Touch ID: nó là gì, cảm biến vân tay và nguyên lý hoạt động

Touch ID là gì?

Touch ID là cảm biến sinh trắc học được tích hợp vào nút Home (iPhone 5S–iPhone 8/SE) hoặc nút bên (iPad Air 4+, iPad mini 6+). Nó bao gồm một lớp kính sapphire (chống xước), mảng cảm biến điện dung và vòng phát hiện ngón tay kích hoạt máy quét khi chạm.

Trong quá trình thiết lập ban đầu, người dùng đăng ký dấu vân tay — cảm biến chụp nhiều hình ảnh của ngón tay từ các góc khác nhau và tạo một mẫu toán học. Theo Apple, máy quét đọc hoa văn nhú ở cấp độ dưới da — bên dưới lớp da trên cùng, giúp bảo vệ khỏi các dấu vân tay bị lấy trộm.

Touch ID hỗ trợ tới năm dấu vân tay — bạn có thể thêm ngón tay của cả hai bàn tay hoặc dấu vân tay của các thành viên trong gia đình. Cảm biến hoạt động với mọi hướng của ngón tay nhờ nhận dạng 360 độ. Kể từ khi ra mắt năm 2013, Touch ID đã được sử dụng để mở khóa iPhone, xác nhận mua hàng trên App Store, thanh toán qua Apple Pay và ủy quyền trong các ứng dụng bên thứ ba.

Công nghệ cảm biến điện dung

Máy quét vân tay điện dung Touch ID bao gồm mảng 500 điểm trên mỗi inch (ppi) các tụ điện siêu nhỏ đặt trên bề mặt chip silicon. Mỗi tụ điện đo điện dung giữa ngón tay và cảm biến. Các đường gờ của hoa văn nhú (phần nổi) ở gần cảm biến hơn và tạo ra điện dung cao hơn, trong khi các rãnh tạo ra điện dung thấp hơn.

Sự khác biệt về điện dung giữa 50.000 tụ điện lân cận tạo thành hình ảnh dấu vân tay với độ phân giải 500 ppi. Lớp kính sapphire dày 0,1 mm bảo vệ cảm biến khỏi trầy xước và cung cấp cách điện. Theo Apple, sapphire chỉ đứng sau kim cương về độ cứng — điều này ngăn mòn cảm biến ngay cả sau hàng triệu lần chạm.

Máy quét Touch ID thế hệ thứ hai (từ iPhone 8 trở đi) sử dụng mảng tụ điện cải tiến với bố trí dày đặc hơn — 800 ppi thay vì 500. Điều này tăng tốc độ quét lên 30% và cải thiện độ chính xác cho ngón tay ướt hoặc khô. Thời gian đăng ký dấu vân tay mới đã giảm từ 12 xuống 8 lần chạm.

Các thế hệ Touch ID: từ iPhone 5S đến iPhone SE

Touch ID thế hệ đầu tiên ra mắt trên iPhone 5S và được sử dụng cho đến iPhone 7. Cảm biến được tích hợp vào nút Home cơ học và có độ phân giải 500 ppi. Theo thời gian, Apple đã cải thiện các thuật toán xử lý: iOS 10 giới thiệu học thích ứng — mẫu vân tay dần dần được cập nhật sau mỗi lần quét, thu thập các vùng mới của hoa văn.

Touch ID thế hệ thứ hai ra mắt cùng với iPhone 8 và iPad Pro vào năm 2018. Những thay đổi chính: mảng tụ điện dày đặc hơn (800 ppi), hiệu suất được cải thiện với ngón tay ướt và tích hợp mới với Secure Enclave — SEP thế hệ thứ bảy tăng tốc các hoạt động mật mã học lên 40%. iPhone SE (thế hệ thứ 2 và thứ 3) giữ lại Touch ID thế hệ thứ hai như một sự thay thế cho Face ID dành cho người dùng thích nút Home.

Trên MacBook Pro, Touch ID được triển khai như một cảm biến riêng biệt ở bên phải Touch Bar (hoặc trong nút Touch ID trên các mẫu không có Touch Bar). Mac sử dụng cùng Secure Enclave T2 hoặc chip M. Theo Apple Platform Security, trên Mac, Touch ID lưu trữ các mẫu riêng biệt cho mỗi người dùng và tự động vô hiệu hóa khi chế độ khách được kích hoạt.

Học thích ứng của Touch ID

Bắt đầu từ iOS 10, Touch ID hỗ trợ học thích ứng — thuật toán dần dần mở rộng mẫu vân tay sau mỗi lần xác thực thành công. Nếu người dùng chạm vào cảm biến bằng các vùng khác nhau của ngón tay, mẫu sẽ được làm giàu với các chi tiết nhỏ mới (điểm phân nhánh và kết thúc của các đường gờ). Học thích ứng cải thiện độ chính xác nhận dạng lên 15–20% trong hai tuần đầu sau khi đăng ký vân tay.

Bảo mật: Secure Enclave và bảo vệ vân tay

Secure Enclave là bộ đồng xử lý chuyên dụng trong chip Apple A7–A18 và M1–M4 giúp cô lập dữ liệu sinh trắc học khỏi hệ điều hành chính. Trong quá trình đăng ký vân tay, cảm biến truyền hình ảnh trực tiếp đến Secure Enclave qua kênh ngoại vi được bảo mật. iOS chỉ nhận được thông báo rằng mẫu đã được lưu hoặc kết quả so sánh “khớp / không khớp”.

Mẫu vân tay toán học được lưu trữ mã hóa bên trong Secure Enclave. Khóa mã hóa được tạo dựa trên bộ nhận dạng chip duy nhất (UID) được lập trình trong quá trình sản xuất và không thể đọc được. Theo Apple Security White Paper, không một ứng dụng nào, bao gồm cả iOS, có quyền truy cập vào mẫu vân tay — API chỉ trả về giá trị boolean cho biết xác thực thành công hay không.

Touch ID cũng được bảo vệ khỏi các cuộc tấn công giả mạo. Cảm biến điện dung đo độ dẫn điện của mô sống, vì vậy các dấu vân tay khô hoặc bản sao silicon sẽ không hoạt động. Bảo vệ bổ sung: sau 5 lần thử không thành công, Touch ID sẽ khóa và yêu cầu mật khẩu, và sau 48 giờ không hoạt động, thiết bị cũng yêu cầu mật khẩu trước khi sử dụng sinh trắc học.

Giới hạn của Touch ID

Mặc dù độ tin cậy cao, Touch ID có những giới hạn. Máy quét có thể không hoạt động với ngón tay quá bẩn (sơn, dầu, bụi bẩn), các bệnh về da (chàm, vảy nến) hoặc da quá khô. Ngón tay ướt là nguyên nhân phổ biến nhất khiến cảm biến không hoạt động, vì nước làm lệch điện dung của các tụ điện. Apple khuyến nghị đăng ký nhiều dấu vân tay của cùng một ngón tay ở các góc khác nhau để tăng khả năng đọc thành công.

Touch ID trong Apple Pay

Để thanh toán qua Apple Pay bằng Touch ID, người dùng đặt ngón tay lên cảm biến trong khi giữ iPhone gần thiết bị đầu cuối. Giao dịch được xác nhận bằng chữ ký mật mã do Secure Enclave tạo ra. Số thẻ và dấu vân tay không được truyền cho người bán — mã hóa token được sử dụng. Mỗi giao dịch được gán một mã duy nhất (token) không thể sử dụng lại. Touch ID cho Apple Pay khả dụng trên iPhone 5S trở lên, cũng như trên iPad và Mac có cảm biến.

Touch ID so với Face ID: nên chọn gì

Với sự ra mắt của iPhone X vào năm 2017, Apple bắt đầu chuyển đổi từ Touch ID sang Face ID, nhưng cả hai công nghệ vẫn còn phù hợp. Touch ID thuận tiện khi khuôn mặt bị che bởi khẩu trang, điện thoại đặt trên bàn hoặc người dùng không thể nhìn vào màn hình. Face ID nhanh hơn khi sử dụng thông thường — chỉ cần nhìn vào màn hình mà không cần chạm nút.

Touch ID chiến thắng về hỗ trợ nhiều người dùng — tới 5 dấu vân tay so với một khuôn mặt của Face ID. Điều này hữu ích cho iPad gia đình hoặc các thiết bị doanh nghiệp. Tuy nhiên, Touch ID thua kém về bảo mật cơ bản (FAR 1:50.000 so với 1:1.000.000 của Face ID).

Ví dụ mã: kiểm tra Touch ID trên iOS

Framework LocalAuthentication hoạt động giống hệt cho cả Face ID và Touch ID — nhà phát triển không cần viết mã khác nhau cho các loại sinh trắc học khác nhau. Hệ thống tự động phát hiện cảm biến khả dụng và hiển thị hộp thoại tương ứng. Dưới đây là ví dụ về kiểm tra khả năng sinh trắc học trên thiết bị.

import LocalAuthentication

class BiometricHelper {

    static func checkBiometryStatus() {
        let context = LAContext()
        var error: NSError?

        switch context.canEvaluatePolicy(
            .deviceOwnerAuthenticationWithBiometrics,
            error: &error
        ) {
        case true:
            let type = context.biometryType
            switch type {
            case .touchID:
                print("Touch ID khả dụng")
            case .faceID:
                print("Face ID khả dụng")
            case .none:
                print("Sinh trắc học chưa được cấu hình")
            @unknown default:
                print("Loại không xác định")
            }

        case false:
            print("Sinh trắc học không khả dụng: \(error)")
        }
    }
}

Thuộc tính biometryType trả về loại cảm biến sinh trắc học khả dụng: .touchID, .faceID hoặc .none. Đây là cách duy nhất để xác định lập trình cảm biến nào được cài đặt trên thiết bị. Đối với Touch ID, iOS tự động hiển thị hộp thoại tiêu chuẩn với biểu tượng dấu vân tay và không yêu cầu thiết lập giao diện bổ sung.