Протоколирование обмена информацией между компьютером и внешним запоминающим USB-устройством (стр. 1 из 7)

При решении широкого круга задач возникает необходимость в получении информации о функционировании какого-либо внешнего устройства компьютера. К категории этих задач можно отнести разработку систем информационной безопасности, что очень актуально в современном мире, где информация является одним из важнейших ресурсов.

Одним из компонентов системы информационной безопасности может быть модуль, выполняющий протоколирование обмена информацией между компьютером и некоторым внешним запоминающим устройством, например USB‑накопителем.

1. Аналитический раздел

1.1 Постановка задачи

В соответствии с заданием на курсовую работу необходимо разработать программный комплекс, обеспечивающий слежение за обменом информацией между компьютером и внешним запоминающим USB‑устройством.

Перечислим требования, предъявляемые к программному комплексу:

· Разрабатываемый комплекс должен отслеживать запросы на чтение и запись, приходящие к устройству;

· От программы не требуется определять, к каким файлам производилось обращение, а лишь то, какие данные считывались и записывались;

· Сохраняемая информация должна обладать структурированностью, таким образом, что при анализе лог-файла можно было определить, передавалась или принималась информация и в каком количестве;

· Программный комплекс не должен приводить к сбоям в работе операционной системы;

· Программа установки должна корректно обрабатывать попытку установки на одно устройство в двух экземплярах.

1.2 Архитектура WindowsNT 5

Архитектура WindowsNT 5 соответствует классическим представлениям о проектировании операционных систем. Наиболее распространены реализации данной ОС для платформы Intelx86 в одно- или многопроцессорных конфигурациях, однако существуют также версии для DECAlpha и MIPS. Данная операционная система использует защищённый режим центрального процессора, реализует механизмы виртуальной памяти и многозадачности.

Исполняемый код в WindowsNT 5 имеет два уровня привилегий: код пользовательского режима и код режима ядра. Уровень привилегий накладывает определённые ограничения: в пользовательском режиме не могут выполняться привилегированные инструкции процессора, не разрешено обращение к защищённым страницам памяти. Эти ограничения накладываются для обеспечения безопасности работы системы. Пользовательское приложение не должно иметь возможность в результате ошибки или преднамеренно вносить изменения в критические таблицы операционной системы или в память других приложений. В частности, такие ограничения запрещают пользовательскому приложению напрямую управлять внешними устройствами, потому что каждое из них является разделяемым ресурсом.

В WindowsNT 5 обеспечение обмена данными и управление доступом к внешнему устройству как к разделяемому ресурсу возлагается на его драйвер. Ввод и вывод в драйверах осуществляется посредством IRP‑пакетов (Input/OutputRequestPacket). Запросы на ввод / вывод, посылаемые приложениями или другими драйверами, обрабатываются драйвером, после чего запрашивающей программе в том же пакете посылается статус завершения операции. Подробнее о пакетах ввода / вывода будет сказано далее, общий же принцип взаимодействия проиллюстрирован на Рис. 1.2.1.

Рис. 1.2.1 Архитектура ввода / вывода WindowsNT 5

Применительно к поставленной задаче, из вышеизложенного следует, что полное протоколирования обмена данными с внешним устройством может быть осуществлено только на уровне драйвера.

Управление внешним устройством в общем случае сводится к заполнению его регистров необходимыми данными. Монопольный доступ драйвера к этим регистрам гарантируется операционной системой. Очевидно, что при данных обстоятельствах требуется, чтобы драйвер устройства выполнялся в режиме ядра.

Обобщённая классификация драйверов WindowsNT 5 может быть представлена следующим образом:

· Драйверы режима ядра:

o Унаследованные драйверы;

o Драйверы файловой системы;

o Видеодрайверы;

o Драйверы PnP (Plug And Play):

- Драйверы WDM.

· Драйверы пользовательского режима.

1.3 Шина USB

Спецификация USB была разработана консорциумом компаний, включая Intel и Microsoft. Целью нового стандарта было обеспечение организации недорогой среднескоростной шины в таких областях применения, как передача цифровых изображений, компьютерная телефония и мультимедийные игры. Текущими версиями спецификации USB является версии 1.1 и 2.0 (во вторую заложены более высокие скоростные характеристики).

Предельная скорость передачи данных по шине USB спецификации 1.1 составляет 12 Мбит/с (FullSpeed). Медленные устройства используют низкую скорость передачи – 1,5 Мбит/с (LowSpeed). Стандарт USB версии 2.0 поддерживает физическую скорость передачи до 480 Мбит/с (HighSpeed). Данные передаются последовательно по паре проводников. Питание для некоторых устройств доступно по отдельным проводникам питания и заземления (для устройств с небольшим энергопотреблением).

Устройства USB могут быть подключены 5-метровым кабелем (а практически – и более длинным). Использование USB‑хаба (hub– концентратор) позволяет увеличить дальность размещения устройств от хост-контроллера, а так же количество устройств, подключаемых к одной шине USB. Последовательно можно подключить до пяти хабов, обеспечив длину соединения 30 метров. К хост-контроллеру можно подключить до 127 устройств, шинный адрес которых устанавливается динамически при подключении устройств.

На рисунке 1.3.1 приведен пример конфигурации сети USB‑устройств:

Рис. 1.3.1 Сеть USB‑устройств

Работа программиста, создающего драйвер внешнего (не находящегося на материнской плате) USB устройства сводится к тому, чтобы воспользоваться программным интерфейсом системных драйверов шины USB, общение с которым происходит при помощи пакетов, называемых URB (USBRequestBlock) пакетами. Работа с регистрами USB контроллеров на материнской плате теперь стала уделом узкого круга специалистов – разработчиков материнских плат и операционных систем. Всем остальным разработчикам USB‑устройств в операционной системе Windows предлагается достаточно развитый программный интерфейс WDM‑драйверов, которые берут на себя все аппаратно-ориентированные операции.

1.3.1 Внутренняя организация шины USB

Все операции по передаче данных по шине USB инициируются хостом. Периферийные устройства не могут сами начать обмен данными, они могут только реагировать на команды хоста. Рассмотрим общую схему обмена данными по шине USB.

Система USB разделяется на три логических уровня с определенными правилами взаимодействия. Устройство USB содержит интерфейсную, логическую и функциональную части. Хост тоже делится на три части: интерфейсную, системную и программное обеспечение. Каждая часть отвечает только за определенный круг задач. Логическое и реальное взаимодействие между ними показано на рисунке 1.3.1.1.

Рис. 1.3.1.1 Взаимодействие компонентов USB

Таким образом, операция обмена данными между прикладной программой и шиной USB выполняется путем передачи буферов памяти через следующие уровни:

· уровень клиентского программного обеспечения в хосте – обычно представляется драйвером устройства USB, обеспечивает взаимодействие пользователя с операционной системой с одной стороны и системным драйвером с другой;