Привет, Geektimes! Наличие сканера отпечатков пальцев в смартфоне в последнее время для многих стало одним из главных факторов при выборе устройства для покупки. Хотя данный тип биометрической технологии безопасности отнюдь не новый, компактными и дешевыми сканеры отпечатков научились делать сравнительно недавно. Но задумывались ли вы о том, что происходит, когда вы подносите свой палец для разблокировки телефона? Мы вот решили разобраться и просим всех заинтересовавшихся под кат.



Отпечаток пальца, как известно, не изменяется в течение всей жизни человека, что позволяет идентифицировать его как в 15, так и в 75 лет. Отпечаток начинает формироваться еще на стадии развития плода, но даже у однояйцевых близнецов отпечатки не бывают идентичными. Поэтому это один из самых распространенных и безопасных (после сканера сетчатки и радужной оболочки глаза или анализа ДНК) способов идентификации человека. Удалить его как в фильме «Люди в черном» не получится.


Если смотреть с точки зрения физиологии, отпечаток пальца — это определенный набор выступов с индивидуальными порами, которые разделены между собой впадинами. А поскольку он связан с тепловыми и электрическими характеристиками кожи, для получения его изображения можно использовать как тепло, так и свет, и электрическую емкость (или все вместе).



Существует целый ряд разновидностей сканеров отпечатков пальцев — некоторые применяются на секретных объектах (вместе с анализом походки и другими фишками, конечно же), другие уже вошли в жизнь владельцев современных смартфонов как нечто обыденное. Если обобщить, можно выделить три основные группы сканеров отпечатков:

• Оптические
• Полупроводниковые (кремниевые)
• Ультразвуковые

Оптические сканеры

Они, как следует из названия, используют оптические методы получения изображения отпечатка. Этот метод является самым старым методом захвата отпечатков пальцев: фотография отпечатка обрабатывается при помощи специальных алгоритмов, которые обнаруживают уникальные гребни и выступы. Полученное изображение сравнивается с заложенными в системе, после чего пользователю отправляется положительный или отрицательный ответ. Оптические сканеры подразделяются на FTIR-сканеры, оптоволоконные, протяжные, роликовые, электрооптические и бесконтактные.

В сканерах FTIR используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения  (Frustrated Total Internal Reflection). В данном случае свет падает на границу раздела двух сред, после чего одна часть световой энергии отражается от границы, а вторая проникает через нее во вторую среду. Сколько энергии будет отражено, определяется углом падения: когда он достигает определенной величины, от границы раздела отражается вся световая энергия, что и называется полным внутренним отражением.


При контакте отпечатка пальца (более плотной среды) с менее плотной пучок света проходит через границу в точке полного внутреннего отражения. Так что будут отражены только те пучки света, попавшие в точки, к которым не приложен капиллярный узор поверхности пальца. Далее CCD или CMOS фиксирует итоговую световую картинку поверхности пальца.

Оптоволоконные сканеры работают несколько иначе. По сути мы имеем оптоволоконную матрицу, при этом каждое её волокно заканчивается фотоэлементом. Каждый фотоэлемент фиксирует остаточный свет, который прошёл через палец, в той точке, где отпечаток прикасается к поверхности сканера. Далее данные всех элементов агрегируются и на их основании получается изображение отпечатка пальца.


В электрооптических сканерах используется специальный полимер, в составе которого есть светоизлучающий слой. На нем отражается неоднородность электрического поля пальца у поверхности сканера, после чего высвечивается отпечаток пальца. Остальную работу проделывают фотодиоды, преобразующие все в цифровой вид. Протяжные сканеры — одни из самых интересных, поскольку в этом случае палец не прикладывается к поверхности сканера, как мы привыкли, а проводится по считывателю, который представляет собой узкую полоску. Принцип их работы во многом схож с FTIR-сканерами, о которых упоминалось ранее.

При использовании бесконтактных сканеров вам даже не придется контактировать с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к специальному отверстию, его подсвечивают снизу несколько источников света, линза собирает информацию, затем данные проецируются на CMOS, где преобразуются в изображение отпечатка пальца.



Оптические сканеры довольно легко обмануть, поскольку они захватывают только 2D-изображение — в этом один из их главных недостатков. В наше время они уже отошли на второй план, тем не менее во многих сферах до сих пор используются. Но уж точно не на секретных объектах и не там, где серьезно заботятся о безопасности: для этого и придумали кремниевые (полупроводниковые) и ультразвуковые сканеры.

Кремниевые (полупроводниковые) сканеры

Основное отличие полупроводниковых сканеров от оптических в том, что в данном случае изображение получается с помощью свойств полупроводников, которые изменяются в местах контакта отпечатка пальца с поверхностью сканера. Полупроводниковые сканеры реализуют несколькими способами, но наиболее распространенный из них — емкостный.

В емкостных сканерах для получения изображения отпечатка применяется эффект изменения емкости p-n-перехода полупроводникового прибора, когда гребень узора отпечатка соприкасается с полупроводниковой матрицей. Одна из модификаций емкостного сканера — когда основным модулем для сканирования является конденсатор. То есть традиционное изображение отпечатка не создается: вместо этого сбор данных осуществляется с помощью массивов крошечных цепей конденсатора. Поскольку конденсаторы хранят электрический заряд, когда палец контактирует со сканером, заряд будет изменен там, где гребень прикасается к пластине. Там, где на узоре впадины, заряд останется практически неизменным.


Изменения заряда отслеживаются, тем самым захватываются данные об отпечатке. Затем они преобразуются в цифровые, после чего начинается поиск отличительных и уникальных атрибутов отпечатка — они сравниваются с сохраненными для сравнения отпечатками.

Емкостные сканеры сейчас нашли признание у производителей смартфонов за счет оптимального соотношения цены и качества. У них низкая себестоимость и высокая степень защиты от муляжей — обмануть, конечно, можно, но это будет не так просто. Первым смартфоном от Xiaomi со сканером отпечатков пальцев стал Redmi Note 3, он же используется в одной из новинок компании — Xiaomi Mi Max. Не отказывается от емкостного сканера и OnePlus в своём OnePlus 3.



Из полупроводниковых сканеров также активно используются чувствительные к давлению и термо-сканеры, но не в смартфонах. В первом случае изображение поверхности пальца получается при помощи давления, которое оказывают выступы папиллярного узора на элементы поверхности, однако защита от муляжей здесь довольно низкая. В термо-сканерах используется температурная карта поверхности пальца, которая и преобразуется в цифровое изображение. Подделать такой отпечаток гораздо сложнее.

Остальные виды полупроводниковых сканеров по сути представляют собой разновидность емкостных, протяжных или термо-сканеров.

Ультразвуковые сканеры

Еще несколько лет назад данный тип сканирования отпечатков пальцев был слишком дорогим, однако с развитием технологий он добрался и до смартфонов. Ультразвуковой тип характеризуется сканированием поверхности пальца при помощи ультразвуковых волн и измерения расстояния между источником волн и рельефом отпечатка по отраженному эху.

Ультразвуковой импульс передается на палец перед сканером — часть его поглощается, а другая часть возвращается к приемнику. После этого она распознается в зависимости от гребней, впадин и других уникальных элементов отпечатка. Чем дольше происходит сканирование, тем лучше распознаются дополнительные данные об отпечатке — в результате получаются подробные 3D-изображения.


Технология, конечно, очень интересная — одним из первых смартфонов с ультразвуковым сканером отпечатков пальцев стал Le Max 2 от LeEco. Другие производители пока смотрят в эту сторону с осторожностью, все же ультразвуковой сканер в смартфонах еще недостаточно «обкатан», да и реализация подороже, что может увеличить конечную стоимость смартфона для покупателей. Поэтому в Mi5, например, Xiaomi не стала использовать ультразвуковой сканер и сделала выбор в пользу емкостного.

На CES 2016 Qualcomm представила технологию Sense ID — усовершенствованный 3D-датчик сканера, который собирает намного больше индивидуальной информации. Ультразвук проникает через металлические поверхности, стекло и некоторые пластмассы и получает не двухмерную, а подробную трехмерную карту отпечатка пальца.


Qualcomm Sense ID — ультразвуковой сканер отпечатков

И что, это действительно безопасно?

Конечно, любой сканер отпечатков пальцев можно обмануть. Емкостные сканеры старого образца плохо воспринимали мокрые или холодные пальцы, в современных смартфонах (том же Redmi Pro) эта проблема уже практически решена и сканер срабатывает очень быстро. В определенном плане ультразвуковые сканеры безопаснее, но до рынка эта тенденция скорее всего доберется только через пару лет. Изготовить слепок пальца сложно, еще сложнее применить его для разблокировки современного смартфона.



Уязвимость сканеров отпечатков пальцев в первую очередь заключается в реализации технологии производителями смартфонов. Яркий пример — Samsung и HTC в своих смартфонах Galaxy S5 и One Max хранили изображения с отпечатками пальцев пользователей в общем разделе файловой системы. Это был простой незащищенный файл .bmp — другими словами, обычная картинка. Сейчас такое уже почти не встречается, поскольку производители используют либо специальный чип, либо отдельную область в чипсете для хранения информации об отпечатках: у Qualcomm это Snapdragon Mobile Security, у ARM — TrustZone, у Apple — Secure Enclave. TrustZone активно использует Huawei: технология анализирует отпечатки пальцев в отдельной операционной системе на выделенном виртуальном процессоре, куда не может добраться даже основная система. А значит, к сканам отпечатков пальцев не смогут получить доступ и сторонние приложения.



Очень интересно реализована область Secure Enclave у Apple. По сути это сопроцессор, который использует шифрованную память и включает в себя аппаратный генератор случайных чисел. При изготовлении каждый такой сопроцессор имеет свой уникальный идентификатор — он неизвестен ни другим компонентам системы, ни самой Apple (по крайней мере, так говорят в компании). Secure Enclave обрабатывает данные с датчика Touch ID: процессор не может прочитать информацию об отпечатке и сразу перенаправляет ее сопроцессору. Данные шифруются при помощи алгоритма AES.

Заметили, что iPhone просит пароль каждый раз после перезагрузки? Пароль является ключом для расшифровки отпечатков пальцев — он активируется при любых обстоятельствах, свидетельствующих о постороннем вмешательстве: добавление нового отпечатка, выключение смартфона, пять неверных попыток разблокировки и так далее. Кстати, в том числе поэтому кнопку с Touch ID нужно беречь — если она сломается и вы ее поменяете на неоригинальную, то сканер отпечатков превратится в тыкву работать не будет. А что вы хотели? Безопасность.

Тем не менее и у Apple все не так совершенно, правда здесь уже вину стоит переложить на разработчиков приложений. Если кто-то подсмотрит пароль владельца iPhone, он сможет разблокировать смартфон, добавить свой отпечаток, а затем авторизоваться во всех приложениях с Touch ID (мессенджерах, банковских и так далее), даже если их пароли отличны от системного. Начиная с iOS 9.0 разработчики могут устанавливать проверку (об этом недавно был пост на Geektimes) на появление новых отпечатков в момент запуска приложения, однако, многие, как правило, этой рекомендацией не пользуются.

Ну и что делать?

Ответ простой и очевидный — пользоваться! Сканеры отпечатков пальцев уже вошли в нашу жизнь как безопасная альтернатива запоминанию логинов и паролей, и владельцы смартфонов с соответствующей функциональностью что-то не жалуются. Взломать можно всё, однако, сейчас уровень безопасности сканеров действительно высокий, к тому же технология не стоит на месте и развивается — ультразвуковые сканеры в смартфонах тому подтверждение.


Если мы где-то ошиблись в тексте — поправьте нас в комментариях.