Nghiên cứu tích hợp bài toán nhận dạng vân tay với ứng dụng thẻ thông minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
=======





======

LÝ HÙNG SƠN

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP BÀI TOÁN NHẬN DẠNG

VÂN TAY VỚI ỨNG DỤNG THẺ THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ

HÀ NỘI – 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
=======





======

LÝ HÙNG SƠN

NGHIÊN CỨU TÍCH HỢP BÀI TOÁN NHẬN DẠNG

VÂN TAY VỚI ỨNG DỤNG THẺ THÔNG MINH

Ngành : Công nghệ thông tin
Mã số : 1.01.10

LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS. TS. TRỊNH NHẬT TIẾN

HÀ NỘI – 2008


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................................................ ii
MỤC LỤC...................................................................................................................iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ............................................................................................ vii
DANH SÁCH BẢNG.................................................................................................. ix
KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT............................................................................................ x
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THẺ THÔNG MINH................................................. 4
1.1. TỔNG QUAN THẺ THÔNG MINH.................................................................. 4
1.1.1. Giới thiệu thẻ thông minh............................................................................ 4
1.1.2. Phân loại thẻ thông minh............................................................................. 5
1.1.3. Chuẩn công nghiệp...................................................................................... 9

1.1.4. Lĩnh vực ứng dụng..................................................................................... 11
1.2. CẤU TẠO THẺ THÔNG MINH...................................................................... 14
1.2.1. Cấu trúc vật lý............................................................................................ 14
1.2.2. Giao tiếp truyền thông............................................................................... 16
1.2.3. Cấu trúc file............................................................................................... 29
1.2.4. Lệnh thao tác với thẻ................................................................................. 36
1.3. THẺ THÔNG MINH VÀ HẠ TẦNG KHÓA CÔNG KHAI............................39
1.4. VẤN ĐỀ XÁC THỰC NGƢỜI DÙNG........................................................... 42
1.4.1. Định danh ngƣời dùng............................................................................... 42
1.4.2. Kiểm tra số bí mật..................................................................................... 43
iii


1.4.3. Sử dụng đặc trƣng sinh trắc học................................................................ 44
KẾT CHƢƠNG...................................................................................................... 48
Chương 2. BÀI TOÁN NHẬN DẠNG VÂN TAY.................................................... 49
2.1. HỆ THỐNG SINH TRẮC HỌC....................................................................... 49
2.1.1. Nhận dạng sinh trắc học............................................................................. 49
2.1.2. Hệ thống sinh trắc học............................................................................... 50
2.1.3. Lỗi trong hệ thống sinh trắc học................................................................ 52
2.2. HỆ THỐNG XÁC MINH SỬ DỤNG VÂN TAY............................................. 59
2.2.1. Phân tích và biểu diễn vân tay................................................................... 59
2.2.2. Sử dụng vân tay trong bài toán xác minh................................................... 61
2.2.3. Mô hình hệ thống xác minh....................................................................... 64
2.3. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH................................................................ 65
2.3.1. Lựa chọn thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh........................................... 65
2.3.2. Một số khái niệm....................................................................................... 69
2.3.3. Phân mảnh................................................................................................. 69
2.3.4. Chuẩn hóa ảnh........................................................................................... 70
2.3.5. Ƣớc lƣợng hƣớng vân cục bộ................................................................... 71

2.3.6. Ƣớc lƣợng tần suất vân cục bộ................................................................. 72
2.3.7. Lọc Gabor.................................................................................................. 75
2.3.8. Nhị phân hóa.............................................................................................. 77
2.3.9. Làm mảnh.................................................................................................. 77
2.4. TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƢNG VÀ HẬU XỬ LÝ............................................ 80
2.4.1. Trích chọn đặc trƣng................................................................................. 80
2.4.2. Hậu xử lý................................................................................................... 81

iv


2.5. ĐỐI SÁNH VÂN TAY DỰA TRÊN ĐẶC TRƢNG........................................ 84
2.5.1. Bài toán đối sánh vân tay........................................................................... 84
2.5.2. Đối sánh dựa trên chi tiết........................................................................... 86
KẾT CHƢƠNG...................................................................................................... 94
Chương 3. MÔ HÌNH XÁC THỰC THẺ THÔNG MINH SỬ DỤNG KỸ THUẬT
NHẬN DẠNG VÂN TAY........................................................................................... 96
3.1. THÀNH PHẦN HỆ THỐNG........................................................................... 96
3.2. KHẢ NĂNG TÍCH HỢP................................................................................ 101
3.2.1. Đối sánh trên máy chủ/lƣu trên máy chủ (a)............................................ 101
3.2.2. Đối sánh trên máy chủ/lƣu trên thẻ (b).................................................... 102
3.2.3. Đối sánh trên PC/lƣu trên PC (c)............................................................. 102
3.2.4. Đối sánh trên PC/lƣu trên thẻ (d)............................................................. 102
3.2.5. Đối sánh trên thiết bị thu/lƣu trên thiết bị thu (e).................................... 103
3.2.6. Đối sánh trên thiết bị thu/lƣu trên thẻ (f)................................................. 103
3.2.7. Đối sánh trên thẻ/lƣu trên thẻ (g)............................................................. 104
3.3. GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT................................................................................... 105
3.3.1. Giải pháp sử dụng thẻ thông minh TOC.................................................. 108
3.3.2. Giải pháp sử dụng thẻ thông minh SOC................................................... 117
KẾT CHƢƠNG..................................................................................................... 123

Chương 4. THỬ NGHIỆM GIẢI PHÁP
...................................................................................................................................
124
4.1. THỬ NGHIỆM ỨNG DỤNG......................................................................... 124
4.1.1. Mô hình thử nghiệm................................................................................. 124
4.1.2. Phân hệ phát hành thẻ.............................................................................. 125
4.1.3. Phân hệ xác thực ngƣời dùng.................................................................. 126
4.1.4. Kết quả thử nghiệm.................................................................................. 127
v


4.2. ĐÁNH GIÁ GIẢI PHÁP................................................................................ 128
4.2.1. Lợi ích cơ bản hai giải pháp đề xuất........................................................ 128
4.2.2. Ƣu nhƣợc điểm hai giải pháp đề xuất..................................................... 138
KẾT CHƢƠNG..................................................................................................... 140
KẾT LUẬN............................................................................................................... 141
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 142

vi


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.
Hình 2.
Hình 3.
Hình 4.
Hình 5.
Hình 6.
Hình 7.
Hình 8.

Hình 9.
Hình 10.
Hình 11.
Hình 12.
Hình 13.
Hình 14.
Hình 15.
Hình 16.
Hình 17.
Hình 18.
Hình 19.
Hình 20.
Hình 21.
Hình 22.
Hình 23.
Hình 24.
Hình 25.
Hình 26.
Hình 27.
Hình 28.
Hình 29.
Hình 30.
Hình 31.
Hình 32.
Hình 33.
Hình 34.
Hình 35.
Hình 36.
Hình 37.

Sơ đồ phân loại thẻ............................................................................................................ 5
Cấu trúc chip vi xử lý....................................................................................................... 7
Cấu trúc thẻ tiếp xúc......................................................................................................... 7
Cấu trúc thẻ không tiếp xúc........................................................................................... 8
Cấu trúc thẻ kết hợp.......................................................................................................... 8
Cấu trúc vật lý của thẻ thông minh.......................................................................... 14
Cấu trúc bộ xử lý trong thẻ thông minh................................................................. 16
Truyền dữ liệu khởi tạo giữa thẻ thông minh và Terminal.............................. 17
Biểu đồ trạng thái của Terminal và thẻ thông minh........................................... 19
Trình tự reset của Terminal......................................................................................... 20
Byte vận chuyển và phản hồi lỗi trong giao thức T=0...................................... 22
Cấu trúc yêu cầu của giao thức T=0........................................................................ 22
Kiến trúc giao tiếp ứng dụng...................................................................................... 26
Cấu trúc APDU lệnh...................................................................................................... 27
Cấu trúc APDU trả lời................................................................................................... 28
Mã trả về theo ISO/IEC 7816-4................................................................................. 28
Cấu trúc cấp bậc hệ thống file của thẻ thông minh............................................ 29
Cấu trúc file trong suốt................................................................................................. 31
Cấu trúc file tuyến tính, chiều dài cố định............................................................. 31
Cấu trúc file tuyến tính, chiều dài biến đổi........................................................... 31
Cấu trúc file tuần hoàn.................................................................................................. 32
Tên DF trong mối quan hệ với AID......................................................................... 33
Mô hình hệ thống PKI................................................................................................... 39
Quá trình kiểm tra PIN đƣợc nhập bởi terminal hợp lệ................................... 44
Phân loại các phƣơng pháp sinh trắc học.............................................................. 46
Một vài đặc trƣng sinh trắc học................................................................................ 49
Lƣợc đồ khối các quá trình tham gia, xác minh và định danh......................51
FMR và FNMR với ngƣỡng t.................................................................................... 54
FMR(t), FNMR(t), các điểm EER, ZeroFNMR và ZeroFMR...................... 56
Điểm thực thi tiêu biểu trong các ứng dụng khác nhau.................................... 57

Vân lồi và lõm trên một ảnh vân tay........................................................................ 59
Mẫu vân tay dạng gấp khúc........................................................................................ 59
Vân tay ứng với năm phân lớp chính...................................................................... 60
Các dạng đặc trƣng vân phổ biến............................................................................. 60
Tính đối ngẫu của đặc trƣng kết thúc và rẽ nhánh............................................. 61
Cấu trúc hệ thống xác minh sử dụng vân tay....................................................... 64
Thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh....................................................................... 68
vii


Hình 38.
Hình 39.
Hình 40.
Hình 41.
Hình 42.
Hình 43.
Hình 44.
Hình 45.
Hình 46.
Hình 47.
Hình 48.
Hình 49.
Hình 50.
Hình 51.
Hình 52.
Hình 53.
Hình 54.
Hình 55.
Hình 56.
Hình 57.

Hình 58.
Hình 59.
Hình 60.
Hình 61.
Hình 62.
Hình 63.
Hình 64.
Hình 65.
Hình 66.
Hình 67.

Hƣớng tại điểm vân trong một ảnh vân tay.......................................................... 71
Phép chiếu thực hiện tìm tần suất vân trong ảnh vân........................................ 73
Cửa sổ định hƣớng và x-signature........................................................................... 74
Lọc Gabor đối xứng chẵn trong không gian......................................................... 75
Các điểm thỏa mãn điều kiện xóa............................................................................. 78
Tám điểm lân cận tại một điểm vân P..................................................................... 80
Ví dụ về điểm vân kết thúc và điểm vân rẽ nhánh............................................. 81
Ví dụ về các cấu trúc đặc trƣng sai.......................................................................... 81
Ví dụ về xác minh điểm kết thúc hợp lệ T01 = 1................................................. 82
Ví dụ quá trình xác minh điểm rẽ nhánh, kết thúc không hợp lệ. (a) T01 =
1 ^ T02 = 1 ^ T03 = 0. (b) T01 = 0. 83
Ví dụ quá trình xác minh điểm rẽ nhánh T01 = 1 ^ T02 = 1 ^ T03 = 1.........83
Các dấu vân tay thu đƣợc của cùng một ngón tay không đối sánh đƣợc do
nhiễu phi tuyến (trên) và điều kiện da (dƣới) 85
Sắp hàng của đƣờng vân đầu vào và đƣờng vân mẫu...................................... 87
Hộp bao............................................................................................................................... 90
Các thành phần cơ bản cấu thành hệ thống sinh trắc học.............................. 100
Hệ thống gồm hai thành phần: máy chủ và hệ thống đầu cuối....................106
Khả năng giả mạo đối với thẻ thông minh.......................................................... 107

Chứng chỉ số X.509 cấp cho ngƣời dùng USRi bởi CA............................... 109
Cấu trúc mẫu vân lƣu trữ trên thẻ thông minh.................................................. 109
Ba giai đoạn trong quá trình xác thực................................................................... 111
Xác minh thông tin lƣu trên thẻ là hợp lệ........................................................... 111
Quá trình xác thực với thẻ thông minh dạng TOC........................................... 115
Mô hình tổng thể giải pháp đề xuất sử dụng thẻ TOC.................................... 116
Chứng chỉ số X.509 cấp cho ngƣời dùng USRi bởi CA............................... 118
Cấu trúc mẫu vân lƣu trữ trên thẻ thông minh.................................................. 118
Xác minh thông tin lƣu trên thẻ là hợp lệ........................................................... 119
Quá trình xác thực với thẻ thông minh dạng SOC........................................... 121
Mô hình tổng thể giải pháp đề xuất sử dụng thẻ SOC.................................... 122
Cấu trúc hệ thống thử nghiệm.................................................................................. 124
Mức độ an toàn tƣơng ứng cơ chế xác thực....................................................... 131

viii


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 1.
Bảng 2.
Bảng 3.
Bảng 4.
Bảng 5.
Bảng 6.
Bảng 7.
Bảng 8.

Các đặc tả thuộc chuẩn ISO 7816............................................................................. 10
Định nghĩa các tiếp xúc của thẻ thông minh......................................................... 18
Trạng thái của tiếp xúc trƣớc khi reset thẻ............................................................ 19

Các thành phần của khối giao thức T=1................................................................. 24
Một số định danh file dành riêng.............................................................................. 32
Đặc tính giá trị của CN................................................................................................. 80
Sự kết hợp giữa thành phần lƣu trữ và thành phần đối sánh....................... 101
Tính năng bảo mật của thẻ thông minh................................................................ 132

ix


KÝ HIỆU VÀ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU
PKI
PIN
CA
FAR
FRR
FMR
FNMR
TOC
SOC
PC
PCMCIA
IC
CD
CDROM
WORM
CAD
CHV

x

MỞ ĐẦU
Công nghệ thẻ thông minh đã phát triển đƣợc hơn 20 năm. Ứng dụng đầu tiên của
thẻ thông minh trên thị trƣờng là cho hệ thống điện thoại. Khi chi phí sản xuất thẻ
giảm cũng đồng nghĩa với thị trƣờng ứng dụng của thẻ thông minh đƣợc mở rộng.
Thẻ thông minh đƣợc mong đợi sử dụng trong nhiều ứng dụng và đặc biệt trong các
ứng dụng liên quan tới bảo mật nhƣ quản lý truy nhập, đăng nhập hệ thống, dịch vụ
đảm bảo an toàn thƣ gửi và nhận… Thẻ thông minh đƣợc coi là giải pháp tốt cho
nhiều lĩnh vực có yêu cầu bảo mật cao, nhƣng bản thân việc xác thực quyền sở hữu
thẻ cũng là vấn đề cần đƣợc quan tâm.
Thông thƣờng, trong một ứng dụng thẻ thông minh, xác thực ngƣời sở hữu dựa
trên PIN. Tuy nhiên xác thực dựa trên PIN không phải là một cách thuận tiện đặc biệt
khi ngƣời dùng có một số lƣợng lớn PIN và mật khẩu cần nhớ. Ngƣời dùng có thể
quên số PIN và do đó khi cố gắng sử dụng thẻ sau một vài lần thất bại, thẻ sẽ bị khóa.
Khi các kỹ thuật nhận dạng sinh trắc ngày càng trở nên hoàn thiện, sẽ ngày càng có
nhiều kỹ thuật nhận dạng đƣợc ứng dụng vào tiến trình xác thực thẻ thông minh.
Nhiều công ty đã bắt đầu sử dụng kỹ thuật này trong thị trƣờng thƣơng mại nhƣ máy
ATM. Trong tƣơng lai gần, nhận dạng sinh trắc sẽ đƣợc tích hợp vào hệ điều hành thẻ
và khi đó ngƣời dùng có thể sử dụng kết hợp cả xác thực PIN và xác thực sinh trắc.
Tìm hiểu và xây dựng giải pháp xác thực dựa trên kỹ thuật sinh trắc là bài toán
hay và đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều đơn vị trong và ngoài nƣớc. Trong
nƣớc ta, chƣa nhiều công trình nghiên cứu tích hợp thẻ thông minh và kỹ thuật sinh
trắc học ứng dụng cho bài toán xác thực cá thể trên mạng công khai. Luận văn đề xuất
giải pháp kết hợp hai công nghệ thẻ thông minh và sinh trắc học dựa trên tính khả
năng đáp ứng của phần cứng, thiết bị tƣơng ứng.
Do thời gian hạn chế cũng nhƣ điều kiện thực nghiệm còn nhiều khó khăn nên kết
quả đạt đƣợc còn một vài điểm thiếu sót. Tuy vậy luận văn sẽ là một tiền đề tốt cho
việc nghiên cứu và phát triển hoàn thiện giải pháp có khả năng đƣa ra ứng dụng trong
thực tế. Đây chính là ý nghĩa thực tiễn và mục tiêu luận văn hƣớng đến.

1


Nội dung luận văn và các vấn đề cần giải quyết
 Tìm hiểu cơ sở toán học và các kỹ thuật mã hóa, ký số
 Tìm hiểu cơ sở hạ tầng khóa công khai (PKI)
 Tìm hiểu công nghệ thẻ thông minh (SmartCard)
 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết nhận dạng sinh trắc học
 Tìm hiểu bài toán nhận dạng vân tay
 Đề xuất giải pháp tích hợp giữa thẻ thông minh và bài toán nhận dạng vân tay
 Xây dựng các module thử nghiệm và tích hợp hệ thống thử nghiệm
 Nhận xét, đánh giá mô hình giải pháp, tính khả thi của giải pháp trong thực tiễn.

Phƣơng pháp nghiên cứu
 Nghiên cứu tài liệu khoa học, ứng dụng
 Tham khảo ý kiến của các chuyên gia
 Tìm kiếm thông tin công nghệ tƣơng tự

Cấu trúc luận văn đƣợc chia thành bốn chƣơng
 Chƣơng 1: Tổng quan về thẻ thông minh.

Giới thiệu các nội dung, kiến thức cơ bản về thẻ thông minh. Nội dung của
chƣơng sẽ giới thiệu khái quát về thẻ thông minh, cấu trúc vật lý, cấu trúc phần
mềm. Đánh giá cơ chế xác thực sử dụng PIN và giới thiệu phƣơng pháp thay
thế sử dụng kỹ thuật xác thực sinh trắc học. Ngoài ra hạ tầng khóa công khai
cũng đƣợc đề cập tới cung cấp cái nhìn tổng quan nhất về các công nghệ sẽ sử
dụng nhƣ: chứng chỉ số, ký số, mã hóa.

2

 Chƣơng 2: Bài toán nhận dạng vân tay.

Nội dung của chƣơng sẽ tập trung tìm hiểu bài toán nhận dạng vân tay. Các
bƣớc trong quá trình nhận dạng vân tay sẽ đƣợc mô tả chi tiết: quá trình thu
nhận vân tay, lƣu trữ vân tay tới các quá trình tiền xử lý ảnh, trích chọn đặc
trƣng và cuối cùng là giai đoạn đối sánh vân tay. Cuối chƣơng này sẽ đề cập tới
một số vấn đề trong quá trình thiết kế một hệ thống nhận dạng vân tay nhằm
phục vụ cho việc xây dựng hệ thống tích hợp trong phần sau.

 Chƣơng 3: Mô hình xác thực thẻ thông minh sử dụng kỹ thuật nhận dạng

vân tay.
Đề xuất giải pháp xác thực sử dụng kỹ thuật nhận dạng sinh trắc học. Nội dung
chƣơng cũng sẽ đề cập tới một vài giải pháp xác thực sử dụng các thuật toán
đối sánh khác nhau. Từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp nhất với ứng dụng sử
dụng thẻ: đó là các tính chất nhƣ khả năng xác thực nhanh, chính xác. Các vấn
đề bảo mật của hệ thống tích hợp cũng đƣợc đề cập nhằm đƣa ra hƣớng nghiên
cứu trong tƣơng lai.

 Chƣơng 4: Thử nghiệm giải pháp.

Đƣa ra các đánh giá nhận xét đối với giải pháp xác thực thẻ thông minh đã đề
xuất trong chƣơng hai và chƣơng ba. Mô hình hệ thống thử nghiệm đƣợc đề
xuất và đánh giá các kết quả đạt đƣợc.

3

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THẺ THÔNG MINH
1.1. TỔNG QUAN THẺ THÔNG MINH
1.1.1. Giới thiệu thẻ thông minh
Thẻ thông minh (smartcard) là một tấm thẻ nhựa gắn chip vi xử lý. Thẻ thông
minh có bề ngoài giống thẻ tín dụng thông thƣờng, ngoại trừ phần tiếp xúc bằng kim
loại (chỉ có ở thẻ contact), nhƣng những ứng dụng của thẻ lại hoàn toàn khác. Không
giống nhƣ những chức năng ở thẻ ngân hàng và thẻ tín dụng thông thƣờng, thẻ thông
minh có thể đƣợc dùng làm ví điện tử để giữ tiền điện tử. Với một phần mềm phù hợp,
nó còn có thể đƣợc dùng làm thẻ kiểm soát truy nhập an toàn, từ việc ra vào cửa cho
đến việc truy cập máy tính.
Thẻ thông minh đƣợc định nghĩa là “thẻ tín dụng” có gắn thêm một “bộ não”, mà
bộ não là một con chip máy tính nhỏ. Nhờ “bộ não đƣợc gắn thêm” này mà thẻ thông
minh còn đƣợc gọi bằng cái tên thẻ chip hoặc thẻ mạch tích hợp (IC). Dù là loại thẻ
thông minh nào, dung lƣợng bộ nhớ cũng đều lớn hơn nhiều so với thẻ vạch từ. Tổng
dung lƣợng bộ nhớ của thẻ vạch từ chỉ là 125 bytes, trong khi dung lƣợng của thẻ
thông minh có thể từ 1K bytes cho tới 64K bytes. Nói cách khác, dung lƣợng bộ nhớ
của thẻ thông minh có thể lớn gấp 500 lần thẻ vạch từ.
Rõ ràng dung lƣợng bộ nhớ lớn là một trong những ƣu điểm của thẻ thông minh,
nhƣng đặc điểm quan trọng bậc nhất của thẻ lại nằm ở chỗ dữ liệu lƣu giữ trong thẻ
đƣợc bảo vệ an toàn khỏi sự truy cập hoặc thay đổi trái phép.Trong thẻ thông minh,
việc truy cập vào nội dung bộ nhớ do một mạch logic an toàn gắn trong thẻ kiểm soát.
Vì việc truy cập vào dữ liệu chỉ có thể đƣợc thực hiện thông qua một giao diện liên
hoàn do hệ điều hành và hệ logic an toàn kiểm soát, nên dữ liệu mật đƣợc lƣu trong
thẻ sẽ tránh đƣợc sự truy cập trái phép từ bên ngoài. Dữ liệu mật này chỉ có thể đƣợc
xử lý nội bộ thông qua bộ vi xử lý.
Nhờ đặc tính kết nối không liên tục và tính bảo mật cao của thẻ thông minh nên
khó có thể lấy giá trị của thẻ hoặc chèn thông tin trái phép vào thẻ. Chính vì vậy thẻ
thông minh rất thích hợp cho việc lƣu trữ dữ liệu tiện lợi và an toàn. Nếu không đƣợc
phép của chủ sở hữu, không thể lấy hoặc thay đổi dữ liệu trong thẻ. Có thể nói thẻ
thông minh giúp nâng cao tính bảo mật và riêng tƣ cho ngƣời sử dụng.

4


Nhƣ vậy, thẻ thông minh không chỉ đơn thuần là nơi lƣu trữ dữ liệu, mà là nơi lƣu
trữ dữ liệu an toàn, có thể lập trình. Microsoft coi thẻ thông minh là cánh tay nối dài
của máy tính cá nhân, và là nhân tố chủ chốt trong cơ sở hạ tầng khóa công khai.
Thẻ gắn bộ vi xử lý lần đầu tiên do hai kỹ sƣ ngƣời Đức phát minh vào năm 1967.
Chỉ đến khi Roland Moreno, một nhà báo ngƣời Pháp, công bố Bằng sáng chế Thẻ thông
minh tại Pháp năm 1974, thẻ mới đƣợc biết đến rộng rãi. Với những tiến bộ trong công
nghệ sản xuất bộ vi xử lý, phí nghiên cứu và sản xuất thẻ thông minh gần đây đã giảm đi
đáng kể. Năm 1984 đánh dấu một bƣớc phát triển vƣợt bậc khi Bộ Bƣu chính Viễn thông
Pháp tiến hành thử nghiệm thành công trên thẻ điện thoại. Kể từ đó thẻ thông minh không
còn bị ràng buộc vào thị trƣờng thẻ ngân hàng truyền thống, cho dù vào năm 1997 thẻ
điện thoại vẫn chiếm thị phần lớn nhất của thẻ thông minh.

Nhờ vào bộ quy chuẩn ISO-7816 đƣợc ban hành năm 1987 (quy định tiêu chuẩn
giao diện thẻ thông minh áp dụng trên toàn cầu), định dạng thẻ thông minh hiện nay đã
đƣợc chuẩn hóa. Thẻ do các nhà phát hành khác nhau đƣa ra đều có thể giao tiếp với
máy chủ sử dụng một bộ ngôn ngữ chung.

1.1.2. Phân loại thẻ thông minh
Thẻ đƣợc chia làm hai nhóm: thẻ “thông minh” và thẻ “không thông minh”. Thẻ
“không thông minh” hay còn gọi là thẻ nhớ, chỉ có khả năng lƣu trữ thông tin. Thẻ
“thông minh” ngoài khả năng nhƣ thẻ nhớ, nó còn có khả năng xử lý thông tin. Về cơ
bản, dựa trên đặc điểm bề ngoài, thẻ “thông minh” có thể đƣợc chia ra làm ba nhóm
chính là thẻ tiếp xúc, thẻ không tiếp xúc, và thẻ kết hợp. Hình dƣới đƣa ra sự phân
loại thẻ dựa trên năng lực xử lý dữ liệu và đặc trƣng vật lý của mỗi loại.

PHÂN LOẠI THẺ

Thẻ từ

Thẻ quang

Hình 1.

Sơ đồ phân loại thẻ


5


Thẻ không “thông minh” hay còn gọi là thẻ nhớ xuất hiện khá lâu trƣớc khi ra đời
thẻ thông minh. Thẻ không “thông minh” nhiều khi còn đƣợc gọi là thẻ nhớ đƣợc chia
là ba loại cơ bản: thẻ từ, thẻ quang và thẻ chip nhớ.
Thẻ từ là thẻ sử dụng từ tính để lƣu trữ dữ liệu tuy nhiên dung lƣợng lƣu trữ là
thấp. So với sự phát triển và yêu cầu ngày càng cao của các ứng dụng thì thẻ từ không
thể đáp ứng đƣợc và dần đi vào thoái trào.
Thẻ quang dùng tia laser để đọc và ghi dữ liệu lên thẻ. Về cơ bản thẻ quang không
gắn chip vi xử lý. Công nghệ sử dụng trong thẻ nhớ quang học tƣơng tự nhƣ trong đĩa
CD hoặc CDROM. Một tấm bảng nhỏ làm từ vật liệu nhạy cảm với tia laser màu ánh
kim đƣợc dát mỏng gắn trong thẻ đƣợc dùng để lƣu trữ thông tin. Do trên thực tế vật
liệu dùng trên thẻ bị đốt cháy trong quá trình ghi dữ liệu nên thẻ đƣợc gọi là phƣơng
tiện WORM (ghi một lần đọc đƣợc nhiều lần), dữ liệu trong thẻ không bị mất đi khi
nguồn năng lƣợng bị cắt.
Thẻ chip nhớ là một con chip chỉ có nhiệm vụ lƣu thông tin, không có khả năng
xử lý thông tin. Thẻ chip nhớ có khả năng lƣu trữ lƣợng thông tin lớn gấp hàng ngàn
lần so với thẻ vạch từ. Loại thẻ này trƣớc hết đƣợc dùng cho các ứng dụng cơ bản
nhƣ làm thẻ điện thoại thời kỳ đầu.

Ngoài ra còn có một loại thẻ - thẻ PC (Plastic Card) hay còn gọi là thẻ PCMCIA đƣợc gắn bộ vi xử lý hoàn chỉnh nhƣ thẻ thông minh, nhƣng đƣợc sử dụng với mục
đích hoàn toàn khác. Thẻ PC mang những đặc điểm giống nhƣ thẻ thông minh nhƣng
chúng lại đƣợc dùng làm các thiết bị ngoại vi nhƣ modem, cần điều khiển hoặc đầu
chơi game. Thông thƣờng thẻ PC không đƣợc coi là thẻ thông minh vì chúng là thiết
bị mở rộng không mang tính cá nhân.
Nhóm thẻ “thông minh” có thể đƣợc chia thành ba nhóm nhƣ đã nói ở trên. Thẻ
thông minh không tiếp xúc là thẻ có một dây nối ăngten để giúp chuyển phát tín hiệu
tới một ăngten thu nhận khác. Thẻ thông minh tiếp xúc là thẻ giao tiếp bằng cách đƣa
thẻ vào một đầu đọc thẻ, chip vi xử lý trong thẻ tiếp xúc trực tiếp với đầu đọc thẻ. Thẻ
thông minh kết hợp là loại thẻ kết hợp tính năng của thẻ thông minh tiếp xúc và thẻ
thông minh không tiếp xúc.
Không giống thẻ vạch từ, thẻ thông minh có thể mang tất cả mọi chức năng và
thông tin cần thiết trên thẻ. Thẻ thông minh có gắn bộ vi xử lý hoàn chỉnh thực hiện
nhiều chức năng nhƣ năng lực xử lý thông tin, có khả năng mã hóa, bảo mật thông tin
hay thực hiện thao tác tính toán phức tạp, và các chức năng xử lý tƣơng tác khác. Chỉ
có thẻ chíp mới thực sự đủ “thông minh” để mang lại tính linh hoạt và đa chức năng
mà nền kinh tế đƣợc nối mạng hiện nay đòi hỏi.
6


Hình 2.

Cấu trúc chip vi xử lý

Thẻ tiếp xúc có một vùng tiếp xúc khoảng 1cm 2 , vùng tiếp xúc này đƣợc chia
nhỏ thành các miếng tiếp xúc màu vàng. Khi thẻ đƣợc đƣa vào đầu đọc, chip xử lý
thực hiện tiếp xúc với bộ kết nội điện cho phép đọc và ghi thông tin lên chip. Thẻ tiếp
xúc không có pin; toàn bộ năng lƣợc đƣợc cung cấp bởi bộ đọc thẻ.

Hình 3.

Cấu trúc thẻ tiếp xúc

Thẻ thông minh không tiếp xúc đòi hỏi ngƣời sử dụng phải có đầu đọc thẻ. Cả đầu
đọc và thẻ đều phải có ăngten và đƣờng dẫn không dây đƣợc hình thành nhờ sóng
radio. Thẻ và đầu đọc liên lạc với nhau sử dụng sóng radio. Năng lƣợng cho thẻ không
tiếp xúc đƣợc lấy từ tín hiệu điện từ do đầu đọc thẻ cung cấp. Với thẻ không dùng
năng lƣợng pin, khoảng cách giữa thẻ và đầu đọc thẻ là khoảng hai đến ba inches; đặc
điểm này khiến thẻ thông minh trở nên lý tƣởng đối với những ứng dụng đòi hỏi phải
có giao tiếp nhanh chóng, thuận tiện.

7


Hình 4.

Cấu trúc thẻ không tiếp xúc

Việc kết hợp hai loại thẻ thông minh tiếp xúc và không tiếp xúc cho ta một nhóm
thẻ thông minh khác là thẻ kết hợp. Thẻ kết hợp đƣợc phân tách làm hai loại nhỏ hơn
đó là thẻ lai – hybrid - và thẻ kết hợp - combi.
Thẻ lai – hybrid card – có hai chip, mỗi chip có một giao diện tiếp xúc và không
tiếp xúc riêng. Hai chip này không kết nối với nhau, nhƣng nhờ có nhiều ứng dụng,
loại thẻ lai này đáp ứng nhu cầu của ngƣời tiêu dùng và nhà phát hành thẻ.
Thẻ kết hợp – combi card – với một chip duy nhất có cả giao diện tiếp xúc và
không tiếp xúc, có mức độ an toàn rất cao. Vận tải hành khách quy mô lớn và ngân
hàng có lẽ sẽ là ngành đầu tiên đƣợc hƣởng thuận lợi từ công nghệ thẻ kết hợp.

Hình 5.

Cấu trúc thẻ kết hợp

Thẻ điện thoại ngày nay là dạng thẻ thông minh tiếp xúc, đang ngày càng trở nên
thịnh hành ở Tây Âu và châu Á - nơi điện thoại công cộng trả tiền xu đang dần lỗi
thời. Những tấm thẻ trả tiền trƣớc này đã giúp tăng doanh thu cho các tổng đài điện
thoại trả tiền, cho phép nhiều giao dịch cấp cao đƣợc thực hiện thông qua điện thoại
công cộng và trở thành các phƣơng tiện quảng cáo cũng nhƣ làm thành bộ sƣu tập
cho những ngƣời ƣa thích sƣu tầm. Việc thẻ điện thoại trở nên phổ biến đã góp phần
khiến ngƣời tiêu dùng thích nghi hơn với việc sử dụng thẻ thông minh
8


1.1.3. Chuẩn công nghiệp
Việc tạo ra các chuẩn quốc tế và quốc gia cho thẻ thông minh là một yêu cầu bắt
buộc đối với việc đƣa Thẻ thông minh ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày.
Các chuẩn đặc biệt quan trọng đối với việc mở rộng phạm vi sử dụng của Thẻ thông
minh. Thẻ thông minh chỉ là một thành phần trong nhiều thành phần của một hệ thống
phức tạp. Điều này có nghĩa là giao diện giữa Thẻ và phần còn lại của hệ thống phải
đƣợc đặc tả chính xác và phù hợp với nhau. Việc này tất nhiên là có thể làm đƣợc cho
mỗi hệ thống tuỳ theo từng trƣờng hợp mà không cần quan tâm đến hệ thống khác.
Tuy nhiên, điều này cũng có nghĩa là các loại Thẻ khác nhau sẽ cần cho các hệ thống
khác nhau. Ngƣời dùng do đó sẽ phải mang nhiều loại Thẻ thông minh cho các ứng
dụng. Để tránh điều này, cần phải tạo ra đƣợc một chuẩn độc lập ứng dụng cho phép
Thẻ đa chức năng có thể đƣợc phát triển.
Dƣới đây là một số tổ chức tham gia vào các chuẩn của Thẻ thông minh:
 ISO (International Standard Organization).

Chuẩn ISO 7816 là chuẩn quốc tế cho các loại thẻ mạch tích hợp (Thẻ thông minh)
dùng tiếp xúc điện. Bất kỳ ai muốn hiểu đƣợc về mặt kỹ thuật của Thẻ thông minh
đều cần phải biết đến ISO 7816. Bảng dƣới mô tả một số thành phần con của

chuẩn ISO 7816. Có một vài chuẩn con không đƣợc đề cập tới bởi không cần thiết
cho ngƣời lập trình hoặc đang trong quá trình xây dựng.
 NIST (National Institute of Standards and Technology).

NIST đã xuất bản tài liệu FIPS 140-1, “Yêu cầu bảo mật đối với module mật mã”.
Tài liệu này liên quan đến khía cạnh an ninh vật lý của chip Thẻ thông minh, đƣợc
định nghĩa nhƣ là một loại module mật mã.
 Europay, MasterCard và Visa.

Europay, MasterCard và Visa đã tạo ra “Đặc tả Thẻ mạch tích hợp cho hệ thống trả
tiền”. Đặc tả này có mục đích tạo ra một cơ sở kỹ thuật cho Thẻ và việc thực thi
của hệ thống lƣu trữ giá trị (stored value system).
 Microsoft.

Microsoft có một chuẩn cho Thẻ thông minh và PC (Personal Computer) là đặc tả
PC/SC.
 CEN và ETSI (European Telecomunications Standards Institute).

CEN và ETSI tập trung chủ yếu vào lĩnh vực viễn thông với GSM SIM cho điện
thoại di động.

9


Chuẩn
ISO 7816-1
ISO 7816-2

ISO 7816-3

ISO 7816-4

ISO 7816-5

ISO 7816-7

Bảng 1.

Các đặc tả thuộc chuẩn ISO 7816

10


1.1.4. Lĩnh vực ứng dụng
Lĩnh vực kinh tế - chăm sóc khách hàng
Tháng 3 năm 2000, Visa phát hành một bộ tài liệu nhằm thuyết phục các doanh
nghiệp đăng ký tham gia chƣơng trình giải thƣởng khách hàng lâu năm của thẻ thông
minh. Theo chƣơng trình này, mỗi doanh nghiệp sẽ có riêng một chƣơng trình khách
hàng lâu năm. Một khách hàng khi mua hàng bằng thẻ thông minh Visa, mọi chi tiết sẽ
đƣợc lƣu giữ trên thẻ để phục vụ cho chƣơng trình này. Sau đó, khi khách hàng cộng
dồn đủ số điểm họ có thể đổi điểm lấy phần thƣởng. Ƣu điểm của thẻ Visa là ở chỗ
khách hàng sẽ giành đƣợc điểm khi họ dùng thẻ Visa. Đối với khách hàng, đó sẽ là
điều rất tiện lợi vì họ chỉ phải giữ một thẻ Visa thay vì cả một nắm thẻ.
Lĩnh vực tài chính, ngân hàng
Nếu không phải nhét xu vào máy bán hàng tự động bạn sẽ mua nƣớc ngọt và
snack thƣờng xuyên nhƣ thế nào? “Dùng tiền mặt quả thực hết sức phiền phức”,
Donald Gleason, chủ tịch chi nhánh Công ty Thẻ thông minh của tập đoàn Dịch vụ
thanh toán điện tử phát biểu. Mỗi năm chỉ riêng ở Mỹ các công ty điều khiển máy bán
hàng phải chi xấp xỉ 60 tỷ đôla để thu nhận tiền từ máy - một công cụ quá lỗi thời cần
mạnh tay dẹp bỏ. Giải pháp là nhét tiền vào túi hủy và quẹt diêm. Điều này sẽ không

xảy ra ngay lập tức, tiền giấy có thể sẽ không biến mất (thậm chí tiền xu cũng không
đƣợc hủy), nhƣng các loại hóa đơn và việc đúc hay in tiền sẽ dần dần bị thay thế bằng
các phƣơng thức điện tử tƣơng đƣơng.
Tháng 9 năm 1999, hãng American Express tung ra một sản phẩm mới với tên gọi
Thẻ Xanh. Thẻ Xanh đi kèm với một đầu đọc thẻ thông minh gắn chip miễn phí và
một giấy bảo hành an ninh mạng. Ngƣời ta dự đoán rằng để tiếp thị sản phẩm mới này
hãng phải chi tới 45 triệu đôla và hãng cũng hy vọng sẽ tiếp nhận hơn hai triệu tài
khoản. Visa và Master Card cũng phát triển nhóm thẻ thông minh.
Công nghệ thông tin
Thẻ thông minh có thể đƣợc sử dụng nhƣ một loại chứng minh thƣ xác thực danh
tính ngƣời truy cập vào mạng máy tính. Hãng IBM đã bán ra đầu đọc thẻ PPCMCIA
cho máy tính xách tay. Khi cài đặt phần mềm kèm theo, các file có thể đƣợc mã hóa
và giải mã tự động, căn cứ vào đối tƣợng truy cập vào máy. Mỗi khi thẻ của ngƣời sử
dụng đƣợc đƣa vào đầu đọc, các file sẽ tự động mã hóa và giải mã, ngay cả khi ngƣời
sử dụng không ý thức đƣợc điều đó. Nếu ai đó cố gắng truy cập vào một file mà
không có thẻ thông minh hợp lệ, họ sẽ chỉ thấy file bị mã hóa.

11


Chính quyền
Tại Mỹ, thẻ thông minh hiện đang đƣợc sử dụng để tự động hóa việc thu thập dữ
liệu kinh doanh đậu phộng - công việc trƣớc đây vốn rất cồng kềnh và tốn nhiều giấy
mực. Các văn phòng địa phƣơng USDA phát hành thẻ thông minh cho những nông
dân đủ năng lực kinh doanh đậu phộng theo hệ thống hạn ngạch dành cho đậu phộng
của chính phủ Mỹ.
Thẻ này bao gồm thông tin về ngƣời nông dân (hoặc chủ trang trại) nhƣ tên, mã
trang trại, hạn ngạch đậu phộng của trang trại tính theo cân Anh, thông tin pháp nhân
cho khoản vay hỗ trợ vụ thu hoạch và hồ sơ giao dịch.
Khi ngƣời nông dân vận chuyển đậu phộng đến điểm thu mua, thẻ thông minh sẽ

đƣợc đƣa vào điểm đọc thẻ để quyết định lô đậu phộng này có thể đƣợc thu mua theo
hạnh ngạch hay một phƣơng thức nào khác hay không. Mỗi giao dịch đƣợc tiến hành
đều đƣợc ghi lại trên hệ thống nơi lƣu giữ các bản quyết toán trƣớc đó. Vào cuối vụ,
nông dân đem trả lại thẻ thông minh cho chính quyền địa phƣơng, để thông tin đƣợc
xử lý cho phù hợp với thông tin thị trƣờng trƣớc đó đã đƣợc truyền từ hệ thống máy
tính tại điểm thu mua tới hệ thống máy tính trung tâm của USDA.
Năm 1998 lần đầu tiên Bộ Quốc phòng Mỹ tiến hành thử nghiệm thẻ thông minh.
Khoảng 8.000 thẻ đã đƣợc phát cho các sỹ quan Không lực, Hải quân và quân đội Mỹ
và sỹ quan quân đội Thái Lan trong các cuộc tập trận. Thẻ chủ yếu đƣợc dùng phục vụ
cho tự động hóa cập nhật danh sách vận chuyển hàng hóa và nhân sự. Ứng dụng này
đã giúp giảm thời gian tải hàng của một máy bay có sức chứa 350 hành khách từ 4 giờ
xuống còn 3 giờ 35 phút. Đầu đọc thẻ gắn với máy tính xách tay cũng đƣợc sử dụng
để dò tìm vị trí của ngƣời giữ thẻ.
Lĩnh vực truyền thông - hệ thống điện thoại
Thẻ thông minh đã đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành viễn thông nhiều năm nay.
Tính tới tháng 1 năm 2000 có trên 250 triệu thẻ đƣợc sử dụng trong ngành điện thoại
di động toàn cầu và trên 100 quốc gia áp dụng thanh toán cho máy điện thoại công
cộng bằng thẻ thông minh thay bằng tiền xu.
Trong Hệ thống Điện thoại Di động toàn cầu (GSM) thẻ SIM (Subscriber Identity
Module) nắm giữ tất cả thông tin về ngƣời sử dụng. Điều này cho phép thẻ thông
minh có thể đƣợc lắp vào bất kỳ một điện thoại nào thuộc mạng GSM và ngƣời dùng
sẽ bị tính phí sử dụng. Bên trong thẻ thông minh cũng có lắp sẵn sổ địa chỉ và bảo mật.
Vào thời điểm năm 1988, kích cỡ điện thoại di động vẫn còn rất lớn. Khi đi du
lịch mà không muốn mang theo một chiếc điện thoại cồng kềnh, ngƣời ta có thể
mƣợn hoặc thuê một chiếc điện thoại nếu cần. Tất cả những gì ngƣời ta phải làm là
nhét thẻ thông minh SIM vào máy và phí cuộc gọi sẽ tính vào tài khoản của ngƣời
dùng.
12

Giao thông công cộng
Tháng 12 năm 2001, Cơ quan Vận tải Chicago (CTA) đã ký một hợp đồng với Tập
đoàn Cubic Transportation Systems. Theo hợp đồng này, Cubic sẽ cung cấp thiết bị
liên quan đến thẻ thông minh hỗ trợ cho việc thu giữ vé. Dự án sẽ hoàn thành vào cuối
năm 2002, với 300.000 thẻ đƣợc phát hành.
Hệ thống thu giữ vé của Cubic cũng có thể đƣợc áp dụng trên toàn hệ thống
đƣờng sắt và xe bus của CTA và hệ thống xe bus Pace của khu vực ngoại vi Chicago,
biến CTA thành hệ thống vận tải hành khách công cộng đa chi nhánh, đa mô hình đầu
tiên tại Mỹ.
Định danh, xác thực
Một trong những khối ngành lớn nhất của Mỹ sử dụng thẻ thông minh là định
danh trong các trƣờng học. Ở Mỹ, gần 1 triệu thẻ thông minh đƣợc sử dụng chỉ trong
khối trƣờng cao đẳng. Điều này có nghĩa là cứ 17 sinh viên lại có một ngƣời dùng thẻ.
Nhiều trƣờng đại học còn dùng thẻ thông minh để định danh sinh viên.
Sinh viên có thể dùng thẻ để thanh toán các khoản nhƣ giặt là, đồ ăn, phiếu phạt
của thƣ viện. Thẻ thông minh còn có thể đƣợc dùng nhƣ thẻ điện thoại tại Ký túc xá
trƣờng đại học Robert Morris.

13


1.2. CẤU TẠO THẺ THÔNG MINH
1.2.1. Cấu trúc vật lý
Thẻ thông minh có ba thành phần cơ bản giống nhƣ tất cả mọi máy tính khác:
 Bộ vi xử lý
 Bộ nhớ
 Các giao tiếp với bên ngoài (input/output)

Để có thể hoạt động, mỗi thẻ cần có nguồn điện (power source) nằm trong Reader
(thiết bị dùng để giao tiếp với thẻ) hoặc trong bản thân thẻ. Thẻ thông minh có kích

thƣớc nhƣ một tấm thẻ nhựa PVC thông thƣờng (bản thân thẻ cũng đƣợc làm từ PVC
hoặc nhựa tổng hợp) và đƣợc tích hợp một thành phần vi mạch.
Vi mạch này bao gồm một miếng silicon tích hợp chip vi mạch với bộ nhớ và bộ
vi xử lý. Thành phần vi mạch có 8 phần tiếp xúc kim loại trên bề mặt, mỗi phần đều
đƣợc thiết kế theo tiêu chuẩn quốc tế nhƣ VCC (cung cấp nguồn điện), RST (Reset bộ
vi xử lý cho thẻ thông minh), CLK (tín hiệu đồng hồ), GND (ground), VPP (lập trình
hoặc ghi điện áp), và I/O (Đƣờng vào/ra).
Có hai mặt đƣợc thiết kế cho các mục tiêu trong tƣơng lai là 2 mặt RFU. Chỉ có
I/O và GND là 2 mặt bắt buộc phải có trên một chiếc thẻ để có thể tuân thủ các tiêu
chuẩn quốc tế. Các mặt khác là tùy chọn.

Hình 6.

Cấu trúc vật lý của thẻ thông minh
14