobilnych i systemach biletowych.
Dwa urządzenia NFC mogą komunikować się bezpośrednio ze sobą. Ten tryb był szczególnie istotny we wcześniejszych zastosowaniach NFC, chociaż współczesne smartfony często wykorzystują inne technologie, takie jak Bluetooth lub Wi-Fi Direct, do większych transferów danych.
Typowy pasywny tag NFC jest zaskakująco prosty. W jego wnętrzu znajduje się przede wszystkim antena w postaci cewki oraz układ scalony NFC.
Układ może zawierać pamięć EEPROM lub inny rodzaj pamięci nieulotnej przeznaczonej do przechowywania danych. W zależności od modelu tag może mieć od kilkudziesięciu bajtów do kilku kilobajtów użytecznej pamięci.
W przeciwieństwie do aktywnego urządzenia radiowego tag nie potrzebuje procesora o dużej mocy, nadajnika radiowego i baterii. Jego elektronika może składać się z bardzo małej liczby elementów.
NDEF (NFC Data Exchange Format) to standardowy format przechowywania i wymiany danych pomiędzy urządzeniami NFC.
NDEF organizuje informacje w postaci rekordów. Rekord może zawierać między innymi:
Dzięki temu telefon nie musi znać indywidualnego formatu każdego producenta tagów. System może odczytać strukturę NDEF i przekazać dane odpowiedniej aplikacji.
NFC jest technologią wywodzącą się z rodziny RFID, ale RFID jest pojęciem znacznie szerszym.
Systemy RFID mogą działać na różnych częstotliwościach, posiadać znacznie większy zasięg i być projektowane przede wszystkim do automatycznej identyfikacji obiektów.
NFC koncentruje się natomiast na komunikacji na bardzo małą odległość i interoperacyjności urządzeń konsumenckich. Typowe zastosowania NFC wykorzystują częstotliwość 13,56 MHz.
Samo NFC nie gwarantuje bezpieczeństwa transakcji. NFC zapewnia przede wszystkim kanał komunikacyjny. Bezpieczeństwo płatności jest realizowane przez dodatkowe mechanizmy kryptograficzne i systemy płatnicze.
W przypadku płatności mobilnych mogą być wykorzystywane między innymi tokenizacja, kryptografia symetryczna i asymetryczna, elementy bezpiecznego przechowywania kluczy oraz mechanizmy uwierzytelniania.
Zamiast przekazywać sprzedawcy rzeczywisty numer karty w każdej transakcji, system może wykorzystać specjalny token reprezentujący kartę. Do konkretnej transakcji mogą być również generowane dane kryptograficzne pozwalające zweryfikować jej autentyczność.
Dlatego skopiowanie samego sygnału radiowego NFC nie oznacza automatycznie możliwości skopiowania działającej karty płatniczej.
NFC nie zostało zaprojektowane jako technologia szybkiego przesyłania dużych ilości danych. W zależności od technologii i trybu pracy stosowane są szybkości rzędu 106, 212 i 424 kbit/s, a współczesne rozszerzenia standardów mogą obsługiwać również inne szybkości.
Dlatego NFC świetnie nadaje się do przekazania identyfikatora, krótkiej wiadomości, informacji o płatności czy adresu URL, ale nie jest rozsądnym zamiennikiem Wi-Fi do przesyłania gigabajtów danych. Ludzkość stworzyła szybsze sposoby przesyłania filmów.
Typowy praktyczny zasięg NFC wynosi kilka centymetrów. Wiele urządzeń wymaga zbliżenia anten na odległość około 1–4 cm, chociaż rzeczywisty zasięg zależy od konstrukcji anteny, mocy pola, orientacji urządzeń, materiałów znajdujących się pomiędzy antenami i konkretnego standardu.
Mały zasięg jest jednocześnie ograniczeniem i zaletą. Użytkownik musi fizycznie zbliżyć urządzenie do czytnika, co zmniejsza prawdopodobieństwo przypadkowej komunikacji z odległym urządzeniem.
Antena NFC działa najlepiej, gdy sprzężenie pomiędzy antenami jest odpowiednio silne. Elementy metalowe mogą zmieniać charakterystykę pola elektromagnetycznego i wpływać na parametry anteny.
Dlatego konstrukcja smartfona, grubość obudowy, materiały, położenie cewki oraz obecność metalowych elementów mogą wpływać na jakość komunikacji NFC.
Znaczenie ma również orientacja anten. Dwie cewki ustawione względem siebie w sposób zapewniający dobre sprzężenie indukcyjne będą komunikować się znacznie skuteczniej niż anteny ustawione w niekorzystnej orientacji.
Współczesny telefon NFC zawiera kontroler odpowiedzialny za obsługę interfejsu radiowego oraz antenę umieszczoną wewnątrz urządzenia. Kontroler komunikuje się z systemem telefonu, który może wykorzystywać NFC między innymi do odczytu tagów, płatności i emulacji kart.
W zależności od konstrukcji telefonu kontroler NFC może współpracować również z elementami odpowiedzialnymi za bezpieczne przechowywanie danych uwierzytelniających.
NFC to system komunikacji bliskiego zasięgu oparty na sprzężeniu indukcyjnym dwóch anten pracujących przy 13,56 MHz. Czytnik generuje zmienne pole elektromagnetyczne, a znajdujący się w jego pobliżu tag lub urządzenie wykorzystuje je do komunikacji.
W przypadku pasywnego tagu energia pola może zasilić jego układ scalony. Tag odpowiada poprzez zmianę obciążenia anteny, a czytnik wykrywa wynikające z tego zmiany pola. Dane mogą być następnie interpretowane jako rekordy NDEF lub przetwarzane przez wyższe warstwy konkretnego systemu.
Cały ekosystem opiera się na standardach takich jak ISO/IEC 14443, ISO/IEC 18092, ISO/IEC 15693 oraz specyfikacjach NFC Forum. Dzięki temu NFC może być wykorzystywane zarówno do prostych tagów z adresem URL, jak i do znacznie bardziej złożonych systemów, takich jak płatności bezkontaktowe, transport publiczny, kontrola dostępu i identyfikacja.
Najważniejszą cechą NFC nie jest więc sama „łączność bezprzewodowa”, lecz połączenie bardzo krótkiego zasięgu, indukcyjnego sprzężenia anten, możliwości zasilania pasywnych urządzeń oraz standaryzowanych protokołów komunikacyjnych.