System operacyjny w portfelu. Spojrzenie na mikroprocesor w karcie płatniczej

Karty płatnicze z wbudowanym mikroprocesorem opartym na specyfikacji EMV są w powszechnym użytku. Gdy dokonujemy płatności naszym plastikiem, do jej realizacji używany jest mikroprocesor. Z danych Narodowego Banku Polskiego o kartach płatniczych za trzeci kwartał 2019 wynika, że statystycznie 9 na 10 kart dostępnych na rynku posiada charakterystyczny dla kart płatniczych układ scalony. Bez względu czy płacimy zbliżeniowo, bądź tradycyjnie w sposób stykowy, w tle swoją rolę spełnia mikroprocesor i pozwala nam bezpiecznie dokonać płatności. Postaram się przedstawić najważniejsze informacje, które przybliżą budowę, produkcję, a także sposób działania tak ważnego elementu karty płatniczej.

6 luty 1959. Amerykański inżynier, Jack Kilby, rejestruje patent o nazwie „Zminiaturyzowany Obwód elektoniczny”, za który ostatecznie w 2000 roku otrzymuje nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swój udział w wynalezieniu układu scalonego. Wkład w rozwój tej technologii miał także amerykański fizyk Robert Noyce, który udoskonalił rozwiązanie przedstawione światu przez wspomnianego noblistę. Kolejne udoskonalenia technologii układu scalonego, w tym jego miniaturyzacja sprawiły, że rozwiązaniem zaczęły się interesować firmy i organizacje z kręgu płatności bezgotówkowych. Główną przyczyną, która skłoniła branżę finansową do wdrożenia mikroprocesora w płatnościach bezgotówkowych były liczne oszustwa związane z kradzieżą i kopiowaniem danych wrażliwych karty zapisanych w pasku magnetycznym. Po raz pierwszy mikroprocesor w kartach płatniczych na masową skalę został zaimplementowany przez Francję. W 1984 roku przeprowadzono pierwsze testy kart płatniczych, które pozwalały na autoryzację transakcji bezgotówkowej za pomocą kodu PIN. Następnie w 1990 roku zaprezentowano krajowy standard płatności o nazwie B0. W konsekwencji cztery lata później wszystkie francuskie banki zaczęły wydawać karty w oparciu o krajową specyfikację wykorzystującą mikroprocesor do autoryzowania transakcji. Pozwoliło to drastycznie zredukować liczbę nadużyć z użyciem kart płatniczych na tamtejszym rynku.

Wraz z zaprezentowaniem francuskiego rozwiązania B0 oraz widząc korzyści płynące z implementacji technologii układu scalonego, pojawił się trend wśród banków z innych krajów zmierzający do stworzenia własnych odpowiedników. Niestety wszystkie rozwiązania stanowiły zamknięty układ, który pozwalał na przeprowadzanie transakcji jedynie w kraju wydawcy karty. Obywatele Francji podróżujący w tamtym czasie do innych krajów z kartą płatniczą w portfelu wydaną przez krajowy bank z osadzonym mikroprocesorem, nie mogli dokonać zapłaty poprzez użycie kodu PIN. W związku z tym, że w tamtym czasie Wielka Brytania oraz Japonia rozważały wdrożenie kart typu smart, pojawił się pomysł połączenia wspólnych sił i opracowania ujednoliconego oraz otwartego systemu, do którego będzie mógł przystąpić każdy bank wydający karty płatnicze. W 1994 trzy organizacje kartowe, Europay, Mastercard oraz Visa rozpoczęły wspólne prace na utworzeniem nowej specyfikacji płatności opartej na układzie scalonym znanym pod nazwą EMV, pochodzącą od nazw inicjatorów projektu. Pierwsza wersja specyfikacji pojawia się w 1996 roku i stanowi początek dalszych prac nad rozwojem standardu. W następnych latach prac nad udoskonaleniem specyfikacji, grono uczestników projektu powiększyło się o kolejne organizacje kart płatniczych, zwiększając jednocześnie globalny zasięg tego rozwiązania.

Jakie elementy składają się na całość? Układ scalony karty płatniczej, który nosimy w naszym portfelu na co dzień, to mikrokomputer w pełnym tego słowa znaczeniu. Jest on wykorzystywany zarówno do przeprowadzenia płatności stykowych, czyli przez wsunięcie karty do terminala płatniczego, jak i płatności bezstykowych. Zwykle nie zastanawiamy się nad tym co kryje się we wnętrzu karty płatniczej, dlatego też mikroprocesor nie utożsamiany z komputerem w jego powszechnym rozumieniu. Dzieje się tak głównie ze względu na brak wyświetlacza, klawiatury i innych urządzeń peryferyjnych, to jego możliwości są ogromne. Warto tutaj przytoczyć porównanie za creditcards.com. Tak charakterystyczny element karty płatniczej w kształcie prostokąta o bokach przekraczających niewiele ponad 1 cm i złotym kolorze posiada większą przepustowość od komputera, który wyniósł pierwszego człowieka na Księżyc.

Przechodząc jednak do konkretów, prostokąt w złotym kolorze osadzony w naszej karcie płatniczej, to zaledwie fragment całości ukrytego układu. Jest to bowiem tzw. strefa przewodząca, która z kolei dzieli się na styki kontaktowe. Karta sama w sobie nie posiada baterii, a źródłem jej zasilania jest czytnik. Pozostając w kontekście płatności bezgotówkowych, źródłem zasilania będzie oczywiście czytnik terminala płatniczego lub w kartach typu smart – fale elektromagnetyczne wytworzone przez ten terminal. Podstawowym dokumentem regulującym kwestie techniczne mikroprocesora jest norma ISO/IEC 7816-2. Zgodnie z treścią dokumentu, strefa przewodząca dzieli się na osiem styków kontaktowych oznaczonych od C1-C8. Także miejsce umieszczenia punktów stykowych jest regulowane przez tę normę, która szczegółowo określa wymiary styków oraz stanowi o ich osadzeniu na awersie karty płatniczej. Wszystkie styki są izolowane od siebie wzajemnie, a ich granice są widoczne w postaci charakterystycznej siatki. Ponadto nie wszystkie styki mają przypisane zastosowanie, bowiem styki C4 i C8 to tzw. styki kontaktowe zarezerwowane do późniejszego użycia. Poniżej zamieszczam krótki opis oraz wizualizację poszczególnych styków kontaktowych strefy przewodzącej:

• C1 : VCC (ang. voltage common collector lub supply power input) – element stykowy, którego zadaniem jest pobór zasilania dostarczanego z czytnika terminala płatniczego o odpowiedniej mocy. Dzięki stykowi VCC mikroprocesor jest zasilany energią elektryczną niezbędną do przeprowadzenia transakcji płatniczej.
• C2: RST (ang. reset signal input) – styk kontaktowy do odbioru sygnału reset, który może zostać zainicjowany przez terminal płatniczy.
• C3: CLK (ang. clock contact) – element stykowy odpowiadający na szybkość kontaktu mikroprocesora ze „światem zewnętrznym”. Sygnał czasowy jest wysyłany z terminala płatniczego i pozwala kontrolować prędkość transakcji, inaczej: parametr zapewniający wspólne ramy komunikacji pomiędzy terminalem, a kartą płatniczą z układem scalonym.
• C4: RFU (ang. reserved for future use) – element rezerwowy bez przypisanej funkcji.
• C5: GND (ang. ground) – uziemienie.
• C6: VPP (ang. voltage peak to peak) – element stykowy odpowiedzialny za pobór energii elektrycznej w kartach poprzedniej generacji, które posiadały pamięć EEPROM. Dzięki temu elementowi możliwe było zapisywanie lub wymazywanie danych w pamięci.
• C7: I/O (ang. input/output) – kanał kontaktowy, który odpowiada za wymianę informacji między terminalem, a mikroprocesorem karty płatniczej.
• C8: RFU (ang. reserved for future use) – element rezerwowy bez przypisanej funkcji .

Co znajduje się pod strefą przewodzącą? Oczywiście jest to najważniejszy element, który wyróżnia kartę płatniczą od innych nośników pamięci czyli procesor (ang. Central Processing Unit, CPU). Element ten znajduje się w centralnym miejscu wewnętrznej strony strefy przewodzącej. Przyjęte określenie smart card jest bezpośrednio związane z zastosowaniem procesora czyli centralnej jednostki obliczeniowej w karcie płatniczej, ponieważ odpowiada on za bezpieczne przeprowadzanie operacji związanych z procesowaniem transakcji bezgotówkowej, zapewniając ich szyfrowanie. Obecnie w kartach płatniczych mogą znajdować się procesory oparte na 8-, 16- lub 32-bitowej architekturze, która decyduje o szybkości działania.

Obok procesora znajduje się system pamięciowy układu, który odpowiada za przechowywanie danych. Możemy tutaj wyróżnić trzy rodzaje pamięci w kartach płatniczych typu smart. W pierwszej kolejności jest to pamięć ROM służąca tylko do odczytu (ang. read-only memory). Ten typ pamięci służy przede wszystkich do przechowywania programów systemu operacyjnego, niezbędnych do przeprowadzenia transakcji wraz z dostarczeniem źródła zasilania do karty płatniczej. Dostęp do tego rodzaju pamięci jest zazwyczaj maskowany, a nadpisanie lub usunięcie jakichkolwiek informacji niemożliwe. Po zakończeniu transakcji, a tym samym przerwaniu źródła zasilania, dane przechowywane w pamięci ROM pozostają nienaruszone. Przeciwieństwem tego rodzaju pamięci jest pamięć RAM (ang. random-access memory), czyli tzw. pamięć podręczna. Dane w pamięci RAM są gromadzone od momentu dostarczenia źródła zasilania i tracone wraz z jego odłączeniem. Ponowny dostęp do danych nie jest możliwy. Kolejnym rodzajem pamięci, która może pojawić się w układzie scalonych karty płatniczej jest EEPROM (ang. Electrically Erasable Programmable Read Only Memory). W tym przypadku mamy do czynienia z pamięcią nieulotną, którą można nadpisywać. Przeznaczeniem pamięci EEPROM może być na przykład przechowywanie programów, które wymagają okresowej modyfikacji. Na koniec najważniejsze pytanie o pojemność pamięci. Ile danych może zmieścić się w poszczególnych rodzajach pamięci w karcie płatniczej? Oczywiście niewiele, a wynika to przede wszystkim z zapotrzebowania i kosztów produkcji. Wielkość pamięci dostępnej w kartach płatniczych dostępnych na rynku może się nieznacznie od siebie różnić. Dla przykładu pamięć RAM zazwyczaj będzie posiadać ok. 256 bajtów i jest to pojemność w zupełności wystarczająca do przeprowadzenia transakcji. Z kolej zakres pojemności pamięci ROM i EEPROM mieści się w przedziale od kilku do kilkudziesięciu kilobajtów.

Nie można zapominać o elemencie układu scalonego, który pozwala na bezstykowe dokonywanie transakcji. Mowa o antenie połączonej z mikroprocesorem. Zadaniem anteny jest dostarczanie zasilania do układu scalonego przy wykorzystaniu fal radiowych oraz wymiana danych pomiędzy kartą a terminalem płatniczym. Należy zaznaczyć, że na rynku kart typu smart występują dwa rodzaje moduły umożliwiające bezdotykowe transakcje. W większość kart będziemy mieć do czynienia z modułem zintegrowanym tzw. podwójnym interfejsem. Oznacza to, że ten sam układ scalony jest wykorzystywany zarówno do transakcji stykowych jak i bezstykowych. Innym rodzajem kart typu smart jest układ hybrydowy, tj. karta płatnicza może posiadać dwa oddzielne układy scalone do wspomnianych sposobów przeprowadzania transakcji. Podstawowym dokumentem regulującym kwestie związane z technologią bezdotykową dla płatności kartami typu smart, w tym częstotliwość fal radiowych oraz protokół transmisji danych, jest norma ISO/IEC 14443.

Celem tego artykułu był elementarny przegląd budowy karty płatniczej, której sercem jest mikroprocesor zapewniający bezpieczeństwo przeprowadzanych transakcji. Oddzielnym tematem, jednak nadal pozostając w sferze budowy karty płatniczej jest jej produkcja. W kolejnym artykule postaram się przybliżyć etapy, na które składa się całość skomplikowanego procesu tworzenia kart płatniczych, które na co dzień nosimy w naszych portfelach.