Эта статья в какой-то мере является продолжением прошлой, а в какой-то её приквэлом. Здесь я расскажу про основы построения любой биометрической системы и про то, что осталось за кадром прошлой статьи, но обсуждалось в комментариях. Акцент сделан не на сами биометрические системы, а на их принципах и области действия.
Тем, кто не читал статью, или уже забыл — советую просмотреть что такое FAR и FRR, так как эти понятия будут использоваться и здесь.
Обратите внимание, статья 2011 года. С тех пор произошло пару революций в ComputerVision. Тут, конечно, более общие вещи находятся, но, наверное, если вы не археолог, вы ищете не это.
Если вам нужна биометрия сейчас — обратите внимание на лица (ссылка на статью 2018 года в 2021 тоже немного не актуальна, на все же). А так, я часто пишу на своем канале (vk, telegram) про более новые методы/подходы.
Любая аутентификация человека строиться на трёх традиционных принципах:
1) По собственности. К собственности может относиться пропуск, пластиковая карта, ключ или общегражданские документы.
2) По знаниям. К знаниям относятся пароли, коды или информация (например девичья фамилия матери).
3) По биометрическим характеристикам. Подробнее о том, какие бывают биометрические характеристики я говорил в предыдущей статье.
Эти три принципа как могут использоваться по отдельности, так и использоваться в группах. Эта методология и порождает два основных направления биометрии.
Верификацией называется подтверждение личности человека через биометрический признак, где первичная аутентификация прошла по одному из первых двух методов, указанных выше. Простейшим верификатором можно назвать пограничника, производящего верификацию вашего лица с вашим паспортом. Верификации подразумевает значительно большую надёжность системы. Вероятность того, что система пропустит нарушителя, не применяющего средства преодоления равна FAR используемого биометрического метода. Даже для самых слабых биометрических систем эта вероятность ничтожно мала. Основными минусами верификации являются два пункта. Первый — человеку требуется носить с собой документ или помнить пароль системы. Всегда существует проблема потери или забывания информации. Так же верификация принципиально невозможна для скрытной аутентификации.
Работу системы доступа, основанной на биометрической верификации можно представить следующим способом:
Биометрической идентификацией называется такое использование биометрического признака, при котором не требуется дополнительной информации. Поиск объекта осуществляется по всей базе данных и не требует предварительного ключа. Понятно, что основным минусом этого является то, что чем больше человек в базе, тем больше вероятность ложного доступа произвольного человека. В прошлой статье проводились оценки вероятности такого доступа при проектировании систем. Например системы по пальцам дают возможность содержать базу не более 300 человек, по глазам не более 3000. Плюс идентификации — все ключи всегда будут с вами, не нужно ни паролей, ни карточек.
В отличие от верификации идентификация может быть скрытной для человека. Как она возможна и стоит ли её бояться? Попробую вкратце рассказать те мысли, которые бытуют среди людей занимающихся биометрией. В прошлой статье эта мысль осталась незаконченной.
Рассмотрим технологии, которые могут позволить хотя бы в некоторых случаях скрытно от человека определить его личность. Во-первых, сразу стоит отбросить все контактные методы. Размещать сканеры отпечатков пальцев в ручках дверей не лучшая затея. Их заметно, многие не касаются ручек, контактные сканеры пачкаются, и.т.д. Во-вторых, можно сразу отбрасывать методы, где максимальная дальность ограниченна 10-15 сантиметрами (например вены рук). В-третьих, можно отбросить всю динамическую биометрию, так как там слишком низкие показатели FAR и FRR.
Остаётся всего две технологии. Это технологии, где в качестве сканеров данных выступают камеры: распознавание по лицам (2D, 3D) и распознавание по радужной оболочке.
Первую из них, распознавание по 2D лицам, уже неоднократно пытались внедрить(из-за её простоты), но всё время безуспешно. Это обусловлено низкими статистическими параметрами системы. Если в базе разыскиваемых личностей находится всего 100 человек, то каждый 10 прохожий будет объявляться разыскиваем. Даже у милиционера в метро КПД значительно выше.
Две следующих технологии очень похожи. Для обеих возможно использование на отдалении от человека, но обе должны иметь достаточное количество оборудования. Как 3D сканер лица, так и сканер радужной оболочки можно ставить в местах, где есть узкие проходы. Это эскалаторы, двери, лестницы. Примером такой системы может служить система, созданная SRI International (сейчас у них мёртвый сайт, но есть практически аналог от AOptix). Я не на 100% уверен, что система от SRI International рабочая, слишком много ошибок в видео, но принципиальная возможность создания существует. Вторая система работает, хотя там и слишком мала скорость для скрытной системы. Сканеры 3D лица работают примерно по тому же принципу: детектирование в узком проходе. В случае 3D лица и распознавании по глазам надёжность работы достаточно высокая. Если база 100 преступников, то проверять придётся лишь каждого 10000 из мирных граждан, что уже достаточно эффективно.
Ключевой особенностью любой скрытой биометрии является то, что человек не должен о ней знать. Вставить в глаза линзы, или изменить форму лица несколькими накладками можно незаметно для окружающих, но заметно для биометрической системы. Почему-то у меня есть подозрение, что в скором будущем спрос на линзы, изменяющие радужку значительно возрастёт. Возрос же в Британии спрос на банданы. А события там только первые ласточки биометрии.
Любая биометрическая система будет состоять из нескольких элементов. В некоторых из систем отдельные элементы сращены, в некоторых разнесены в различные элементы.
В случае, если биометрическая система используется только на одной проходной, то особо без разницы, разделена ли система на части или нет. На месте можно добавлять человека в базу и проверять его. Если же существует несколько проходных, то нерационально хранить на каждой проходной отдельную базу данных. Более того, такая система не динамична: добавление или удаление пользователей требует обхода всех сканеров.
Биометрический сканер это часть любой биометрической системы, без которой она не может существовать. В некоторых системах биометрический сканер это просто видеокамера, а в некоторых (например сканеры сетчатки), это сложный оптический комплекс. Двумя основными характеристиками биометрического сканера являются его принцип деятельности (контактный, бесконтактный) и его скорость (количество человек в минуту, которое он может обслужить). Для тех биометрических характеристик, чьё использование уже вошло в норму, сканер можно купить отдельно от логической системы. В случае, если сканер физически разделён с алгоритмом сравнения и с базой, то сканер может выполнять первичную обработку полученной биометрической характеристики (например для глаза это выделение радужки). Это действие выполняется для того, чтобы не перегружать канал общения сканера и основной базы. Так же, в сканере, отделённом от базы, обычно встроена система шифрования данных, чтобы обезопасить передачу биометрических данных.
Эти две части биометрической системы обычно живут по соседству и часто дополняют друг друга. Для некоторых биометрических признаков алгоритм сравнения может при выполнять оптимизированных поиск по базе (сравнение по пальцам, сравнение по лицу). А в некоторых (глаза), для полного сравнения ему в любом случае нужно обойти всю базу.
Алгоритм сравнения имеет много характеристик. Его две основных характеристики, FAR и FRR во многом определяют биометрическую систему. Так же стоит отметить:
1) Скорость работы. Для некоторых сравнений (глаза), скорость работы может достигать сотен тысяч сравнений в секунду на обычном компьютере. Этой скорости хватает для того, чтобы обеспечить любые нужды пользователей, не замечая временной задержки. А для некоторых систем (3D лицо) это уже достаточно значащая характеристика системы, требующая большой вычислительной мощности для сохранения скорости работы при увеличении базы.
2) Удобство работы. По сути, удобство любой системы во многом устанавливается отношением FAR, FRR. В системе мы можем немножко изменять их значение, так, чтобы сделать акцент в сторону скорости или сторону надёжности. Грубо говоря, получается примерно такой график:
В случае если мы хотим высокого уровня надёжности, мы выбираем положение в левой его части. А если пользователей мало, то неплохие показатели будут и в правой части графика, где будет высокие характеристики удобства, а значит и высокая скорость работы.
После сравнения биометрическая система должна выдать результаты сравнения на управляющие органы. Дальше это может быть как команда «открыть дверь», так и информация «такой-то такой-то пришёл на работу». А вот что дальше делать с этой информацией должны решать установщики системы. Но и тут не всё так просто, надо учитывать возможности атаки:
Несмотря на то, что многие биометрические системы снабжены алгоритмами, способными определить атаку на них, этого не достаточно чтобы относиться к безопасности беспечно. Самой простой атакой на идентификационную систему является многократное сканирование. Предположим ситуацию: в фирме служит порядка сотни человек. Злоумышленник подходит к биометрической системе пропуска и многократно сканируется на ней. Даже для надёжных систем через пару тысяч сканирований возможно ложное определение и пропуск злоумышленника на объект. Чтобы избежать этого многие системы отслеживают неудачные сканирования и после 10-15 попыток блокируют вход. Но в случаях, когда система этого не может делать — эта задача ложится на пользователя. К сожалению, об этом часто забывают.
Второй способ атаки на биометрическую систему — подделка объекта сканирования. В случае, если система имеет алгоритмы защиты от подделки, важно правильно на них среагировать. Обычно эти алгоритмы тоже вероятностные и имеют свой FAR и FRR. Так что не нужно забывать вовремя отслеживать сигналы об атаке и высылать охранника.
Кроме атаки на саму систему возможно атаковать окружение системы. Когда-то мы натолкнулись на забавную ситуацию в этой стране. Многие интеграторы не особо запариваются над передачей данных. Для передачи они используют стандартный протокол Виганда. При этом особо не запариваясь в большинстве случаев они его даже не шифруют. Так что проще не систему обманывать, а найти провод и послать ключик через него…
Надеюсь, что мои размышления о том, какая бывает биометрия и с чем её едят — когда-нибудь вам помогут. Или для того, чтобы поставить себе такую систему, или для того, чтобы обмануть чужую)
Тем, кто не читал статью, или уже забыл — советую просмотреть что такое FAR и FRR, так как эти понятия будут использоваться и здесь.
NB!
Обратите внимание, статья 2011 года. С тех пор произошло пару революций в ComputerVision. Тут, конечно, более общие вещи находятся, но, наверное, если вы не археолог, вы ищете не это.
Если вам нужна биометрия сейчас — обратите внимание на лица (ссылка на статью 2018 года в 2021 тоже немного не актуальна, на все же). А так, я часто пишу на своем канале (vk, telegram) про более новые методы/подходы.
Общие понятия
Любая аутентификация человека строиться на трёх традиционных принципах:
1) По собственности. К собственности может относиться пропуск, пластиковая карта, ключ или общегражданские документы.
2) По знаниям. К знаниям относятся пароли, коды или информация (например девичья фамилия матери).
3) По биометрическим характеристикам. Подробнее о том, какие бывают биометрические характеристики я говорил в предыдущей статье.
Эти три принципа как могут использоваться по отдельности, так и использоваться в группах. Эта методология и порождает два основных направления биометрии.
Верификация
Верификацией называется подтверждение личности человека через биометрический признак, где первичная аутентификация прошла по одному из первых двух методов, указанных выше. Простейшим верификатором можно назвать пограничника, производящего верификацию вашего лица с вашим паспортом. Верификации подразумевает значительно большую надёжность системы. Вероятность того, что система пропустит нарушителя, не применяющего средства преодоления равна FAR используемого биометрического метода. Даже для самых слабых биометрических систем эта вероятность ничтожно мала. Основными минусами верификации являются два пункта. Первый — человеку требуется носить с собой документ или помнить пароль системы. Всегда существует проблема потери или забывания информации. Так же верификация принципиально невозможна для скрытной аутентификации.
Работу системы доступа, основанной на биометрической верификации можно представить следующим способом:
Идентификация
Биометрической идентификацией называется такое использование биометрического признака, при котором не требуется дополнительной информации. Поиск объекта осуществляется по всей базе данных и не требует предварительного ключа. Понятно, что основным минусом этого является то, что чем больше человек в базе, тем больше вероятность ложного доступа произвольного человека. В прошлой статье проводились оценки вероятности такого доступа при проектировании систем. Например системы по пальцам дают возможность содержать базу не более 300 человек, по глазам не более 3000. Плюс идентификации — все ключи всегда будут с вами, не нужно ни паролей, ни карточек.
Скрытная идентификация
В отличие от верификации идентификация может быть скрытной для человека. Как она возможна и стоит ли её бояться? Попробую вкратце рассказать те мысли, которые бытуют среди людей занимающихся биометрией. В прошлой статье эта мысль осталась незаконченной.
Рассмотрим технологии, которые могут позволить хотя бы в некоторых случаях скрытно от человека определить его личность. Во-первых, сразу стоит отбросить все контактные методы. Размещать сканеры отпечатков пальцев в ручках дверей не лучшая затея. Их заметно, многие не касаются ручек, контактные сканеры пачкаются, и.т.д. Во-вторых, можно сразу отбрасывать методы, где максимальная дальность ограниченна 10-15 сантиметрами (например вены рук). В-третьих, можно отбросить всю динамическую биометрию, так как там слишком низкие показатели FAR и FRR.
Остаётся всего две технологии. Это технологии, где в качестве сканеров данных выступают камеры: распознавание по лицам (2D, 3D) и распознавание по радужной оболочке.
Первую из них, распознавание по 2D лицам, уже неоднократно пытались внедрить(из-за её простоты), но всё время безуспешно. Это обусловлено низкими статистическими параметрами системы. Если в базе разыскиваемых личностей находится всего 100 человек, то каждый 10 прохожий будет объявляться разыскиваем. Даже у милиционера в метро КПД значительно выше.
Две следующих технологии очень похожи. Для обеих возможно использование на отдалении от человека, но обе должны иметь достаточное количество оборудования. Как 3D сканер лица, так и сканер радужной оболочки можно ставить в местах, где есть узкие проходы. Это эскалаторы, двери, лестницы. Примером такой системы может служить система, созданная SRI International (сейчас у них мёртвый сайт, но есть практически аналог от AOptix). Я не на 100% уверен, что система от SRI International рабочая, слишком много ошибок в видео, но принципиальная возможность создания существует. Вторая система работает, хотя там и слишком мала скорость для скрытной системы. Сканеры 3D лица работают примерно по тому же принципу: детектирование в узком проходе. В случае 3D лица и распознавании по глазам надёжность работы достаточно высокая. Если база 100 преступников, то проверять придётся лишь каждого 10000 из мирных граждан, что уже достаточно эффективно.
Ключевой особенностью любой скрытой биометрии является то, что человек не должен о ней знать. Вставить в глаза линзы, или изменить форму лица несколькими накладками можно незаметно для окружающих, но заметно для биометрической системы. Почему-то у меня есть подозрение, что в скором будущем спрос на линзы, изменяющие радужку значительно возрастёт. Возрос же в Британии спрос на банданы. А события там только первые ласточки биометрии.
Модель биометрической системы доступа и её частей
Любая биометрическая система будет состоять из нескольких элементов. В некоторых из систем отдельные элементы сращены, в некоторых разнесены в различные элементы.
В случае, если биометрическая система используется только на одной проходной, то особо без разницы, разделена ли система на части или нет. На месте можно добавлять человека в базу и проверять его. Если же существует несколько проходных, то нерационально хранить на каждой проходной отдельную базу данных. Более того, такая система не динамична: добавление или удаление пользователей требует обхода всех сканеров.
Биометрический сканер
Биометрический сканер это часть любой биометрической системы, без которой она не может существовать. В некоторых системах биометрический сканер это просто видеокамера, а в некоторых (например сканеры сетчатки), это сложный оптический комплекс. Двумя основными характеристиками биометрического сканера являются его принцип деятельности (контактный, бесконтактный) и его скорость (количество человек в минуту, которое он может обслужить). Для тех биометрических характеристик, чьё использование уже вошло в норму, сканер можно купить отдельно от логической системы. В случае, если сканер физически разделён с алгоритмом сравнения и с базой, то сканер может выполнять первичную обработку полученной биометрической характеристики (например для глаза это выделение радужки). Это действие выполняется для того, чтобы не перегружать канал общения сканера и основной базы. Так же, в сканере, отделённом от базы, обычно встроена система шифрования данных, чтобы обезопасить передачу биометрических данных.
Алгоритм сравнения + база данных
Эти две части биометрической системы обычно живут по соседству и часто дополняют друг друга. Для некоторых биометрических признаков алгоритм сравнения может при выполнять оптимизированных поиск по базе (сравнение по пальцам, сравнение по лицу). А в некоторых (глаза), для полного сравнения ему в любом случае нужно обойти всю базу.
Алгоритм сравнения имеет много характеристик. Его две основных характеристики, FAR и FRR во многом определяют биометрическую систему. Так же стоит отметить:
1) Скорость работы. Для некоторых сравнений (глаза), скорость работы может достигать сотен тысяч сравнений в секунду на обычном компьютере. Этой скорости хватает для того, чтобы обеспечить любые нужды пользователей, не замечая временной задержки. А для некоторых систем (3D лицо) это уже достаточно значащая характеристика системы, требующая большой вычислительной мощности для сохранения скорости работы при увеличении базы.
2) Удобство работы. По сути, удобство любой системы во многом устанавливается отношением FAR, FRR. В системе мы можем немножко изменять их значение, так, чтобы сделать акцент в сторону скорости или сторону надёжности. Грубо говоря, получается примерно такой график:
В случае если мы хотим высокого уровня надёжности, мы выбираем положение в левой его части. А если пользователей мало, то неплохие показатели будут и в правой части графика, где будет высокие характеристики удобства, а значит и высокая скорость работы.
«Сделать что-нибудь»
После сравнения биометрическая система должна выдать результаты сравнения на управляющие органы. Дальше это может быть как команда «открыть дверь», так и информация «такой-то такой-то пришёл на работу». А вот что дальше делать с этой информацией должны решать установщики системы. Но и тут не всё так просто, надо учитывать возможности атаки:
Атака на биометрическую систему
Несмотря на то, что многие биометрические системы снабжены алгоритмами, способными определить атаку на них, этого не достаточно чтобы относиться к безопасности беспечно. Самой простой атакой на идентификационную систему является многократное сканирование. Предположим ситуацию: в фирме служит порядка сотни человек. Злоумышленник подходит к биометрической системе пропуска и многократно сканируется на ней. Даже для надёжных систем через пару тысяч сканирований возможно ложное определение и пропуск злоумышленника на объект. Чтобы избежать этого многие системы отслеживают неудачные сканирования и после 10-15 попыток блокируют вход. Но в случаях, когда система этого не может делать — эта задача ложится на пользователя. К сожалению, об этом часто забывают.
Второй способ атаки на биометрическую систему — подделка объекта сканирования. В случае, если система имеет алгоритмы защиты от подделки, важно правильно на них среагировать. Обычно эти алгоритмы тоже вероятностные и имеют свой FAR и FRR. Так что не нужно забывать вовремя отслеживать сигналы об атаке и высылать охранника.
Кроме атаки на саму систему возможно атаковать окружение системы. Когда-то мы натолкнулись на забавную ситуацию в этой стране. Многие интеграторы не особо запариваются над передачей данных. Для передачи они используют стандартный протокол Виганда. При этом особо не запариваясь в большинстве случаев они его даже не шифруют. Так что проще не систему обманывать, а найти провод и послать ключик через него…
Надеюсь, что мои размышления о том, какая бывает биометрия и с чем её едят — когда-нибудь вам помогут. Или для того, чтобы поставить себе такую систему, или для того, чтобы обмануть чужую)
