32
Шина USB появилась в 1995 году и с того времени завоевала огромную
популярность и стала по настоящему универсальной. Появление шины USB
позволило заменить такие устаревшие интерфейсы как PS/2,
последовательный порт и параллельный порт. На данный момент, эти
интерфейсы используются очень редко.
Согласно [22], для подключения периферийных устройств к шине USB
используется четырёхпроводной кабель. При этом два провода (витая пара) в
дифференциальном включении используются для приёма и передачи данных,
а два провода — для питания периферийного устройства. Благодаря
встроенным линиям питания USB позволяет подключать периферийные
устройства без собственного источника питания (максимальная сила тока,
потребляемого устройством по линиям питания шины USB, не должна
превышать 500 мА, у USB 3.0 — 900 мА).
С 1995 года шина USB получила 3 крупных обновления. Версия USB
1.0 вышла в начале 1996 года и могла передавать данные со скоростью до 12
Мбит/с, а максимальная длина кабеля составила 5 м. Версия USB 2.0 вышла
весной 2000 года и получила максимальную скорость передачи данных в 480
Мбит/с. Именно данная версия шины USB сейчас используется повсеместно.
Последнее обновление шины USB под номером 3.0 вышло в 2008 году.
Скорость передачи данных в данной версии составила 5 Гбит/с. На данный
момент USB 3.0 активно внедряется производителями компьютеров и
набирает популярность.
Самая новая версия шины USB 3.0 получила много нововведений по
сравнению с USB 2.0. Для увеличения скорости передачи данных пришлось
добавить еще 4 проводника. Из-за этого кабель USB 3.0 стал значительно
толще. Контакты новых проводников расположены в разъеме в отдельном
контактном ряду. Также была увеличена сила тока с 500 мА до 900 мА. Это
позволяет снабжать питанием более производительные устройства.
33
Отличительной чертой USB 3.0 является разъемы синего цвета. Это
позволяет безошибочно отличать порты USB новой версии.
Разъемы USB v2.0 и USB v3.0 классифицируются также по типам (тип
A и тип B) и по размерам (MiniUSB и MicroUSB).
USB 2.0 тип A
Разъем USB типа A получил наибольшее распространение и является
самым узнаваемым среди существующих. Большинство устройств (мышки,
клавиатуры, флэшки, камеры и многие другие) оснащены USB типа A,
который был разработан еще в 90-х годах. Главным преимуществом данного
порта является надежность, позволяющая выдержать большое количество
подключений и не потерять при этом целостность. Хотя сечение разъема
прямоугольное, в нем предусмотрена защита от неправильного подключения,
поэтому его невозможно воткнуть обратной стороной. Однако он имеет
достаточно большие габариты, поэтому не подходит для портативных
устройств, что в результате привело к созданию модификаций меньших
размеров.
Рисунок 10 - USB 2.0 тип A
Разъем USB тип B пользуется меньшей популярностью. Все
модификации типа B, включая Mini и Micro, имеют квадратную или
трапециевидную форму. Традиционный полноразмерный тип B –
единственный тип, который имеет квадратное сечение. Из-за достаточно
34
больших размеров он применяется в различных периферийных и
крупногабаритных стационарных устройствах (сканерах, принтерах, иногда
ADSL-модемах). Обычно производители принтеров или
многофункциональных устройств редко комплектуют свои изделия таким
кабелем, поэтому покупателю приходится приобретать его отдельно.
Рисунок 11 - USB 2.0 тип B
Причиной появления крошечных разъемов Mini USB тип B стало
обилие на рынке миниатюрных устройств. А настоящую массовость им
обеспечило появление переносных винчестеров. В отличие от больших
разъемов с 4-я контактами, в Mini USB тип B имеется пять контактов,
впрочем, один из них не задействован. К сожалению, миниатюризация
негативно отобразилась на надежности. В процессе эксплуатации, спустя
некоторое время разъем Mini USB начинает расшатываться, хотя из порта не
выпадает. В данное время по-прежнему активно используется в портативных
винчестерах, плеерах, кардридерах и другой компактной технике. Вторая
модификация Mini USB типа A почти не применяется. На смену Mini USB
постепенно приходит более совершенная модификация Micro USB.
35
Рисунок 12 - Mini USB 2.0 тип B
Разъем Micro USB тип B является модифицированным вариантом
предыдущего вида Mini USB тип B и обладает совсем миниатюрными
размерами, что позволяет производителям применять его в современной
технике с небольшой толщиной. Благодаря улучшенному креплению штекер
очень плотно сидит в гнезде и не выпадает из него. В 2011 году данный вид
разъема был утвержден в качестве единого стандарта для зарядки для
смартфонов, телефонов, планшетов, плееров и прочей портативной техники.
Такое решение позволяет при помощи одного кабеля заряжать весь парк
электроники. Стандарт демонстрирует тенденции роста и можно
предположить, что через несколько лет им будут оснащаться практически все
новые устройства. Тип А применяется крайне редко.
Рисунок 13 - Micro USB 2.0 тип B
Представленный в 2009 году стандарт USB 3.0 (определяемый еще как
SuperSpeed USB) позволил 10-кратно увеличить скорость передачи данных в
36
сравнении с USB 2.0 (Hi-Speed USB) и достиг теоретической пропускной
способности на уровне 5 Гбит/с. На тот момент считалось, что такого
колоссального прироста скорости хватит надолго. Но рост объёма
передаваемых данных и не думал замедляться, поэтому развитие интерфейса
на этом не остановилось, и сегодня ему на смену выходит новая версия –
USB 3.1 (под названием SuperSpeed+ USB). Она поддерживает очередное, но
уже двукратное, расширение полосы пропускания – до 10 Гбит/с. С точки
зрения практического применения это означает, что на смену USB 3.0-
устройствам, скорость передачи данных которых равняется в лучшем случае
400-450 Мбайт/с, теперь приходят их последователи с портом USB 3.1,
способным принимать и отправлять данные минимум в два раза быстрее.
Таблица 1 - Сравнение стандартов USB
Стандарты
USB 1.x
USB 2.0
USB 3.0
USB 3.1
Теоретическая
пропускная
способность
12 Мбит/с
480 Мбит/с
5 Гбит/с
10 Гбит/с
Кодирование
8/10-бит
8/10-бит
8/10-бит
128/132-бит
Теоретическая
скорость
передачи
данных
1,2 Мбайт/с
48 Мбайт/с
625 Мбайт/с
1250 Мбайт/с
Расширение полосы пропускания не является единственным
преимуществом обновленного стандарта USB 3.1. Также USB 3.1
поддерживает и более эффективное кодирование данных, взятое из
протокола PCI Express 3.0. Если USB 3.0 включал кодирование по схеме 8/10-
бит (к каждым восьми битам полезных данных прибавлялось два бита
контрольной суммы), то USB 3.1 применяет обновленную систему
кодирования 128/132 бит с исправлением ошибок. Другими словами, тогда,
как предыдущая версия протокола тратила 20 % своей полосы пропускания
на отправку служебных данных, теперь накладные расходы
37
минимизировались до 4 %. При этом новый алгоритм расчёта контрольных
сумм помогает корректировать однобитовые искажения в 128-битном пакете
без его повторной передачи. В итоге интерфейс USB 3.1 на практике может
показывать полезную пропускную способность, повышающую скорость USB
3.0 даже более чем вдвое. Методом простого арифметического подсчёта
получаем, что скорость передачи нужных данных по USB 3.1 достигает
величин более 1,2 Гбайт/с. Но это лишь теория, и из этого числа нужно
вычитать издержки драйвера, данные, получаемые при формировании
пакетов, сложность микропрограммного обеспечения и прочее. Поэтому в
итоге мы можем ожидать практического максимума скорости примерно в
районе 1 Гбайт/с, что отразится на минимизации времени передачи огромных
объёмов данных по сравнению с USB 3.0 примерно в 2,4-2,5 раза.
В новый стандарт включены и другие модификации, не касающиеся
скорости. К примеру, электрическая реализация портов при в процессе
применения особых разъёмов и специальной схемы подключения
поддерживает их способность отдавать до 100 Вт мощности. Это говорит о
том, что порты USB 3.1 иногда можно будет применять не только для
питания переносных устройств хранения данных и для зарядки планшетов и
телефонов, но и даже для подключения полноценных ноутбуков. Также стоит
отметить выполненные в соответствии с новым стандартом USB-кабели,
получившие поддержку специального «альтернативного режима»,
позволяющего передавать аудио и видео по протоколу DisplayPort.
Преимуществом стандарта USB 3.1 является его обратная
совместимость. Это значит, что порты USB 3.1 могут работать в режимах
USB 1.x, 2.0 и 3.0. Поэтому старые устройства можно подключать к новым
портам, а новые устройства без проблем будут работать в старых системах.
Но всё-таки есть один нюанс, который несколько ограничивает
совместимость устройств и портов USB 3.1. Заключается все в том, что новая
38
версия стандарта ведет за собой ещё один тип разъёма –USB тип C. Это
значит, что появляется другой, независимый вариант портов, который не
поддерживает механической совместимости ни с какими другими разъёмами.
2.2 Разработка основных методов защиты USB носителей
В современных информационных системах особое внимание уделяется
конфиденциальности данных, т.е. противостоянию несанкционированному
доступу, искажению или разрушению конфиденциальной информации. С
этой целью широко применяются криптографические методы защиты
данных.
Существует три основных способа ограничения доступа к
содержимому диска USB-flash: с помощью механических средств,
аппаратный способ и программное шифрование.
Механические средства защиты представляют собой приспособления,
которые препятствуют подключению USB-носителя к USB-разъему
компьютера. Это может быть кодовый колпачок-замок или встроенный в
USB-носитель кодовый замок, блокирующий выдвижной разъем USB, либо
же сокрытие флеш-накопителя в криптексе – прочной трубке, оснащенной
кольцевым кодовым замком. Однако, данные средства не обладают высокой
эффективностью[14].
Если общепринятая криптография с давних пор использовала для
зашифровки методику подстановки (замены) или перестановки
символов/слов, то криптография нынешнего времени базируется на
применении техники сверточных алгоритмов для реализации
гарантированной безопасности. Применяемой методикой здесь становится
операция сочетания по модулю 2 (®) поточных бит/букв (для поточных
шифров) или блока бит/букв (для блочных шифров).
39
Передача шифрованных сообщений реализована зачастую между двумя
сторонами: передающей - А и принимающей - В. В технической литературе
по криптосистемам героев обычно называют Алисой (А) и Бобом (В). Можно
допустить, что сообщение, отсылаемое со стороны А к В, может
перехватываться оператором (eavesdropper), роль которой отдана Еве (Е).
Все криптографические системы можно классифицировать на:
симметричные и несимметричные.
Симметричные криптосистемы, по-другому, системы с секретным
ключом (private key), подразумевают такие системы, где один секретный
ключ используется как для шифрования, так и для обратного дешифрования
полученной информации. Тут Алиса и Боб имеют некую секретную
информацию - ключ, который не ни при каком условии не должен быть
известен Еве.
Полная защищенность симметричной системы может иметь место в
трех случаях[18]:
• Ключ случайный;
• Длина ключа соответствует длине сообщения (что
предопределяет применение потоковой техники определения ключа);
• Ключ, выдается единожды, т.е. может быть использован только
один раз для передачи одного сообщения или за один сеанс связи.
Главной проблемой симметричных криптосистем будет отправка или
распределение секретного ключа в пользовательской среде. Вариант
использования одного и того же ключа много раз (хотя и возможные) ведут к
возникновению некоторой структуры в шифрованном тексте, и Ева сможет
получить возможность расшифровать сообщение. Минусом такой системы
будет потребность Алисе и Бобу иметь большой набор случайных двоичных
последовательностей для применения их в качестве ключей. При частой
передачи сообщений такие наборы быстро исчерпаются, и опять станет
40
проблема передачи ключа. Наиболее надёжный способ - непосредственная
встреча Алисы с Бобом, но зачастую в силу разных причин такая встреча
становится невозможной.
Считается, что вычисления, состоящие из 280 шагов, сложно
реализуемы, поэтому предполагается, что секретный ключ имеет длину, по
крайней мере, 80 бит. Сейчас секретные ключи размерностью 128/192/256
бит, т.е. требуют анализа 2128/192/256 вариантов перебора, что представляет
саму разгадку очень трудоемкой задачей. Но повышение производительности
процессоров заставляет все наращивать длину ключа. Не имея этого ключа,
оператор перехвата сообщений видит перед собой только череду
повторяющихся бит.
После проблем с пересылкой в симметричных криптографических
системах были реализованы попытки применения систем, не нуждающихся в
доставке секретного ключа. В итоге получились несимметричные
криптографические системы.
Несимметричные криптосистемы, (public key) - с открытым ключом
являются системами, в которых имеется пара ключей. Открытый ключ
применяется для шифрования, а секретный ключ для дешифрования
сообщений. Если некто присылает вам сообщение, то он кодирует его,
применяя ваш открытый ключ, а открываете его вы при помощи вашего
секретного ключа. Суть в том, как хорошо работает функция
шифрования/дешифрования и как соотносятся между собой закрытые и
открытые ключи.
Эти два ключа обязаны быть связаны между друг другом
"односторонней" функцией, которая помогала бы найти открытый ключ,
применяя закрытый, но не давала бы возможности реализовать обратную
процедуру. Подобный метод был предложен в 1976 году, но только в 1978
году Р.Райвесту, А.Шамиру и Л.Эдльману получилось определить такую
41
функцию, которая использовалась в алгоритме, известном как RSA (Rivest,
Shamir, Adleman). Алгоритм RSA можно назвать достаточно защищенным
для большинства сфер применения современной криптографии. Сегодня
почти все банковские транзакции, электронные системы покупок,
некоммерческие и коммерческие СКЗ применяют RSA[16].
Криптосистемы с открытым ключом, можно сказать, смогли
преодолеть главный недостаток симметричных криптосистем - обмен
секретными ключами. Но еще никто не доказал полную безопасность
алгоритма RSA. В 1985 году Дэвид Дойч вывел специфику работы
квантового компьютера, который имеет вычислительную мощность выше
нынешних и будущих компьютерных систем. В 1994 году Питер Шор вывел
алгоритм, благодаря которому этот компьютер может разгадать шифр RSA,
хотя демонстрации примера работы так и не последовало, поскольку тогда
квантовых компьютеров не еще не было.
Но даже если сегодня никто вроде не знает, как создать квантовый
компьютер, однако никто не может доказать, что его создание невозможно
или что он уже может существовать в какой-то секретной лаборатории. Это
говорит о том, что нет абсолютной уверенности в достаточной безопасности
систем с открытым ключом.
Есть два типа секретных ключей для симметричных систем:
кратковременные (сеансовые), которые используются на один сеанс или в
рамках одного дня, и долговременные, применяемые многократно и
длительное время. Для распределения и раздачи таких ключей между
пользователями есть несколько решений:
• Распределение на физическом уровне – отправка
долговременного ключа с помощью курьера;