اسکنر اثر انگشت چگونه کار می کند؟
۱- مقدمه ای بر طرز کار اسکنرهای اثر انگشت (Fingerprint Scanners)
اسکن رایانه ای اثر انگشت انسان ها برای سالیان سال سوژه اصلی فیلم های جاسوسی و هیجان انگیز سینما بود. تا این اواخر، استفاده از تکنولوژی آنها در دنیای واقعی خیلی عجیب و غریب محسوب می شد. اما در چند سال اخیر استفاده از این اسکنر ها به ظاهر در همه جا آغاز شده- از ایستگاه های پلیس، ساختمان ها و مراکز امنیتی حساس گرفته تا صفحه کلید کامپیوتر. شما می توانید به دلخواه خود یک اسکنر اثر انگشت شخصی که از طریق درگاه (Port) یواس بی به رایانه متصل می شود را با کمتر از 100 دلار خریداری کرده و با استفاده از این تکنولوژی در دسترس، کامپیوتر خود را با یک فناوری پیشرفته بیومتریک محافظت نمایید. به این ترتیب به جای رمزعبور معمول ، برای ورود به رایانه نیاز به اسکن اثر انگشت متمایز هر شخص برای ورود به سیستم می باشد.
در این مقاله ما به اسرار پشت پرده این پیشرفت چشمگیر در بالا بردن امنیت داده ها و امنیت هویت خواهیم پرداخت. همچنین خواهیم دید که اسکنر اثر انگشت نسبت به سیستم های امنیتی معمولی برخوردار از رمزعبور و سیستم های کارت هویت چه مزایا و معایبی دارد و مقایسه ای بین این ها انجام می دهیم، و شرح می دهیم که هر کدام از این سیستم های امنیتی در چه صورت شکست می خورد.
۲- مبانی اسکن اثر انگشت
اثر انگشت انسان یکی از عجایب خلقت است. اگر بخواهیم به زبان امنیت اطلاعات بگوییم، هر انسانی که متولد می شود همراه خود یک کارت شناسایی همیشه قابل دسترس در اختیار دارد. همه ما روی انگشتان خود یک طراحی منحصر به فرد داریم، که به تنهایی و به معنای واقعی کلمه معرف هویت شما است و در نوک انگشتان تان جای گرفته، پس همیشه همراهتان است.
انسان ها برجستگی های کوچکی روی پوست انگشتان دارند و این سازگاری خاص بسیار به نفع اجداد گونه بشر بوده است. الگوی برجستگی ها و فرورفتگی ها روی انگشتان دست، گرفتن اشیا را به وسیله انگشتان به دلیل اصطکاک آسان تر می کند. به دلیلی مشابه، آج لاستیک به چسبندگی خودرو روی جاده کمک می کند و مانع از سر خوردن خودرو می شود.
مزیت دیگر اثر انگشت الگوی قرار گیری کاملا تصادفی است. مثل همه چیز در بدن انسان، این برجستگی ها از طریق ترکیبی از عوامل ژنتیکی و محیطی شکل یافته اند. یک کد ژنتیکی در DNA دستورات کلی را در مورد نحوه تشکیل یافتن خطوط روی پوست در یک جنین در حال رشد صادر می کند، اما شکل خطوط ایجاد شده ناشی از وقایع تصادفی است. موقعیت دقیق جنین در رحم مادر در یک لحظه خاص و ترکیب دقیق و چگالی مایع آمنیوتیک اطراف آن، عواملی هستند که چگونگی شکل گیری برجستگی های روی سطح پوست (یا اثر انگشت) هر فرد را معین می کنند.
علاوه بر فاکتورهای زیادی که منجر به تعیین آرایش ژنتیکی اثر انگشت شما در وهله اول می شود، تعداد عوامل محیطی بی شماری موثر بر شکل گیری خطوط سر انگشتان نیز وجود دارد. درست مانند شرایط آب و هوایی که ابرها را شکل داده یا خط ساحلی سواحل را به وجود آورده اند، تمام روند توسعه به قدری تصادفی و آشفته است، که در تمام دوره تاریخ بشری، تقریبا هیچ شانسی برای تشکیل دو الگوی یکسان و دقیقا مانند هم نمی توان متصور بود.
در نتیجه، اثر انگشت هر انسانی نشانگری منحصر به فرد برای او محسوب می شود، و این امر حتی برای دو قلوهای یکسان نیز صدق می کند. و در حالی که دو اثر انگشت در نگاه اول در واقع ممکن است مثل هم به نظر برسند، یک پژوهش گر مجرب یا یک نرم افزار تحلیلی پیشرفته می توانید پی به تفاوت های روشن و از پیش تعریف شده ببرد.
این ایده اساسی تجزیه و تحلیل اثر انگشت است، که هم در بررسی و اثبات جرم و جنایت به کار گرفته می شود و هم برای تامین امنیت. وظیفه اسکنر اثر انگشت این است که جایگزین یک تحلیلگر انسانی شده و به وسیله جمع آوری نمونه های اثر انگشت کار مقایسه آن با نمونه یا نمونه های دیگری که قبلا ثبت کرده را انجام دهد. در بخش های بعد ، خواهیم فهمید که اسکنرهای اثر انگشت چگونه این کار را انجام می دهند.
۳- اسکنر اپتیکال
سیستم اسکن اثر انگشت دارای دو وظیفه اساسی است- اول باید بتواند تصویری از اثر انگشت شما بردارد و اصطلاحا آن را اسکن کند، و سپس باید تعیین کند که آیا الگوی برجستگی ها و فرو رفتگی ها در تصویر بدست آمده، مشابه الگوی برجستگی ها و فرو رفتگی ها در تصاویر قبلا اسکن شده هست یا خیر.
روش های مختلفی برای دریافت یک تصویر از اثر انگشت اشخاص وجود دارد. امروزه رایج ترین روش ها، اسکن نوری (optical) و اسکن خازنی(capacitance) است. هر دو روش از یک شیوه برای مرتب کردن و طبقه بندی تصویر گرفته شده استفاده می کنند، اما راهی که این شیوه را بر آن اساس انجام می دهند کاملا متفاوت است.
قلب اسکنر های نوری چیزی نیست جز یک قطعه CCD (charge coupled device)، که همان سنسور نوری است که در دوربین های دیجیتال و دوربین های فیلم برداری مورد استفاده قرار می گیرد. فرآیند اسکن زمانی شروع می شود که شما انگشت خود را بر روی صفحه شیشه ای می گذارید و دوربین یک تصویر از سر انگشت شما می گیرد. خود اسکنر منبع نوری دارد که به طور معمول آرایشی از دیودهای ساطع کننده نور هستند، که برای تابش نور به برجستگی های اثر انگشت به کار می رود. سیستم CCD در واقع یک تصویر معکوس از اثر انگشت تولید می کند که در آن مناطق تیره تر نشانگر انعکاس بیشتر نور (یا همان برجستگی های انگشت) و مناطق روشن تر نشانگر انعکاس کمتر نور (یا فرورفتگی های بین خطوط اثر انگشت) است.
قبل از مقایسه نسخه اسکن شده با داده های از پیش ذخیره شده، پردازنده دستگاه تصویر را بررسی کرده و اطمینان حاصل می کند که یک تصویر روشن و بدون خدشه را گرفته باشد. اگر تصویری مورد تایید قرار نگرفته و اصطلاحا رد شود، اسکنر زمان نوردهی به انگشت را تغییر داده و بسته به حالت قبلی مدت زمان بیشتر یا کمتری به انگشت نور می تاباند، و سپس تلاش می کند دوباره اسکن را انجام دهد تا نتیجه لازم گرفته شود.
اگر سطح تاریکی کافی باشد، سیستم به مرحله بعد که بررسی کیفیت تصویر است می رود (که میزان وضوح و دقت اثر انگشت اسکن شده است). اگر پردازنده دریابد که تصویر واضح است و درست در معرض نور قرار گرفته ، در نهایت شروع به مقایسه اثر انگشت اسکن شده با اثرهای انگشت ثبت شده در فایل آرشیو خود می کند. ما این مرحله را نیز در قسمت های بعدی توضیح خواهیم داد، اما در ابتدا اجازه دهید به تکنولوژی متداول دیگر یعنی اسکنر خازنی بپردازیم.
۴- اسکنر خازنی
مانند اسکنر های نوری ، اسکنر خازنی هم یک تصویر از برجستگی ها و فرو رفتگی های اثر انگشت تولید می کند. اما به جای سنجش تصویر با استفاده از نور ، خازن ها از جریان برق استفاده می کنند.
نمودار زیر یک سنسور خازنی ساده را نشان می دهد. سنسور از یک یا چند چیپ یا تراشه نیمه هادی تشکیل شده است که هر کدام حاوی ارایش منظمی از سلول های کوچک می باشند. هر سلول شامل دو صفحه هادی است که در پوششی از یک لایه عایق قرار داده شده اند. سلول ها بسیار کوچک هستند (کوچکتر از عرض یک خط برجستگی روی انگشت).
دو صفحه هادی یک خازن ساده را تشکیل می دهند، یعنی یک واحد الکتریکی که می تواند بار الکتریکی را در خود ذخیره کند. سطح انگشت به عنوان صفحه سوم خازن عمل کرده، که توسط لایه های عایق از دو صفحه اصلی جدا می شود. همچنین در قسمت فرورفتگی های اثر انگشت ، لایه ای از هوا نقش عایق را بر عهده دارد. با تغییر فاصله بین صفحات خازن (با حرکت دادن انگشت و نزدیک تر یا دورتر کردن آن از صفحات هادی) ظرفیت خازنی کل تغییر می کند. به دلیل این ویژگی، خازنی که در یک سلول در زیر یکی از برجستگی های اثر انگشت قرار گرفته ظرفیت خازنی بزرگتری نسبت به خازنی دارد که در سلول زیر فروررفتگی اثر انگشت قرار دارد.
پردازنده اسکنر این ولتاژهای خروجی را خوانده و تعیین می کند که آیا این ولتاژ مشخصه برجستگی است یا فرورفتگی. با خواندن داده های تمام سلول ها در سنسور، پردازنده می تواند به تصویر کلی از اثر انگشت دست یابد که مشابه تصویر گرفته شده توسط اسکنر های نوری است.
مزیت اصلی یک اسکنر خازنی آن است که برای تشخیص اثر انگشت ، به جای الگوی نور و تاریکی که باعث ایجاد تاثیر بصری اثر انگشت می شود نیاز به شکل واقعی انگشت دارد. این امر باعث می شود فریب دادن سیستم سخت تر شود. علاوه بر این، از آنجایی که در این اسکنرها از یک تراشه نیمه هادی به جای یک واحد CCD استفاده شده، اسکنر خازنی نسبت به اسکنرهای نوری ابعادی جمع و جورتری دارند.
۵- تحلیل و آنالیز
در سینما و برنامه های تلویزیونی، به طور معمول آنالیز کننده های خودکار اثر انگشت، تصاویر اثر انگشت های مختلف را برای پیدا کردن مورد مشابه به سرعت پردازش می کنند. در واقعیت، مکانیسم فوق راه عملی به ویژه برای مقایسه اثر انگشت نمی باشد. عواملی مانند لک شدن صفحه شیشه ای اسکنر ممکن است باعث شود که اسکن اثر انگشت با مورد آرشیو شده بسیار متفاوت باشد ، بنابراین به ندرت رویهم قرار دادن تصویر می تواند به حل مسئله منجر شود. علاوه بر این، استفاده از تصویر اثر انگشت در تجزیه و تحلیل مقایسه ای قدرت پردازش بسیاری طلب می کند، و همین طور امکان سرقت داده های ذخیره شده را نیز آسان تر می کند.
در عوض، اکثر سیستم های اسکنر اثر انگشت به مقایسه ویژگی های خاصی از اثر انگشت می پردازند، که به طور کلی به عنوان «جزئیات» (minutiae) شناخته می شوند. به طور معمول، محققان زیست شناسی و کامپیوتر بر روی مناطقی تمرکز می کنند که یک برجستگی به پایان رسیده یا جایی که یک خط برجستگی به دو خط تجزیه شده (bifurcations). در مجموع ، گروهی از ویژگی های متمایز گاهی اوقات به نام typica. نامیده می شوند.
سیستم نرم افزاری اسکنر از الگوریتم های بسیار پیچیده ای برای تشخیص و تجزیه و تحلیل این جزئیات استفاده می کند. ایده پایه ای این است که اندازه گیری موقعیت نسبی جزئیات، بر اساس همان شیوه ای که شما ممکن است در موردش بدانید یعنی انتخاب بخشی از آسمان و مشخص کردن موقعیت نسبی ستاره ها اندازه گیری شود. یک راه ساده برای توضیح آن، در نظر گرفتن اشکالی است که زمان شما خطوط مستقیم بین آنها رسم می کنید، جزئیات مختلفی تشکیل می دهند. اگر دو اثر، سه برجستگی و دو تقسیم خطوط یا bifurcations داشته باشند، احتمال این موضوع را که دو اثر مشابه و یکی باشند را بالا خواهد برد.
برای دریافت تطابق، سیستم اسکنر نیازی به یافتن تمام الگوهای جزئیات در هر دو نمونه اسکن شده و سابقه آرشیوی ندارد، بلکه باید به سادگی تعداد کافی از الگوها را پیدا کند که در دو نسخه اسکن شده و آرشیوی واضح تر است. تعداد دقیق این الگوها با توجه به برنامه نرم افزاری اسکنر متفاوت است و هر چه بیشتر باشد سیستم از دقت بالاتری برخوردار است.
۶- جوانب مثبت و منفی
برای یک سیستم امنیتی راه های مختلفی وجود دارد که بتواند از مجاز بودن دسترسی کاربر اطمینان حاصل کند. بیشتر سیستم های امنیتی برای رسیدن به این هدف، بیشتر به دنبال یکی از موارد زیرهستند:
• کاربر برای احراز هویت چه در اختیار دارد؟
• کاربر چه می داند؟
• کاربر کیست؟
برای ورود به سیستم با استفاده از روش "چه در اختیار دارید؟"، شما نیاز به نوعی "رمز یا نشانی" ، مانند کارت هویت با تراشه مغناطیسی خواهید داشت. در سیستم مبتنی بر روش "چه می دانید؟" از شما وارد کردن رمزعبور یا شماره پین را خواسته می شود. و بالاخره روش"شما کیستید؟" در عمل به دنبال شواهد فیزیکی می گردد که ثابت کند شما همان شخص مجاز هستید ( این شواهد فیزیکی می تواند به طور خاص اثر انگشت ، صدا یا الگوی عنبیه باشد.)
سیستم های "احراز هویت فیزیکی" مانند اسکنر اثر انگشت نسبت به سیستم های دیگر مزایایی دارند. به چند نمونه از این مزایا توجه کنید:
• جعل کردن صفات فیزیکی که منحصر به هر شخص می باشند، بسیار سخت تر از جعل کارت شناسایی است.
• شما هرگز قادر نخواهید بود یک الگوی اثر انگشت را مانند یک رمزعبور حدس بزنید.
• شما نمی توانید اثر انگشت، عنبیه یا صدای خود را مانند کارت شناسایی جا گذاشته یا گم کنید.
• شما نمی توانید همانند فراموش کردن رمزعبور، اثرانگشت خود را فراموش کنید!
اما به همان اندازه که این روش موثر و ایمن است، به طور حتم مصون از خطا نیست و ناگزیر معایب عمده ای نیز بر این سیستم وارد است. اسکنر نوری همیشه نمی تواند بین یک عکس از اثر انگشت و اثر انگشت حقیقی تمایز قائل شود و اسکنر خازنی را گاهی اوقات می توان با قالبی ساخته شده از انگشت فرد مجاز فریب داد. همچنین اگر کسی به اثر انگشت ثبت شده کاربر مجاز دسترسی یابد، می تواند اسکنر را فریب دهد. در بدترین شرایط، فرد جانی حتی می تواند انگشت کاربر مجاز را قطع کرده و با استفاده از آن به سادگی از حصار امنیتی گذر کند. البته بعضی از اسکنرها دارای سنسورهای اضافی ضربان و حرارت هستند تا زنده بودن انگشت را با آن تایید کنند، و با این امکانات نمی توان توسط قالب معمولی یا انگشت قطع شده سیستم را فریب داد، اما حتی این سیستم ها را نیز می توان با قالب ژلاتینی آماده شده که روی یک انگشت واقعی قرار می گیرد فریب داد!
برای حصول اطمینان از این سیستم های امنیتی، یک ایده خوب این است که تجزیه و تحلیل های بیومتریک را با سیستم های متدوال و مرسوم احراز هویت ترکیب کنیم، مانند ترکیب اسکن فیزیکی با یک رمزعبور (به همان روشی که مثلا یک دستگاه خودپرداز بانک نیاز به یک کارت بانکی و رمز هر دو با هم دارد)
مشکل واقعی سیستم های امنیتی بیومتریک میزان خسارتی است که هنگامی که فردی قصد سرقت اطلاعات هویتی را داشته باشد به بار می آید. اگر شما کارت اعتباری خود را گم کنید و یا به طور تصادفی به فردی رمزعبور آن را لو بدهید، همیشه می توانید درخواست صدور یک کارت جدید داده و یا رمزعبور را تغییر دهید. اما اگر کسی اثر انگشت شما را به هر طریق سرقت کند، بقیه عمر خود را در ترس و نگرانی سپری خواهید نمود. شما دیگر قادر به استفاده از اثر انگشت خود به عنوان شکلی از شناسایی و احراز هویت نخواهید بود (اعتبار هویت خود را از دست می دهید).
اما حتی با وجود این نقاط ضعف قابل توجه، اسکنرهای اثر انگشت و در کل سیستم های بیومتریک، ابزاری عالی برای شناسایی و احراز هویت به شمار می آیند. آنها در آینده ، به احتمال زیاد تبدیل به بخشی جدایی ناپذیر از زندگی روزمره اغلب مردم خواهند شد، درست مانند کلید، کارت های عابر بانک و رمزعبور در زندگی روزمره انسان ها.
