RFID-System: Funktionsweise, Tags und Karten im Vergleich

RFID bezeichnet die Identifikation mithilfe von Radiowellen. Die Abkürzung RFID stammt aus dem Englischen Radio Frequency Identification. Diese Technologie wird im täglichen Leben eingesetzt (unter anderem in der Zugangskontrolle, im Handel oder bei kontaktlosen Zahlungen). In diesem Beitrag erfahren Sie, wie RFID funktioniert. Im Artikel vergleichen wir RFID-Tags für unterschiedliche Frequenzen und erörtern die Sicherheitsaspekte von physischen und virtuellen Zahlungskarten. Außerdem erläutern wir den Aufbau einer RFID-Antenne. 

RFID – wie funktioniert es? 

Das System zur drahtlosen Identifikation ermöglicht das schnelle Lesen und Übertragen von Daten. Radiowellen können außerdem einen elektronischen Schaltkreis im RFID-Tag mit Energie versorgen. So lässt sich das gekennzeichnete Objekt berührungslos mit einem Lesegerät identifizieren. Was ist ein RFID-System und wie ist es aufgebaut? RFID-Etiketten werden unter anderem in Systemen zur Inventarisierung von Waren verwendet. Daten können drahtlos, auch aus großer Entfernung, gelesen, übertragen und geändert werden. Wie groß ist diese Entfernung? Die Reichweite, die zum Lesen erforderlich ist, hängt von Folgendem ab:

• der verwendeten Antenne,
• der Art des RFID-Lesers,
• dem Frequenzband (am häufigsten sind 125 kHz und 13,56 MHz, es gibt jedoch auch z. B. 860 - 956 MHz).

Aufbau eines RFID-Systems

Ein grundlegendes RFID-System besteht aus zwei elektronischen Bauteilen: einem Leser und einem Transponder (auch als Tag bezeichnet, manchmal RFID-Tag).

• Ein RFID-Leser enthält einen Frequenzgenerator, einen Resonanzkreis mit einer Spule, die gleichzeitig als Antenne dient, und ein Voltmeter, das die Spannung anzeigt, die im Detektor (Resonanzkreis) herrscht. 
• Ein Transponder (Marker oder RFID-Tag) besteht aus einem auf die Frequenz des Lesers abgestimmten Schwingkreis und einem Mikroprozessor. Die Antennen des Transponders und des RFID-Lesers befinden sich in einem bestimmten Abstand zueinander, jedoch so, dass beide Spulen magnetisch gekoppelt sein können. In diesem Artikel werden die Begriffe Transponder, Marker und Tag synonym verwendet.

Der Leser ist ein zentrales und aktives Element. Er enthält einen Sender und einen Empfänger für Funkwellen. Ein solcher RFID-Leser kann ein eigenständiges Gerät sein oder an eine zentrale Steuerungseinheit (z. B. einen Computer mit einer speziellen Erweiterungskarte und Software) angeschlossen werden. Der Tag ist ein integrierter Schaltkreis, der mit einer speziellen Antenne zusammenarbeitet. Kurz gesagt: Wenn der Tag in die Nähe des Lesers gebracht wird, beginnt die Antenne, das Trägersignal zu empfangen, das zyklisch vom Leser ausgestrahlt wird. 

RFID – Anwendungsbeispiele

RFID kommt im Alltag in vielen Bereichen zum Einsatz. Der Identifikation von Objekten mittels Radiowellen begegnen Sie beispielsweise in der Umkleide eines Schwimmbads (Zugang zu den Schränken mit gummierten, wasserdichten Armbändern), in Geschäften (Warenkennzeichnung) oder bei Sportveranstaltungen (z. B. bei der Zeitmessung bei Laufwettbewerben). All diese Beispiele basieren auf RFID. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Technologie sind entsprechend vielfältig. Kontaktlose Karten und RFID-Schlüsselanhänger haben sich auch in Wohngebäuden etabliert. 

Typische Anwendungsbeispiele für RFID:

• Handel (RFID ermöglicht unter anderem den Schutz von Waren vor Diebstahl, die Durchführung von Inventuren, die Lokalisierung von Waren in bestimmten Bereichen und die Überwachung des aktuellen Lagerbestands);
• Zugangskontrolle (Zeiterfassung, Zugangskontrolle oder Einschränkung des Zugangs von Personen zu ausgewählten Standorten und Maschinen, Verkehrsmanagement, Parksysteme);
• Mobile Geräte (kontaktloses Bezahlen, Übertragung von Informationen zwischen Geräten). 

Die Verwendung von RFID ist natürlich mit einer Reihe von Risiken verbunden, z. B. dem Risiko eines unbefugten Auslesens. Zum Schutz verwenden viele Menschen RFID-Brieftaschen oder RFID- und NFC-Blocker. Es gibt auch Werkzeuge wie ChameleonUltra, die zur Bewertung der Sicherheit in RFID- und NFC-Umgebungen in verschiedenen Angriffsszenarien verwendet werden können. 

Lesen Sie auch den SAPSAN-Blogbeitrag: Was ist eine RFID-Karte?

RFID-Systeme: Überblick über Frequenzen

Es gibt mehrere Standards für RFID-Systeme. Die Einteilung erfolgt nach den Betriebsfrequenzen. 

Frequenz 125 kHz

Bei einer Betriebsfrequenz von 125 kHz arbeitet ein System namens Unique. Ein ähnliches System ist Hitag. 

• Solche Systeme haben einen einfachen Aufbau und passive Tags mit geringer Reichweite (wenige Zentimeter). 
• Datenübertragung: von 2 kb/s (Unique) bis 4 kb/s (Hitag). 
• Daten werden nicht authentifiziert und sind in keiner Weise geschützt. Wenn die Karte in Reichweite des Lesegeräts ist, beginnt sie sofort, ein Signal zu senden. 
• In solchen Systemen wird der Tag an das Lesegerät gehalten, etwa zum Öffnen von Türen und Schränken oder zur Mitarbeiterregistrierung.
• Das Sicherheitsniveau ist niedrig, da sich eine Karte leicht kopieren oder aus der Tasche einer Person auslesen lässt. 

Frequenz 13,56 MHz

Bei einer Frequenz von 13,56 MHz arbeiten MIFARE- und NFC-Systeme. Sie können mit passiven Transpondern und aktiven Tags arbeiten und Daten untereinander austauschen. Dadurch eröffnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Aktive Tags benötigen natürlich eine separate Stromversorgung.

• Die Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 800 kb/s. Dabei kommen komplexe Protokolle zum Einsatz.
• Reichweite: 1 m (MIFARE), 20 cm (NFC).

• Hohe Störfestigkeit.
• RFID-Systeme auf dieser Frequenz unterstützen Verschlüsselung, Authentifizierung und Kryptografie.
• Beispielanwendung: Zahlungen mit Kreditkarten, Antidiebstahlsysteme im Handel, Ticketing-Anwendungen, Zahlungen per Telefon.
• Hohe Sicherheitsstufe.

Frequenz 860 - 956 MHz

Es gibt auch RFID-Systeme der neuesten Generation, die bei den höchsten Frequenzen (Bereich von 860 MHz bis 956 MHz) arbeiten. Wir werden sie hier jedoch nicht näher beschreiben. Wir nennen nur die Hauptmerkmale, zu denen gehören:

• Reichweite: über 20 m,
• hohe Datenübertragungsgeschwindigkeit,
• die Möglichkeit, mehrere Tags gleichzeitig in kurzer Zeit zu lesen.

Wie sehen RFID-Transponder aus?

Transponder, Marker und RFID-Tags sind in verschiedenen Bauformen erhältlich:

• dünne und dicke Karten, 
• Schlüsselanhänger, 
• Münzen, 
• Aufkleber, 
• Ringe 
• Armbänder. 

Darüber hinaus gibt es sehr diskrete, kleine und flexible selbstklebende Tags sowie Varianten, die in Kleidungsetiketten eingenäht werden. 

Allein am Gehäuse eines RFID-Tags lässt sich nicht erkennen, mit welcher Frequenz oder welchem Protokoll er arbeitet. Hersteller verwenden häufig ähnliche oder identische Gehäuse für Tags und RFID-Schlüsselanhänger, die auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Daher können sie von außen gleich aussehen, im Inneren jedoch völlig unterschiedlich aufgebaut sein. 

Wie unterscheidet man zwischen RFID-Tags mit niedriger und hoher Frequenz? 

Anstatt zu raten, auf welcher Frequenz ein bestimmtes RFID-Tag arbeitet, können Sie die Karte gegen das Licht halten. Tags mit niedriger Frequenz (125 kHz) zeichnen sich durch eine RFID-Antenne aus, die aus dünnem Draht besteht. Aber Vorsicht: Diese Antenne hat normalerweise eine große Anzahl von Windungen, weshalb sie den Eindruck eines soliden Metallstücks erwecken kann. RFID-Karten mit hoher Frequenz (13,56 MHz) haben deutlich weniger, dafür dickere Wicklungen und sichtbare Lücken zwischen diesen Wicklungen. 

Sicherheit von virtuellen und physischen Bankkarten

Niederfrequente Tags lassen sich leicht auslesen, speichern, auf eine neue Karte kopieren oder zur Analyse exportieren. Das Gerät, das unter anderem die Emulation von RFID-Tags ermöglicht, ist Flipper One. Er kann dies auch bei Hochfrequenz-Tags tun. Wie steht es in diesem Fall um die Sicherheit von Bankkarten (in physischer und virtueller Form)?

• Bei virtuellen Bankkarten kommt beim Bezahlen mit dem Smartphone ein Mechanismus zur Änderung der UID zum Einsatz. Wie funktioniert dieser Mechanismus? Die UID-Nummer ändert sich jedes Mal, wenn die Karte mit Flipper One gelesen wird. Dadurch können Dritte die Transaktionen mit der Bankkarte nicht abgleichen. Der Name des Inhabers der virtuellen Karte ist ebenfalls nicht verfügbar. 
• Bei physischen Bankkarten kann die Emulation des Tags eine Online-Zahlung ermöglichen (wenn das Ablaufdatum und die Kartennummer bekannt sind); manchmal sind auch der Vorname und Nachname des Karteninhabers verfügbar. 

Die virtuelle Karte liefert somit weniger Informationen und ist sicherer bei Offline-Zahlungen. 

RFID-System: Vor- und Nachteile

Da Sie nun wissen, was RFID ist und wie es funktioniert, lohnt sich ein Blick auf die Vor- und Nachteile. Das System bietet zahlreiche Vorteile, die seinen breiten Einsatz in sehr unterschiedlichen Lebensbereichen erklären. Vor allem ermöglicht die Funktionsweise von RFID eine schnelle und berührungslose Datenauslesung von Tags, was Prozesse bei der Identifizierung, Überwachung und Verwaltung von Ressourcen erheblich beschleunigt. 

In der Logistik erleichtern RFID-Systeme die Inventarisierung und die Verfolgung von Sendungen in jeder Phase der Lieferkette. Zudem automatisieren sie Lagerprozesse, sparen Zeit und reduzieren Fehler. Davon profitieren Branchen, die RFID zur Automatisierung, Kostensenkung und Effizienzsteigerung einsetzen. Damit kann die RFID-Technologie für solche Unternehmen eine wertvolle Investition sein.

RFID-Systeme können eine große Reichweite bieten, und bei bestimmten Frequenzen ist es sogar möglich, mehrere Tags gleichzeitig auszulesen. Dadurch ist RFID eine effiziente Lösung in Lagern, Geschäften oder an Produktionslinien. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, RFID mit anderen Systemen zu integrieren, was die Automatisierung vieler Prozesse und die Reduzierung menschlicher Fehler ermöglicht.

RFID-Systeme haben jedoch auch Nachteile. Eines der Hauptprobleme ist die Datensicherheit, insbesondere bei älteren Systemen, die auf niedrigen Frequenzen arbeiten und anfällig für unautorisierte Auslesungen und Klonierungen sind. Die Implementierungskosten von RFID-Systemen, insbesondere fortschrittlicher Lösungen, können ebenfalls hoch sein und für kleinere Unternehmen eine Hürde darstellen. Darüber hinaus können elektromagnetische Störungen sowie Metalle oder Flüssigkeiten die Leistungsfähigkeit eines RFID-Systems beeinträchtigen, da sie die Übertragung von Funkwellen erschweren.

Fazit und interessante Fakten über RFID

Was bedeutet RFID? Die Abkürzung steht für den englischen Begriff Radio Frequency Identification. Diese Technologie prägt unseren Alltag häufig, ohne dass wir es bemerken. Abschließend folgen einige Fakten, die im bisherigen Artikel nicht behandelt wurden und das Thema RFID ergänzen.

• Wussten Sie, dass RFID zwar wie eine moderne Technologie erscheinen mag, ihre Wurzeln jedoch bis in die Zeit des Zweiten Weltkriegs zurückreichen? Tatsächlich wurde in dieser Zeit in Großbritannien eine Technologie entwickelt, die die Identifizierung von Flugzeugen per Radar ohne physischen Kontakt ermöglichte. Diese frühe Anwendung der RF-Technologie (Radiowellen) bildete eine Grundlage für die spätere Entwicklung von RFID.

• RFID-Technologie taucht häufig in Filmen als Element futuristischer Visionen und fortschrittlicher Managementsysteme auf. In einer Episode der Fernsehserie The Big Bang Theory bereitet sich Sheldon auf eine Reise vor und verwendet RFID, um seine Sachen zu verwalten. Sehen Sie sich das auf YouTube an: The Big Bang Theory: RFID-Tags

• RFID wird auch in der Modebranche eingesetzt. Einige Luxusmarken haben begonnen, RFID-Tags in Kleidungsetiketten zu verwenden, um die Echtheit der Produkte zu prüfen und Fälschungen vorzubeugen. 

• RFID wird neben geschäftlichen Anwendungen auch im Freizeitbereich eingesetzt. Beispielsweise kommt RFID in Freizeitparks und Museen zum Einsatz, um interaktive Erlebnisse für Besucher zu schaffen. RFID-Tags in Armbändern können Erlebnisse personalisieren, etwa für interaktive Spiele und Anwendungen, je nachdem, welche Attraktionen die Besucher aufsuchen.

RFID ist eine vielseitige Technologie, die ständig weiterentwickelt wird. Ihr Einfluss auf verschiedene Branchen und den Alltag ist groß; weitere Innovationen sind zu erwarten.

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