انواع اسکنر اثر انگشت، نحوه عملکرد و الگوریتم رمزگذاری آن‌ها
تاکنون فکر کرده‌اید که سنسور یا اسکنر اثر انگشت کاربر استفاده شده در گوشی‌های هوشمند یا برخی از تبلت‌ها دقیقا به چه شیوه‌ای عمل می‌کند؟ ما در این مقاله به بررسی دقیق این موضوع خواهیم پرداخت.
دنیای دستگاه‌های هوشمند موبایلی پیشرفت‌های چشمگیری داشته و کمپانی‌های فعال در این صنعت روز به روز در پی استفاده از تکنولوژی‌های جدیدتری در محصولات خود هستند. یکی از تکنولوژی‌های که ظرف چند سال اخیر به شکل قابل توجه‌ای در گوشی‌های هوشمند استفاده شده و کاربران نیز از وجود این تکنولوژی استقبال شایان ملاحظه‌ای کرده‌اند، اسکنر اثر انگشت کاربر یا Fingerprint Scanner است. هم اکنون اسکنر اثر انگشت کاربر اغلب در گوشی‌های هوشمند رده بالا و پرچمدار استفاده می‌شود، اما گاها شاهد تجهیز محصولات میان رده به این نوع سنسورها نیز هستیم.
اما اسکنرهای اثر انگشت به کار گرفته شده در گوشی‌های هوشمند شامل انواع گوناگونی می‌شوند. هر یک از این نوع‌ها از نظر عملکرد سیستم و سبک منحصر به فرد خود را به همراه دارند. در این مقاله قصد داریم که شما عزیزان را با انواع اسکنر اثر انگشت کاربر گوشی‌ها و نحوه دقیق عملکرد آن‌ها آشنا کنیم. در ابتدا باید بدانید که به صورت کلی در گوشی‌های هوشمند از سه نوع اسکنر اثر انگشت استفاده می‌شود. این سه نوع شامل اسکنرهای نوری (Optical Scanner)، اسکنرهای خازنی (Capacitive Scanner) و اسکنرهای اولتراسونیک (Ultrasonic Scanner) می‌شوند. در ادامه توضیحات بیشتری در رابطه با هر یک از این اسکنرها و الگوریتم رمزنگاری آن‌ها ارائه خواهیم کرد.
اسکنر اثر انگشت نوری
اسکنرهای نوری یا Optical Scanners از قدیمی‌ترین انواع اسکنرهای اثر انگشت محسوب می‌شوند. همانطور که از نام این تکنولوژی مشخص است، عملکرد آن مبتنی بر تصویربرداری نوری خواهد بود. پس از ضبط تصویر نوری، الگوریتم‌های خاصی وارد عمل شده و به تشخیص الگوهای سطحی انگشت کاربر می‌پردازند. در این نوع اسکنرها علائم منحصر به فرد مربوط به اثر انگشت فرد مد نظر ثبت شده و به عنوان یک الگوریتم اصلی برای دستگاه تعیین می‌شود و فرآیند تایید و عدم تایید اثر انگشت کاربران با مقایسه تصویر نوری ضبط شده از سطح انگشت آن‌ها با تصویر نوری معیار و اولیه انجام می‌شود. اسکنرهای نوری عمدتا تمامی بخش‌های مربوط به سطح اثر انگشت کاربر را مورد بررسی قرار می‌دهند و تمرکز خاصی بر روی بخش‌های تیره‌تر و روشن‌تر سطح انگشت دارند.
اسکنرهای اثر انگشت نوری می‌توانند مانند سنسور دوربین‌های استفاده شده در گوشی‌ها رزولوشن خاصی را ارائه کنند. هرچه رزولوشن اسکنر اثر انگشت نوری بیشتر باشد، ضریب دقت آن در شناسایی اثر اگشت کاربر نیز بیشتر بوده و به طبع میزان امنیت و کیفیت عملکرد مجموعه نیز افزایش می‌یابد. اما از نظر کنتراست، اسکنرهای اثر انگشت نوری نسبت به سنسور دوربین گوشی‌های ضریب بالاتری را به همراه دارند. در اسکنرهای اثر انگشت نوری به طور معمول در هر اینچ از تعداد بسیار زیادی دیود استفاده می‌شود تا بدین صورت میزان دقت و جزئیات تصاویر ضبط شده افزایش یابد.
حتما تصور می‌کنید که با قرار گرفتن انگشت شما بر روی اسکنر محیطی کاملا تاریک ایجاد می‌شود. در این شرایط چگونه اسکنر اثر انگشت نوری قادر به ضبط تصویر و جزئیات مربوط به انگشت کاربر خواهد بود؟ به موجب رفع این مشکل در ساختار اسکنرهای اثر انگشت نوری از آرایه‌های LED استفاده شده که مانند یک فلش عمل کرده و دقیقا در زمان برخورد انگشت کاربر به اسکنر نور مورد نیاز را ساطع می‌کند و در این شرایط تصویر ضبط شده می‌تواند وضوح تصویر و جزئیات کاملی را داشته باشد. متاسفانه استفاده از اسکنرهای اثر انگشت نوری در گوشی‌های هوشمند به دلیلی ساختار پیچیده‌ای که به همراه دارند، منجر به افزایش ضخامت بدنه دستگاه می‌شود. از اینرو میزان استفاده از اسکنرهای اثر انگشت نوری طی چند وقت اخیر که مسئله ضخامت بدنه گوشی‌های به موضوعی مهم و حائز اهمیت تبدیل شده، کاهش یافته است.
یکی دیگر از نقاط منفی مربوط به اسکنرهای اثر انگشت نوری، ضعف امنیتی آن‌هاست. متاسفانه این نوع از اسکنرها با راحتی قابل سوء استفاده هستند، چرا که عملکرد آن‌ها به طور کلی مبتنی بر یک تصویر یا عکس دو بعدی ضبط شده از سطح اثر انگشت کاربر است که جزئیات آن هم اغلب بسیار کم خواهد بود. به طور کلی عملکرد اسکنرهای اثر انگشت نوری را نمی‌توان با ضریب امنیت بالا در نظر گرفت. از اسکنرهای اثر انگشت نوری در شرایطی استفاده می‌شود که نیاز به تولید یک محصول مقرون به صرفه باشد. بنابراین این نوع از اسکنرهای اثر انگشت در گوشی‌های هوشمند برتر و پرچمدار کنونی موجود در بازار استفاده نمی‌شوند.
اسکنر اثر انگشت خازنی
اسکنرهای اثر انگشت خازنی در حال حاضر پرکاربردترین نوع از اسکنرهای اثر انگشت کاربر محسوب می‌شوند. همانطور که از نام این اسکنر مشخص است، جزء اصلی این دسته از سنسورهای اثر انگشت کاربر را یک خازن الکترونیکی تشکیل می‌دهد. در این نوع از اسکنرهای اثر انگشت به جای ضبط یک تصویر یا عکس دو بعدی از سطح انگشت کاربر از یک مدار بسیار کوچک خازنی به منظور جمع‌آوری اطلاعات انگشت کاربر استفاده می‌شود.
از آنجایی که خازن‌ها قابلیت ذخیره‌سازی بار الکتریکی را دارند، می‌توان با اتصال آن‌ها به صفحات رسانای موجود بر روی سطح اسکنر، قابلیت تشخیص جزئیات اثر انگشت کاربر را ارائه کرد. شارژ ذخیره شده در خازن با قرارگیری انگشت کاربر بر روی صفحات رسانا تغییر می‌کند. در این شرایط بخش‌های از انگشت کاربر که برآمدگی دارند با برخورد به صفحات رسانا منجر به ایجاد تغییر در بار الکتریکی خازن می‌شوند، در حالی که در شکاف‌های هوای موجود بر روی انگشت کاربر (مناطق مابین خطوط اثر انگشت) تغییر شارژی در خازن ایجاد نمی‌شود. بدین صورت هنگامی که انگشت شما با صفحه رسانا برخورد کند آرایه و الگویی خاص ایجاد می‌شود و اسکنر اثر انگشت با تجزیه و تحلیل اطلاعات مربوط به آن اقدام به بازگشایی قفل صفحه نمایش یا عدم تایید اثر انگشت کاربر خواهد کرد. به منظور ردیابی الگوی منحصر به فرد و خاص اثر انگشت کاربر از یک مدار انتگراتور اپ‌امپ (تقویت‌کننده عملیاتی) استفاده می‌شود. اطلاعات مربوط به اثر انگشت کاربر نیز توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ثبت می‌گردد.
هنگامی که آرایه و الگوی اثر انگشت هر فرد توسط خازن‌های اسکنر ثبت شد اطلاعات دیجیتال مربوط به آن می‌تواند مورد تجزیه و تحلیل دقیق قرار گیرد. این اطلاعات با اطلاعات الگوی اصلی اثر انگشت کاربر مقایسه می‌شوند. به طور کلی عملکرد اسکنرهای اثر انگشت خازنی به مراتی دقیق‌تری و امن‌تر از عملکرد اسکنرهای اثر انگشت نوری است. تنها موضوعاتی که می‌توانند منجر به ایجاد اختلال در عملکرد این نوع اسکنرها شود، مشکلات سخت افزاری و هک‌های نرم افزاری هستند.
استفاده از تعداد بیشتری از خازن‌های الکترونیکی در اسکنرهای اثر انگشت خازنی منجر به افزایش دقت عملکرد سنسور می‌شود. به طور معمول این نوع اسکنرهای از آرایه‌های خازنی 100 الی 1000 عددی تشکیل می‌شوند. تعداد خازن‌های بیشتر در اسکنرهای اثر انگشت خازنی حکم رزولوشن بیشتر در اسکنرهای اثر انگشت نوری را دارند، البته با این تفاوت که عملکرد اسکنرهای خازنی به مراتب دقیق‌تر، باکیفیت‌تر و امن‌تر از اسکنرهای اثر انگشت نوری است.
با توجه به اینکه در ساختار اسکنرهای اثر انگشت خازنی از اجزای سخت افزاری گران‌تر و ظریف‌تری استفاده می‌شود، طبیعی است که قیمت آن نیز نسبت به قیمت اسکنرهای اثر انگشت نوری بیشتر باشد. به طور کلی هرچه تعداد خازن‌های به کار گرفته شده در این نوع سنسورها بیشتر باشد، قیمت آن‌ها نیز بالاتر خواهد بود. به منظور مقابله با این مشکل، برخی از شرکت‌های تولید کننده گوشی دست به اقدامی جالب توجه زده و عملکرد اسکنرهای اثر انگشت خود را به صورت Swipe معرفی کرده‌اند. اسکنرهایی که از نوع Swipe هستند، به منظور عملکرد مستلزم کشیدن انگشت کاربر بر روی اسکنر خواهند بود. این اسکنرهای از تعداد خازن‌های کمتری بهره می‌برند و با کشیدن انگشت کاربر بر روی آن‌ها اطلاعاتی آنی از بخش کلی انگشت وی ثبت و با الگوی اصلی مقایسه می‌شود. بنابراین اسکنرهای اثر انگشتی که مستلزم مالش یا کشیدن انگشت بر روی خود هستند از تعداد خازن‌های الکترونیکی کمتری بهره می‌برد. این موضوع منجر می‌شود که گاها عملکرد اسکنر با مشکلاتی همراه شود و دقت آن کاهش پیدا کند. در این راستا اغلب مشاهده می‌شود که کاربر به منظور تایید اطلاعات اثر انگشت خود باید چندین بار انگشت خود را بر روی اسکنر قرار داده و آن را لمس نماید.
اسکنر اثر انگشت اولتراسونیک
تکنولوژی اولتراسونیک از جدیدترین تکنولوژی‌های استفاده شده در اسکنر اثر انگشت گوشی‌های هوشمند محسوب می‌شود. این تکنولوژی برای اولین بار در گوشی هوشمند Le Max Pro مورد استفاده قرار گرفت. کمپانی کوالکام و تکنولوژی Sense ID این شرکت نقش اصلی در تکنولوژی اسکنرهای اثر انگشت اولتراسونیک ایفا می‌کنند.
در این تکنولوژی به منظور اخذ جرئیات اثر انگشت از یک فرستنده و یک گیرنده اولتراسونیک استفاده می‌شود. هنگامی که انگشت کاربر بر روی اسکنر قرار می‌گیرد، پالس‌های اولتراسونیکی به سمت انگشت وی ساطع می‌شود. برخی از این پالس‌ها جذب شده و برخی از آن‌ها با برخور به انگشت کاربر مجددا به سمت سنسور منعکس می‌شوند. این پالس‌های منعکس شده (بازگشت داده شده) دارای اطلاعات مربوط به جزئیات بخشی از اثر انگشت کاربر هستند. به منظور دریافت اطلاعات مربوط به پالس‌های اولتراسونیک بازگشت داده شده از یک سنسو استرس مکانیکی استفاده می‌شود که قابلیت محاسبه شدت پالس اولتراسونیک بازگشتی در نقاط مختلف را دارد. کاملا مشخص است که در این شرایط هرچه انگشت شما برای مدت زمان بیشتری بر روی اسکنر قرار گیرد، اطلاعات بیشتری مابین گیرنده و فرستنده اولتراسونیک رد و بدل می‌شود. این موضوع منجر به عملکرد بهتر اسکنر خواهد شد. اسکنرهای اثر انگشت اولتراسونیک فوق‌العاده عالی عمل می‌کنند و از نظر امنیت نسبت به اسکنرهای نوع خازنی نیز برتری محسوسی دارند. پیش بینی می‌کنیم که استفاده از تکنولوژی و اسکنرهای اثر انگشت اولتراسونیک در آینده نزدیک بیشتر و بیشتر شود.
الگوریتم رمزنگاری
در حالی که اغلب اسکنرهای اثر انگشت مبتنی بر اجزاء سخت افزاری مشابه‌ای هستند، گاها استفاده از اجزاء سخت افزاری مجزا و همچنین بسترها نرم افزاری خاصی منجر به عملکرد بهتر مجموعه می‌شود. به طور کلی در کنار اسکنر فیزیکی از یک IC اختصاصی نیز استفاده می‌شود که با تفسیر داده‌های اسکن شده، آن‌ها را به شکلی مناسب برای پردازنده ارسال می‌کند. عموما هر کمپانی از الگوریتمی منحصر به فرد و خاص به منظور شناسایی ویژگی‌های اصلی اثر انگشت کاربر استفاده می‌کند. بنابراین اسکنرهای اثر انگشت کاربر مشابه (از نظر تکنولوژی) استفاده شده در گوشی‌های هوشمند برندهای مختلف می‌توانند با توجه به این موضوع و الگوریتم رمزنگاری به کار گرفته شده در آن‌ها سرعت و دقت عمل متفاوتی را به همراه داشته باشند.
به طور معمول الگوریتم‌های رمزنگاری اثر انگشت کاربر مبتنی بر برآمدگی‌های سطح اثر انگشت و محل‌های پایان و شروع خطوط اثر انگشت هستند. در مجموع این دو ویژگی از جمله اصلی‌ترین موضوعات در هر الگوریتم رمزنگاری محسوب می‌شوند. هنگامی که اثر انگشت شما به عنوان اثر انگشت اصلی و مورد تایید اسکنر شناخته شود، جزئیات مربوط به آن ذخیره خواهد شد. حال اطلاعات مربوط به جرئیات هر اثر انگشت دیگری که بر روی اسکنر قرار گیرد با اطلاعات مربوط به اثر انگشت اصلی شما مقایسه می‌شود و با توجه به تمایز مابین جزئیات دو اثر انگشت دستگاه از تایید آن جلوگیری به عمل می‌آورد. در این شرایط اسکنرهای اثر انگشت تمام اطلاعات مربوط به اثر انگشت کاربر را با اطلاعات اثر انگشت اصلی مقایسه نمی‌کنند، بلکه تنها به مقایسه جزئیات بخش‌های حساس اثر انگشت نظیر برآمدگی‌ها و محل‌های شروع و پایان خطوط اثر انگشت بسنده خواهند کرد. این الگوریتم منجر به کاهش میزان مصرف انرژی اسکنر، افزایش سرعت عمل آن و جلوگیری از بروز مشکلات عملکرد خاص می‌شود.
اما اطلاعات مربوط اثر انگشت شما به عنوان کاربر اصلی دستگاه در چه سمتی ذخیره می‌شود؟ مطمئنا این اطلاعات از نظر امنیت اطلاعات بسیار مهمی هستند که نباید به هیچ وجه در اختیار هیچ فردی قرار گیرند. در پردازنده‌های ARM این اطلاعات به شکل کاملا امنی در یک چیپ فیزیکی اختصاصی بهره‌مند از تکنولوژی Trusted Execution Environment ذخیره‌سازی می‌شوند. از این بخش به منظور ذخیره‌سازی سایر فرآیندهای رمزنگاری حیاتی و حائز اهمیت نیز استفاده می‌شود. دسترسی به اطلاعات بخش‌هایی همچون رمز عبور صفحه نمایش دستگاه و ... هم تنها توسط اپلیکیشن‌هایی قابل استفاده خواهد بود که از APIهای TEE یا همان Trusted Execution Environment بهره ببرند.
کوالکام در این راستا از ساختار اختصاصی Secure MSM استفاده می‌کند و اپل هم این بخش از ساختار امنیتی خود را Secure Enclave نامیده است. با این وجود نحوه عملکرد تمامی این روش‌ها و تکنولوژی‌های از نظر پایه و اساس کاملا یکسان است. در تمامی این روش‌ها اطلاعات مربوط به موضوعات امنیتی دستگاه در بخش مجزایی از پردازنده ذخیره می‌شود تا سایر اپلیکیشن‌های فعال بر روی آن قابلیت دسترسی به این اطلاعات را نداشته باشند.
به صورت کلی میزان استفاده از اسکنرهای اثر انگشت کاربر در گوشی‌های هوشمند هم اکنون به موضوعی رایج و متداول تبدیل شده است. شاید تا چند سال آینده شاهد به کارگیری این اسکنرها در تمامی گوشی‌های میان رده هم باشیم. اما با این حال کیفیت، دقت، ضریب امنیت و سرعت عملکرد اسکنرهای اثر انگشت با توجه به نوع و الگوریتم رمزگذاری به کار گرفته شده در آن‌ها متفاوت خواهند بود. امیدوار هستیم که از این مقاله استفاده کرده باشید.
منبع: androidauthority