Управляемые коммутаторы USB-канала семейства «Прерыватель»

Тюнин В.А.

Закрытое акционерное общество «ОКБ САПР», Пенза, Россия

В статье рассматривается назначение, внутренняя структура, принципы функционирования устройств семейства »Прерыватель», разработанных в ОКБ САПР. Описаны различные области применения этих изделий: автоматизированное тестирование USB-устройств, управление подключением и отключением программно-аппаратных «мобильных» СЗИ, USB3.0-повторитель.

Ключевые слова: автоматизация тестирования, «мобильные» программно-аппаратные СЗИ, коммутатор USB-канала, USB3.0-повторитель.

Важными особенностями шины USB являются возможность «горячего» подключения/отключения периферийных устройств и возможность питания от шины USB периферийных устройств. Эти особенности сыграли немалую роль в приобретении популярности интерфейсом USB. В настоящее время интерфейсом USB оснащено большинство средств вычислительной техники (СВТ). Для многих из этих СВТ интерфейс USB является единственным проводным коммуникационным интерфейсом.

Однако указанные особенности требуют от разработчиков USB-устройств приложения дополнительных усилий при тестировании этих функций [1]. Именно автоматизация тестирования USB-устройств была основной целью разработки в ОКБ САПР семейства изделий «Прерыватель», в которое входят два устройства: «Прерыватель 2.0»(Рис. 1) и «Прерыватель 3.0»(Рис. 2).

«Прерыватель 2.0» и «Прерыватель 3.0» представляют собой управляемые коммутаторы USB-канала, образованного устройством с ролью USB-Host с одной стороны и устройством с ролью USB-Device с другой стороны. Интерфейсом управления этих двух представителей семейства «Прерыватель» является USB2.0. При помощи этого интерфейса управляющий компьютер общается с управляющим блоком на микроконтроллере и с его помощью может подавать команды на подключение и отключение информационных цепей и цепей питания управляемого USB-канала. Коммутация этих цепей может осуществляться как синхронно, так и независимо.

Рисунок 1: Схема устройства «Прерыватель 2.0»

В коммутаторах питания (на Рис. 1 и Рис. 2 обозначены как SW2) управляемого USB-канала установлены датчики, которые следят за протекающим по ним токам и при превышении порога понижают напряжение и выдают сигнал в микроконтроллер, а он в свою очередь передаёт сообщение об этом событии в управляющий компьютер. Таким образом, источник питания защищается от токовой перегрузки (в том числе от короткого замыкания) в устройстве с ролью USB-Device.

«Прерыватель 2.0» коммутирует USB-канал стандарта USB2.0, а «Прерыватель 3.0» — USB3.0.

Увеличение скорости передачи данных для стандарта USB3.0 ужесточает требования к параметрам кабеля, влияющим на качество передачи информации, таким, как длина кабеля и качество его изготовления. Чтобы иметь возможность подстроиться под используемые кабели для получения максимальной производительности в «Прерывателе 3.0» применена микросхема эквалайзера-повторителя USB3.0. Для совместимости в стандарте USB3.0 оставлены цепи, удовлетворяющие стандарту USB2.0, поэтому в «Прерывателе 3.0», кроме элемента коммутации, информационных цепей USB3.0(на Рис. 2 обозначен как «Redriver USB3.0») присутствует элемент коммутации информационных цепей USB2.0(на Рис. 1 и Рис. 2 обозначены как SW1). Управление включением и отключением этих линий осуществляется независимо.

Рисунок 2: Схема устройства «Прерыватель 3.0»

«Прерыватель 3.0» можно использовать для канала USB2.0 вместо «Прерывателя 2.0», но следует помнить про порог ограничения тока в цепи питания, который для «Прерывателя 2.0» составляет 500 мА, а для «Прерывателя 3.0» — 900 мА.

Как указано в [1], управляемые подключение и отключение информационных цепей и цепи питания USB-канала являются важными функциями при автоматизированном тестировании USB-устройств и управляемой блокировке доступа к USB-каналу «мобильным» программно-аппаратным СЗИ. «Прерыватель» во втором случае можно рассматривать как исполнительный элемент СЗИ, которое разрешает или запрещает использование данного USB-канала. В качестве «управляющего компьютера» может быть любое СВТ, способное работать в роли USB-Host с соответствующим программным обеспечением. Функции «управляющего компьютера» может исполнять СВТ, которому принадлежит управляемый USB-канал.

Схема стенда для тестирования USB-устройств представлена на Рис. 3. Персональный компьютер ПК1 выполняет функции «управляющего компьютера». «Прерыватель» устанавливается «в разрыв» между персональным компьютером ПК2 и USB-устройством, и все вместе они образуют управляемый USB-канал. ПК1 даёт указания «Прерывателю» на подключение и отключение USB-устройства к ПК2 и отслеживает превышение тока в цепях питания управляемого USB-канала.

Рисунок 3: Схема стенда для тестирования USB-устройств с двумя персональными компьютерами

В схеме на Рис. 4 в качестве управляющего USB-Host и управляемого USB-Host использованы USB-порты одного и того же персонального компьютера.

Рисунок 4: Схема стенда для тестирования USB-устройств с одним персональным компьютером

В схеме на Рис. 5 «Прерыватель» помещён внутри персонального компьютера, в качестве управляющего USB-Host и управляемого USB-Host использованы внутренние USB-порты этого ПК, а на внешний разъём выведен USB-порт «Прерывателя» для подключения управляемого USB-устройства. Специальное ПО при необходимости может включать и выключать по заданному алгоритму присоединённые к данному разъёму USB-устройства и «мобильные» программно-аппаратные СЗИ (например, СН «Секрет» [2] и ПСКЗИ ШИПКА [3] производства ОКБ САПР).

Рисунок 5: Схема применения «Прерывателя» для коммутации USB-канала «мобильного» СЗИ

Способность восстанавливать амплитуду и форму сигналов информационных цепей USB3.0 позволяет использовать «Прерыватель 3.0» в качестве повторителя в канале USB3.0 для увеличения расстояния от источника до потребителя. При этом «Прерыватель 3.0» питается со стороны USB-Host управляемого USB-канала, а параметры подключенных кабелей берутся из энергонезависимой памяти микроконтроллера, куда они помещаются на этапе настройки канала через USB-интерфейс «управляющего компьютера». После настройки для исполнения роли повторителя «Прерыватель 3.0» работает автономно, без подключения к «управляющему компьютеру».

Развитием семейства изделий «Прерыватель» может стать дополнение его устройствами с интерфейсами с «управляющим компьютером», отличными от USB2.0, а также устройствами, у которых функции управляющего компьютера выполняет управляющий микроконтроллер, к которому подключены необходимые средства ввода и отображения информации.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Каннер Т. М. Коммутатор USB-канала как техническое средство для тестирования программно-аппаратных СЗИ
2. Специальный съёмный носитель информации. Патент на полезную модель № 94751. 05.2010, бюл. № 15.
3. Мобильное устройство защиты информации. Патент на полезную модель № 83862. 06.2009, бюл. № 17.

Автор: Тюнин В. А.

Дата публикации: 01.01.2016

Библиографическая ссылка: Тюнин В. А. Управляемые коммутаторы USB-канала семейства «Прерыватель» // Комплексная защита информации: материалы XXI научно-практической конференции, Смоленск, 17–19 мая 2016 г. М., 2016. С. 227–231.

---