Исходя из анализа документации на чип трансивер nRF24L01+, лежащего в основе тестирующего модуля, для установления возможности информационного обмена с беспроводной клавиатурой или мышью, использующих радиоинтерфейс 2.4 ГГц необходимо определить два параметра:

1. «MAC»- адрес узла назначения, используемого клавиатурой (мышью) для определения приемника и хранящегося в поле адреса передаваемого пакета данных.

2. Рабочую частоту обмена данными между клавиатурой (мышью) и приемником в текущий момент времени.

Для получения этих параметров в основу принципов функционирования тестирующего модуля заложены методы, как уже было упомянуто выше, описанные в параграфе 1.3 исследовательской части данного дипломного проекта.

Проблема получения адреса решается возможностью установки нелегитимных настроек регистра, отвечающего за ширину поля адреса (регистр AW) при конфигурировании тестирующего модуля, приводящих к уменьшению ширины поля адреса до двух байт. В таком случае становится возможным и является допустимым перебор всех возможных значений первых двух пришедших байт поля адреса в каждом переданном клавиатурой (мышью) пакете данных (2552 значений). Кроме того, возможен более эффективный метод получения адреса, основывающийся на установке в двухбайтовое поле адреса тестирующего модуля значения преамбулы, предшествующей полю адреса очередного приходящего пакета данных. Таким образом, тестирующий модуль при приеме очередного пакета принимает значение преамбулы (последовательность 01010101 или 10101010) за легальный адрес узла получателя, которому передается текущий пакет. В следствии чего все последующие за преамбулой данные помещаются в очередь FIFO приёмника, следовательно, искомый адрес будет лежать в начале поля данных (поле payload).

Проблема определения частоты решается в тестирующем модуле последовательным прослушиванием каждого частотного канала в течении некоторого таймаута с ожиданием приема данных. При возможности определения рабочего частотного диапазона конкретной модели клавиатуры время, затрачиваемое на определение номера частотного канала передачи данных, снижается.

Ниже приведено обоснование выбранных методов решения поставленной задачи.

Необходимость использования описанных выше методов, заложенных в функциональные особенности работы тестирующего модуля, объясняется оптимизацией временных затрат на установление связи между тестирующим модулем и беспроводным устройством ввода информации. Проведя некоторые подсчеты, представленные ниже, можно убедиться в этом утверждении.

Любую задачу поиска, если она вообще имеет решение, можно решить полным перебором. Задача, поставленная в данном дипломном проекте, не является исключением, тогда максимальное затраченное время необходимое для корректного приема и обработки тестирующим модулем пакта данных клавиатуры (мыши) будет определяться произведением всех возможных значений поля адреса с шириной в пять байт на максимальное количество частотных каналов, каждый из которых прослушивается в течении некоторого времени.

Рассмотрим самый затратный вариант.

Пусть А - количество значений поля адреса с максимальной шириной в пять байт равное 2555 (1078203909375). За вычетом таких неиспользуемых значений как повторяющиеся байты 0хАА, 0х55, 0х11, 0х00, 0хFF считаем А = 1078203909370.

N - максимальное возможное количество частот (с шагом 1 МГц), на которых возможен информационный обмен. N = 126

t - время, в течении которого прослушивается каждый канал до переключения на следующий. t = 10 мкс.

Тогда Tперебора - максимальное время перебора, затраченное на реализацию приема пакета данных клавиатуры тестирующим модулем, вычисляется следующим образом.

Tперебора = А * N * t = 1078203909370 * 126 * 10 = 1358536925806200 (мкс) = 436,7 лет

Полученное значение говорит о практической неприменимости подхода полного перебора всех возможных значений адресов и частот в самом затратном варианте.

В случае, если используются описанные выше подходы, приводящие к уменьшению ширины поля адреса и сужению рабочего диапазона частот, то время перебора значительно снижается.

В таком случае А - количество значений поля адреса с максимальной шириной в два байта равное 2552 (65025). За вычетом таких неиспользуемых значений как повторяющиеся байты 0хАА, 0х55, 0х11, 0х00, 0хFF считаем А = 65020.

N - количество рабочих частот конкретной модели клавиатуры/мыши (с шагом 1 МГц), на которых возможен информационный обмен. Пусть N = 70 каналов (рабочий диапазон частот моделей клавиатур и мышей производства Logitech)

t - время, в течении которого прослушивается каждый канал до переключения на следующий. t = 10 мкс.

Tперебора = А * N * t = 65020 * 70 * 10 = 45514000 (мкс) = 7,5 (мин)

Данное значение является приемлемым для практической реализации и говорит об обоснованности применения выбранных методов решения поставленной задачи.

Кроме того, используя подход установки в тестирующем модуле значения преамбулы каждого приходящего пакета данных вместо реального ожидаемого адреса, время, затраченное на реализацию приема пакета данных от клавиатуры (мыши) ограничивается лишь несколькими циклами перебора частотных каналов, что соответствует 0,7 секунды. Однако данный метод эффективен и применим, если заведомо известно, что частотный диапазон, в котором осуществляется информационный обмен является «свободным» от посторонних несущих частот.

Следует отметить, что поставленная задача решается с учетом наложения некоторых ограничений, а именно:

Разработанный макет устройства тестирования базируется на чипе nRF24L01+.

Разработанный макет устройства тестирования предназначен для установления соединения с беспроводными клавиатурами и мышами, аппаратная база, которых построена на использовании чипов семейства nRF24L.

2.2.2 Общее описание структуры и принципов функционирования тестирующего модуля

Макет тестирующего устройства структурно состоит из двух модулей - отладочной платы Arduino nano v 3.0 и радиомодуля nRF24L01+, взаимодействие между которыми осуществляется посредством SPI интерфейса. Специально разработанное для тестирующего устройства микропрограммное обеспечение управляет конфигурацией чипа трансивера nRF24L01+, составляющего основу радиомодуля. В основу функционирования микропрограммного обеспечения макета тестирующего устройства заложены методы, описанные в п. 1.3 исследовательской части дипломного проекта, обеспечивающие реализацию перехвата пакетов данных, передаваемых беспроводной клавиатурой приемнику.

Для установления связи с радиочипом nRF24L01+ и осуществления доступа к его аппаратным ресурсам используется функционал специально спроектированной для этих целей библиотеки «RF24». Ниже представлены основные положения, описывающие структуру алгоритма микропрограммного обеспечения.

Используя функции библиотеки «RF24», формируется конфигурация радиомодуля nRF24L01+. Задаются размер буфера для приема данных, ширина поля адреса, количество перебираемых частотных каналов и другие параметры;

Выводится информация о конфигурационных настройках радиомодуля для проверки корректности введенных данных;

Организуется цикл последовательного прослушивания всех заданных номеров частотных каналов в течении определенного таймаута с ожиданием приема пакета данных;

Внутри цикла реализуются две проверки:

1. При помощи функции radio.available(&pipeNum) осуществляется проверка приема пакета данных. Если данные приняты, то они выводятся на экран, а затем осуществляется выход из цикла. В противном случае процедура прослушивания текущего канала приостанавливается, а его индекс увеличивается на единицу.

2. Вторая проверка необходима для определения последнего номера прослушиваемого канала.

Полный код микропрограммного обеспечения с комментариями содержится в приложении к дипломному проекту.

На рисунке 10 представлена блок- схема описанного выше алгоритма программной прошивки тестирующего модуля.



2.2.3 Блок-схема алгоритма программной прошивки тестирующего модуля

Рисунок 10 - Блок-схема алгоритма программной прошивки тестирующего модуля

2.3 Методика оценки защищенности беспроводных устройств ввода информации

Данная методика разрабатывалась на основании анализа механизмов информационного обмена беспроводных радио клавиатур и мышей, аппаратная база которых построена на использовании чипа nRF24L01, а также с учетом результатов испытаний специально разработанного тестирующего модуля и представляет из себя пошаговое руководство для проведения качественной оценки защищенности беспроводных устройств ввода информации, использующих радиочастоту 2.4 ГГц.

Пошаговая методика оценки защищенности беспроводных устройств ввода информации:

1. Определяется рабочий частотный диапазон объекта оценки. Для этого можно воспользоваться уникальным идентификатором, определяющим тип и модель устройства. Например, FCC ID- специальный код, устанавливающийся как правило на всех устройствах, выпущенных в США или которые должны были там продаваться. Первые 3 символа в этом коде определяют производителя, остальные - устройство. По данному идентификатору можно узнать информацию о технических характеристиках устройства. Данная информация необходима для сужения поиска частоты обмена пакетами данных объекта оценки и приемника в текущей сессии.

В случае если определение рабочего частотного диапазона объекта оценки не представляется возможным, диапазон устанавливается максимальным - в пределах (2400 - 2525) МГц в соответствии с документацией на чип трансивер nRF24L01.

2. Используя специально разработанный в ходе выполнения данного дипломного проекта тестирующий модуль, определяется рабочая частота текущей сессии. Для выполнения этого пункта можно воспользоваться двумя способами:

1) В случае если заведомо известно, что частотный диапазон в котором осуществляется информационный обмен является «свободным» и не содержит посторонних несущих частот, можно точно определить частоту обмена данными, используя функцию библиотеки RF24 «testCarrier()», которая позволяет определить наличие несущей частоты в прослушиваемом диапазоне.

2) Если же прослушиваемая среда содержит множество посторонних несущих частот, тогда рабочая частота текущего сеанса объекта оценки определяется по всему частотному диапазону посредством последовательного перебора с ожиданием приема пакета данных на каждой итерации цикла.

3. Формируется поле адреса тестирующего модуля. Формирование поля адреса тестирующего модуля осуществляется таким образом, чтобы его значение совпадало с частью или со всем значением поля адреса пакета, передаваемым объектом оценки или со значением преамбулы.

4. Реализуется прослушивание тестирующим модулем объекта оценки, находящегося в режиме активной передачи данных и ожидается прием пакета данных.

5. Реализуется попытка установления соединения между тестирующим модулем и приемником объекта оценки путем корректного формирования пакета данных с последующей его отправкой приемнику объекта оценки.

Следует отметить, что концепция методики ориентирована строго на определенный, но весьма распространенный класс устройств, а именно на беспроводные клавиатуры и мыши, в которых используется радиоинтерфейс 2.4 ГГц, а механизм отвечающий за приемо-передачу данных реализуется посредством использования чипов семейства Nrf24L.

Выводы

В результате выполнения конструкторской части дипломного проекта была предложена математическая постановка задачи, формулировка которой коррелируется с целью дипломного проекта, а также рассмотрены основные подходы и методы, руководствуясь которыми, решалась поставленная задача. Приведено обоснование выбранных методов решения поставленной задачи, основывающееся на показателях затрат временных ресурсов, необходимых для решения поставленной задачи.

Представлена общая информация о структуре, конструкции и принципах функционирования специально разработанного тестирующего модуля анализа защищенности беспроводных устройств ввода информации, использующих радиоинтерфейс 2,4 ГГц. В конце раздела приводится методика, представляющая из себя пошаговое руководство для проведения качественной оценки защищенности этих устройств.



3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Технологический раздел посвящен вопросам технологического обеспечения сборки макета тестирующего устройства, с учетом особенностей его функционирования. В конце раздела описаны результаты испытаний макета тестирующего устройства.

3.1 Выбор аппаратной платформы для разработки тестирующего устройства анализа защищенности

Для разработки тестирующего модуля необходимо выбрать дешевую и отвечающую всем необходимым требованиям аппаратную платформу. Исходя из проведенного выше анализа аппаратной составляющей беспроводных клавиатур и мышей выбор падает на следующие устройства:

3.1.1 Arduino Nano v. 3.0

Основными критериями при выборе данной отладочной платы являлись богатый набор инструментов для взаимодействия с радиомодулем nRF24L01+ и предельно низкая стоимость, не сокращающая функциональности модели.

3.1.1.1 Технические характеристики

Таблица 1. Краткие характеристики платформы Arduino Nano v. 3.0

Микроконтроллер	Atmel ATmega328
Рабочее напряжение (логическая уровень)	5 В
Входное напряжение (рекомендуемое)	7-12 В
Входное напряжение (предельное)	6-20 В
Цифровые Входы/Выходы	14 (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ)
Аналоговые входы	8
Постоянный ток через вход/выход	40 мА
Флеш-память	32 Кб (ATmega328) при этом 2 Кб используются для загрузчика
ОЗУ	2 Кб (ATmega328)
EEPROM	1 Кб (ATmega328)
Тактовая частота	16 МГц
Размеры	1.85 см x 4.2 см

3.1.1.2 Общие сведения

Платформа Nano, построенная на микроконтроллере ATmega328 (Arduino Nano 3.0), имеет небольшие размеры и может использоваться в лабораторных работах. Она имеет схожую с Arduino Duemilanove функциональность, однако отличается сборкой. Отличие заключается в отсутствии силового разъема постоянного тока и работе через кабель Mini-B USB. Nano разработана и продается компанией Gravitech.

3.1.1.3 Связь и программирование

На платформе Arduino Nano установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами Arduino или микроконтроллерами. ATmega328 поддерживает последовательный интерфейс UART TTL (5 В), осуществляемый выводами 0 (RX) и 1 (TX). Установленная на плате микросхема FTDI FT232RL направляет данный интерфейс через USB, а драйверы FTDI (включены в программу Arduino) предоставляют виртуальный COM порт программе на компьютере. Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor) программы Arduino позволяет посылать и получать текстовые данные при подключении к платформе. Светодиоды RX и TX на платформе будут мигать при передаче данных через микросхему FTDI или USB подключение (но не при использовании последовательной передачи через выводы 0 и 1).

Библиотекой Software Serial возможно создать последовательную передачу данных через любой из цифровых выводов Nano.

ATmega328 поддерживает интерфейсы I2C (TWI) и SPI. В Arduino включена библиотека «Wire» для удобства использования шины I2C.

Программируется платформа посредством ПО Arduino. Из меню Tools > Board выбирается «Arduino Duemilanove или Nano ATmega328» (согласно установленному микроконтроллеру).

Микроконтроллер ATmega328 поставляется с записанным загрузчиком, облегчающим запись новых программ без использования внешних программаторов. Связь осуществляется оригинальным протоколом STK500.

Имеется возможность не использовать загрузчик и запрограммировать микроконтроллер через выводы блока ICSP (внутрисхемное программирование).

3.1.2 Радиомодуль nRF24L01+

Краткие технические характеристики

Недорогие радиомодули nRF24L01+ работают на частоте 2.4ГГц и поддерживают скорость передачи до 2Mb в секунду. Радиоканал в данных радиомодулях может осуществлять обмен информацией в обоих направлениях. Выводы микроконтроллера толерантны к 5 вольтам, то есть при попытке подключения 5 В вывод из строя маловероятен, но при этом устройство неработоспособно. Нулевой канал начинается с 2400 МГц и далее с шагом 1 МГц. При установке скорости 2 МГц занимается ширина двух каналов.

Таблица 2. Технические характеристики радиомодуля

Частота передачи/приема	2.4 ГГц
Дальность на открытой местности / в помещении	до 100 м/ до 30 м
Поддерживаемая скорость передачи	250kbps, 1Mbps и 2Mbps.
Интерфейс взаимодействия с микроконтроллером	SPI
Напряжение питания:	3-3.6 В (рекомендуется 3,3 В)
Максимальная выходная мощность	0 dBm
Коэффициент усиления антенны (пиковый)	2dBm
Количество каналов:	126



3.1.2.1 Выводы радиомодуля nRF24L01+

На рисунке 11 представлена распиновка, внешний вид и габариты платы беспроводного трансивера nRF24L01+

Рисунок 11 - Распиновка трансивера nRF24L01+

Выводы радиомодуля имеют следующие назначения:

1-2. Земля и питание соответственно. Напряжение питания модуля лежит в пределах от 1.9 до 3.6В (рекомендуется 3,3В), однако на другие пины можно подавать до 5.25В.

3. CE: Chip Enable. Зависит от режима работы. Если чип сконфигурирован как приемник, то выводе CE выставлен высокий (HIGH) уровень. Режим приемника позволяет чипу прослушивать среду и получать пакеты. Низкий (LOW) уровень переводит чип в Standby-I и режим приемника становится недоступным. Если чип настроен на передачу, CE всегда выставлен в низкий уровень. В этом случае для передачи данных нужно положить их в очередь FIFO и переключить CE минимум на 10мкс (LOW->HIGH, 10мкс, HIGH->LOW).

4. CSN. Chip Select Not. Not означает, что активный уровень - низкий. Вывод всегда держится на высоком уровне, для начала информационного обмена меду чипом и МК, используя SPI интерфейс, необходимо установить на выводе низкий уровень. После окончания информационного обмена необходим возврат к высокому уровню.

5. SCK. Стробирующий сигнал SPI. Дежурный уровень - LOW. Переход LOW->HIGH говорит чипу что можно читать бит с MOSI и писать на MISO. nRF24 - ведомое (SLAVE) устройство. Оно никогда не инициирует связь с МК само, стробирующий сигнал SCK генерирует именно МК.

6-7. MOSI/MISO - линии дуплексной передачи данных от чипа к МК и обратно. Когда МК вывел новый бит на линию MOSI и/или считал бит с MISO, он может переключить SCK, чтобы дать понять чипу, что он может читать/писать следующий бит.

8. IRQ. Interrupt Pin. Дежурный уровень - высокий. Пин необходимо мониторить со стороны МК с целью отслеживания появления некоторых событий, например приход нового пакета (прерывания настраиваются в чипе по SPI). Активный уровень - низкий. Когда генерируется прерывание необходимо считать статусный регистр и посмотреть какое произошло событие. Всего реализуется три типа прерываний.

3.2 Программная среда разработки - Arduino IDE

Для разработки программной прошивки устройства тестирования используется среда Arduino IDE. Выбор данной программной среды в первую очередь обусловлен использованием платформы Arduino (версия Nano 3.0), для которой и разрабатывалась данная среда. Arduino IDE является свободно распространяемым ресурсом и имеет понятный и простой интерфейс.

Рисунок 12 - Интерфейс среды разработки Arduino IDE

Среда разработки Arduino состоит из встроенного текстового редактора программного кода, области сообщений, окна вывода текста (консоли), панели инструментов с кнопками часто используемых команд и нескольких меню. Для загрузки программ и связи среда разработки подключается к аппаратной части Arduino.

Язык программирования устройств Arduino основан на C/C++. Программа, написанная в среде Arduino, называется скетч. Скетч пишется в текстовом редакторе, имеющем инструменты вырезки/вставки, поиска/замены текста. Во время сохранения и экспорта проекта в области сообщений появляются пояснения, также могут отображаться возникшие ошибки. Окно вывода текста (консоль) показывает сообщения Arduino, включающие полные отчеты об ошибках и другую информацию. Кнопки панели инструментов позволяют проверить и записать программу, создать, открыть и сохранить скетч, открыть мониторинг последовательной шины.

3.2.1 Функциональные возможности и инструменты среды разработки Arduino IDE

Verify/Compile - проверка программного кода на ошибки, компиляция.

Stop - остановка мониторинга последовательной шины (Serial monitor).

New - создание нового скетча.

Open - открытие меню доступа ко всем скетчам в блокноте. Открывается нажатием в текущем окне.

Save - сохранение скетча.

Upload to I/O Board - компилирует программный код и загружает его в конкретную модель отладочной платы Arduino. Модель платы выбирается предварительно в соответствующих настройках.

Serial Monitor - открытие мониторинга последовательной шины (Serial monitor).

Дополнительные команды сгруппированы в пяти различных меню: File, Edit, Sketch, Tools, Help. Доступность меню определяется работой, выполняемой в конкретный момент.



3.2.2 Предоставляемые меню и их команды

Edit

Copy for Discourse - копирует в буфер обмена подходящий для размещения на форуме код скетча с выделением синтаксиса.

Copy as HTML - копирует код скетча в буфер обмена как HTML код, для размещения на веб-страницах.

Sketch

Verify/Compile - проверка скетча на ошибки.

Import Library - добавляет библиотеку в текущий скетч, вставляя директиву #include в код скетча.

Show Sketch Folder - открывает папку, содержащую файл скетча, на рабочем столе.

Add File - добавляет файл в скетч (файл будет скопирован из текущего места расположения). Новый файл появляется в новой закладке в окне скетча. Файл может быть удален из скетча при помощи меню закладок.

Tools

Auto Format - данная опция оптимизирует код, например, выстраивает в одну линию по вертикали открывающую и закрывающую скобки и помещает между ними утверждение.

Board - выбор используемой платформы. Список с описанием платформ приводится ниже.

Serial Port - меню содержит список последовательных устройств передачи данных (реальных и виртуальных) на компьютере. Список обновляется автоматически каждый раз при открытии меню Tools.

Burn Bootloader - пункты данного меню позволяют записать Загрузчик (Bootloader) в микроконтроллер на платформе Arduino.

Данное действие не требуется в текущей работе с Arduino, но пригодится, если имеется новый ATmega (без загрузчика). Перед записью рекомендуется проверить правильность выбора платформы из меню. При использовании AVR ISP необходимо выбрать соответствующий программатору порт из меню Serial Port.

3.2.3 Блокнот (Sketchbook)

Средой Arduino используется принцип блокнота: стандартное место для хранения программ (скетчей). Скетчи из блокнота открываются через меню File > Sketchbook или кнопкой Open на панели инструментов. При первом запуске программы Arduino автоматически создается директория для блокнота. Расположение блокнота меняется через диалоговое окно Preferences.

3.2.4 Закладки, Файлы и Компиляция

Описываемая среда позволяет работать с несколькими файлами скетчей (каждый открывается в отдельной закладке). Файлы кода могут быть стандартными Arduino (без расширения), файлами С (расширение *.с), файлами С++ (*.срр) или заголовочными файлами (.h).

3.2.5 Загрузка скетча в Arduino

Перед загрузкой скетча требуется задать необходимые параметры в меню Tools > Board и Tools > Serial Port. После выбора порта и платформы необходимо нажать кнопку загрузки на панели инструментов или выбрать пункт меню File > Upload to I/O Board. Современные платформы Arduino перезагружаются автоматически перед их прошивкой. На большинстве плат во время процесса будут мигать светодиоды RX и TX. Среда разработки Arduino выведет сообщение об окончании загрузки или об ошибках. При загрузке скетча используется Загрузчик (Bootloader) Arduino, небольшая программа, загружаемая в микроконтроллер на плате. Она позволяет загружать программный код без использования дополнительных аппаратных средств. Загрузчик (Bootloader) активен в течении нескольких секунд при перезагрузке платформы и при загрузке любого из скетчей в микроконтроллер.

3.2.6 Библиотеки

Библиотеки добавляют дополнительную функциональность скетчам, например, при работе с аппаратной частью или при обработке данных. Для использования библиотеки необходимо выбрать меню Sketch > Import Library. Одна или несколько директив #include будут размещены в начале кода скетча с последующей компиляцией библиотек и вместе со скетчем. Загрузка библиотек требует дополнительного места в памяти Arduino. Неиспользуемые библиотеки можно удалить из скетча убрав директиву #include.

3.2.7 Мониторинг последовательной шины (Serial Monitor)

Отображает данные посылаемые в платформу Arduino (плата USB или плата последовательной шины). Для отправки данных необходимо ввести текст и нажать кнопку Send или Enter. Затем выбирается скорость передачи из выпадающего списка, соответствующая значению Serial.begin в скетче.

3.3 Реализация программно-аппаратных средств анализа защищенности

В данном разделе излагаются основные концепции построения архитектуры тестирующего модуля, описываются составные элементы и особенности их взаимодействия на программном и аппаратном уровне.

3.3.1 Выбор и описание библиотек, составляющих структуру кода прошивки устройства тестирования

Программный код прошивки тестирующего модуля разрабатывался на базе двух основных компонентов, а именно библиотеки SPI и подмножества библиотек, составляющих набор классов и функций, необходимых для взаимодействия с радиомодулем nRF24L01+.

3.3.1.1 Библиотека SPI

Библиотека SPI позволяет контроллеру Arduino взаимодействовать с устройствами поддерживающими SPI протокол. Arduino в данном случае выступает в качестве ведущего устройства. Необходимость использования данной библиотеки вытекает из того, что у радиомодуля nRF24L01+ для подключения к нему предусмотрен лишь SPI интерфейс.

Краткие сведения об интерфейсе SPI (Serial Peripheral Interface).

Последовательный периферийный интерфейс (SPI) -- это последовательный синхронный протокол передачи данных используемый микроконтроллерами для обмена данными с одним или несколькими периферийными устройствами на небольших расстояниях.

Для организации SPI соединения необходимо одно ведущее устройство, обычно это микроконтроллер, который управляет соединением с ведомыми устройствами. Обычно подключение осуществляется тремя общими линиями и линией выбора периферийного (ведомого) устройства:

Master In Slave Out (MISO), переводится как "вход ведущего выход ведомого", используется для передачи данных от ведомого к ведущему.

Master Out Slave In (MOSI) -- выход ведущего вход ведомого, для передачи данных от ведущего к периферийным устройствам.

Serial Clock (SCK) -- синхронизирующая линия, синхросигнал генерируется ведущим устройством.

Slave Select pin -- вход на ведомых устройствах с помощью которого ведущий может инициировать обмен данными с периферийным устройством. Если на этом входе LOW, то ведомый взаимодействует с ведущим, если HIGH, то ведомый игнорирует сигналы от ведущего.

При работе с SPI устройствами надо учитывать следующие моменты:

Используемый порядок вывода данных: Most Significant Bit (MSB - старший бит (разряд)) или Least Significant Bit (LSB - младший бит) первый. Порядок может быть изменен функцией SPI.setBitOrder().

Уровень сигнала синхронизации -- по какому синхронизирующему сигналу (HIGH или LOW) передаются данные.

Фаза синхронизации -- влияет на последовательность установки и выборки данных. Фаза синхронизации SPI и уровень сигнала задается функцией SPI.setDataMode().

Скорость работы SPI, устанавливается функцией SPI.setClockDivider().

Производители SPI устройств часто по-разному реализуют протокол, поэтому необходимо внимательно изучать техническое описание к устройству. В контроллерах Arduino на базе ATmega168/328, шина SPI использует выходы 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), и 13 (SCK). Следует обратить внимание, что в случае если даже SS пин не используется, он должен быть установлен как выход (OUT), в противном случае интерфейс может сконфигурировать устройство как ведомое и библиотека будет работать некорректно. В качестве SS выхода может быть использован выход отличный от 10-го.

3.3.1.2 Функционал управления радиомодулем nRF24L01+. Библиотека RF24

Для взаимодействия платформы Arduino с микросхемой nRF24L01+ разработано достаточно большое количество подключаемых программных модулей. В основном они представляют собой файлы С++ (с расширением .срр) и заголовочные файлы (с расширением .h), содержащие классы и методы, позволяющие осуществлять доступ к регистрам радиомодуля. Наиболее распространенными и используемыми библиотеками, реализующие весь необходимый функционал, являются библиотеки «Mirf», «RadioHead» и «RF24».

Библиотека Mirf является наиболее простой и реализует минимально необходимый функционал. Вследствие своей простоты данная библиотека имеет ряд недостатков, затрудняющих решение многих задач, в частности реализацию прошивки тестирующего модуля. К основным недостаткам можно отнести следующие:

длина адресного поля - всегда 5 байт;

CRC всегда однобайтовый;

длина поля данных (payload) всегда фиксирована;

нет поддержки режима multiceiver (прием данных от шести передатчиков).

Подобные проблемы отсутствуют в альтернативной библиотеке RF24. Из всех библиотек данная библиотека реализует максимально полный функционал. В ней конфигурируется буквально всё, в том числе автоматически учитываются различия между nRF24L01 и nRF24L01+. Идеологически библиотека ближе к стандартам Arduino и интуитивно понятнее. В комплекте с библиотекой RF24 имеется много полезных примеров, которые демонстрируют использование прерываний, отправку пользовательских данных в режиме подтверждения приема пакетов и прочее.

Кроме того, в данной библиотеке очень хорошо реализован механизм прямого доступа к регистрам чипа nRF24L01, что безусловно является важным положительным аспектом при решении прикладных задач, носящих исследовательский характер. Таким образом, в силу полноты функционала в процессе разработки кода прошивки тестирующего модуля за основу была взята именно библиотека RF24.

Таблица 3. Распиновка выводов, соответствующая различным библиотекам для соединения Arduino nano и модуля nRF24L01+

Сигнал (пин)	nRF24L01+ модуль	Соответствующие выводы (пины) Arduino nano v3.0 для «RF24»	Соответствующие выводы (пины) Arduino nano v3.0 для «Mirf»	Соответствующие выводы (пины) Arduino nano v3.0 для «RadioHead»
GND	1	GND	GND	GND
VCC	2	3.3V	3.3V	3.3V
CE	3	9	8	8
CSN	4	10	7	10
SCK	5	13	13	13
MOSI	6	11	11	11
MISO	7	12	12	12
IRQ	8	2		N/C

3.4 Постановка физического эксперимента. Результаты работы тестирующего модуля

Испытания макета тестирующего модуля проводились на популярной модели беспроводной игровой клавиатуры K 350 известного бренда Logitech.

После подключения приемника клавиатуры к компьютеру и окончания процедуры «спаривания» было решено попытаться моментально определить и зафиксировать рабочую частоту клавиатуры текущего сеанса. Для этого была использована функция «testCarrier()», позволяющая определить наличие несущей частоты в прослушиваемом диапазоне. На рисунке 13 приведен результат сканирования несущих частот в рабочем диапазоне клавиатуры.

Рисунок 13 - Результат сканирования несущих частот

Сканирование показало, что прослушиваемая среда содержит множество посторонних несущих частот. В таком случае рабочую частоту текущего сеанса клавиатуры следует определять по всему частотному диапазону посредством последовательного перебора с ожиданием приема пакета данных на каждой итерации цикла.

После настоек регистров радиомодуля NRF24L01+, необходимых для требуемого функционирования макета тестирующего устройства, выводится блок информации о конфигурации радиомодуля, после чего тестирующий модуль переходит в режим ожидания пакетов данных, передаваемых клавиатурой приемнику Unifying.

Рисунок 14- Блок информации о конфигурации радиомодуля NRF24L01+

Демонстрация осуществления перехвата пакета данных клавиатуры была осуществлена следующим образом. На клавиатуре были набраны следующие три символа ?I? ?U? ?8?. На рисунке при помощи программы Device monitoring studio отображены соответствующие набранным символам пакеты, переданные приемником Unifying хосту через интерфейс USB. Данные пакеты содержат скан- коды набранных символов (0х49, 0х55, 0х38).

Рисунок 15 - Данные, переданные приемником Unifying хосту



Рисунок16 - Реализация перехвата тестирующим модулем пакетов клавиатуры, передаваемых по радиоканалу

На рисунке 16 представлена реализация перехвата тестирующим модулем пакетов клавиатуры, передаваемых по радиоканалу. Перехват был реализован на частоте 2409 МГц, что соответствует 10 индексу частотного канала.

Содержание принятых пакетов не соответствует содержанию пакетов, переданных приемником Unifying на обработку хосту, что говорит о реализации заявленных производителем Logitech механизмов шифрования данных в свой продукции.

Выводы

В технологическом разделе были рассмотрены вопросы технологического обеспечения сборки макета тестирующего устройства, с учетом особенностей его функционирования. В рамках рассмотрения этих вопросов была предложена аппаратно- программная компоновка тестирующего модуля, обеспечивающая его построение на основании предъявленных к нему требований. В заключении были проведены испытания разработанного тестирующего модуля, результатами которых стало решение задачи установления соединения с беспроводной клавиатурой Logitech K350, посредством перехвата передаваемых клавиатурой пакетов данных. Факт шифрования перехваченных данных говорит об обеспечении механизмов защиты, обрабатываемых и передаваемых продукцией Logitech данных. Что же касается продукции других производителей, в частности, например, Defender, SmartBuy, Oklick, в технической документации на некоторые модели которых не указывается возможность шифрования/кодирования данных или в которых по умолчанию режим шифрования не установлен, можно с уверенностью говорить о реализации обработки и распознавания перехваченных данных, а также о навязывании информации, или другими словами о «HID» - атаке.



4. ОРГАНИЗАЦИОННО - ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Одним из этапов выполнения данного дипломного проекта является разработка программного обеспечения, в ходе которой координируется значительное количество разноплановых работ, выполняющихся специалистами различного профиля и квалификации. При этом следует обосновать такие характеристики проекта как длительность разработки технического предложения, количество и квалификация задействованных трудовых ресурсов (исполнителей проекта). Следует также рассчитать совокупные затраты, определить рынок реализации продукции и уровень потребности рынка в разрабатываемом изделии, показать величину требуемых кредитов и ожидаемой прибыли как во временном, так и в стоимостном выражении. Для построения необходимого плана работ необходим всесторонний анализ разработки, для чего целесообразно представить работу в виде экономико-функциональных блоков, что позволит спланировать деятельность оптимальным образом, а главное - обоснованно спрогнозировать конкретные сроки выполнения отдельных этапов работы. Для наглядного представления последовательных и параллельных участков, а также продолжительности и очерёдности работ используется диаграмма Гантта, которая является достаточно популярным инструментом для иллюстрации графика работ по различным проектам.

4.1 Расчёт трудоёмкости проекта

Общие затраты труда на разработку и внедрение проекта определим следующим образом:



затраты труда на выполнение-го этапа проекта.

Используя метод экспертных оценок, вычислим ожидаемую продолжительность работ каждого этапа по формуле:

(2)

где и - максимальная и минимальная продолжительность работы. Они назначаются в соответствии с экспертными оценками, а ожидаемая продолжительность работы рассчитывается как математическое ожидание для - распределения.

С этой целью был произведен опрос четверых экспертов-разработчиков, которые дали следующую оценку трудовых затрат на данную разработку:

Таблица 4. Экспертные оценки

Эксперт 1	450 час
Эксперт 2	390 час
Эксперт 3	540 час
Эксперт 4	670 час

Тогда ожидаемая продолжительность:

часов

В рамках данного дипломного проекта разрабатывается ПО к специальному программно-аппаратному тестирующему модулю, работа которого должна осуществляться в двух режимах. Поэтому с учетом специфики проекта на этапе разработки программных модулей выделяются две работы, а именно:

- Программная реализация режима «передатчика» тестирующего модуля;

- Программная реализация режима «приемника» тестирующего модуля.

Полный перечень работ с разделением их по этапам приведён в таблице 5.

Таблица 5. Определение этапов выполнения проекта

№	Этап	№ работы	Содержание работы	чел/ часы	чел/ часы	чел/ часы	чел/ дни
1	Разработка технических требований	1	Получение задания, анализ полученных требований к разрабатываемому ПО	6	11	8	1
		2	Разработка и утверждение ТЗ	34	49	40	5
		3	Анализ предметной области и существующих решений	28	78	48	6
2	Разработка алгоритмов	4	Разработка общей структуры ПО	34	49	40	5
		5	Разработка методов реализации, структуры входных и выходных данных	70	95	80	10
3	Разработка программных модулей	6	Программная реализация режима «передатчика» тестирующего модуля	34	49	40	5
		7	Программная реализация режима «приемника» тестирующего модуля	72	152	104	13
4	Тестирование и отладка разрабатываемого ПО	8	Тестирование ПО	28	78	48	6
		9	Внесение изменений в ПО	70	95	80	10
5	Разработка документации	10	Разработка программной и эксплуатационной документации	64	84	72	9
Итого	560	70



(3)

4.2 Определение численности исполнителей

Для оценки возможности выполнения проекта имеющимся в распоряжении разработчика штатным составом исполнителей, нужно рассчитать их среднее количество, которое при реализации проекта определяется соотношением:

, (4)

где - фонд рабочего времени, который определяется по формуле:

(5)

где - фонд времени в текущем i-том месяце, который вычисляется для каждого месяца с учетом общего количества дней , выходных и праздничных дней.

На реализацию проекта заказчиком отведено месяца рабочего времени при односменной работе с продолжительностью рабочего дня 8 часов. В таблице 6 приведены сведения, необходимые для вычисления фонда времени для каждого месяца и итоговые результаты вычислений.



Таблица 6. Месячный фонд времени

Месяц	Количество дней	Количество выходных дней	Количество праздничных дней	Фонд времени, дни	Фонд времени, часы
1	28	8	1	19	152
2	31	9	1	21	168
3	30	8	0	22	176
Итого	62	496

Величина фонда рабочего времени составляет 496 часов.

Затраты труда на выполнения проекта были рассчитаны в предыдущем разделе, их величина равна 560 чел/час. В соответствии с этими данными и выражением (4), среднее количество исполнителей равно:

(6)

Округляя до большего, получим число исполнителей проекта N=2.

4.3 Построение сетевого графика

Построение сетевого графика предполагает использование метода сетевого планирования, на базе которого разрабатывается информационно-динамическая модель процесса выполнения проекта. Построение сетевой модели включает оценку степени детализации комплекса работ, определения логической связи между отдельными работами и временные характеристики выполнения этапов проекта

Составление сетевой модели включает в себя оценку степени детализации комплекса работ и определения логической связи между отдельными работами.

С этой целью составляется перечень всех основных событий и работ. В перечне указываются кодовые номера событий, наименование событий в последовательности от исходного к завершающему, кодовые номера работ, перечень всех работ, причём подряд указываются все работы, которые начинаются после наступления данного события.

Основные события и работы проекта представлены в таблице 7.

Рассчитанные оставшиеся параметры элементов сети (сроки наступления событий, резервы времени событий, полный и свободный резервы времени работ) приведены в таблице 8.

Таблица 7. Основные события и работы проекта

	Наименование события	Код работы	Работа	t, чел/час	t, чел/день
0	Разработка ПО начата	0-1	Получение задания, анализ полученных требований к разрабатываемому ПО	8	1
1	Задание получено, анализ полученных требований к разрабатываемому ПО проведён	1-2	Разработка и утверждение ТЗ	40	5
2	ТЗ разработано и утверждено	2-3	Анализ предметной области и существующих решений	48	6
3	Анализ предметной области и существующих решений проведён	3-4	Разработка общей структуры ПО и пользовательского интерфейса	40	5
4	Разработка общей структуры ПО и пользовательского интерфейса проведены	4-5	Разработка методов реализации, структуры входных и выходных данных	80	10
5	Разработка методов реализации и структуры входных и выходных данных завершена	5-6	Программная реализация режима «передатчика» тестирующего модуля	40	5
		5-7	Программная реализация режима «приемника» тестирующего модуля	104	13
6	Программная реализация режима «передатчика» тестирующего модуля выполнена	6-7	Фиктивная работа	0	0
7	Программная реализация режима «приемника» тестирующего модуля выполнена	7-8	Тестирование ПО	48	6
		7-9	Внесение изменений в ПО	80	10
8	Тестирование ПО завершено	8-9	Фиктивная работа	0	0
9	Внесение изменений в ПО закончено	9-10	Разработка документации	72	9
10	Документация разработана	10-11	Фиктивная работа	0	0
11	Разработка ПО закончена	-	-	-	-

Таблица 8. Временные затраты на каждый этап работы

	Код работы, i - j	чел/день	чел/день	чел/день	чел/день	чел/ день	чел/ день
0	0-1	1	0	0	0	0	0
1	1-2	5	1	1	0	0	0
2	2-3	6	6	6	0	0	0
3	3-4	5	12	12	0	0	0
4	4-5	10	17	17	0	0	0
5	5-6	5	27	27	0	8	0
	5-7	13				0	0
6	6-7	0	32	40	8	8	8
7	7-8	6	40	40	0	13	0
	7-9	10				0	0
8	8-10	0	46	59	13	13	13
9	9-10	9	50	50	0	0	0
10	10-11	0	59	59	0	0	0
11	-	-	59	59	0	0	0

Здесь ранний срок совершения события определяет минимальное время, необходимое для выполнения всех работ, предшествующих данному событию и равен продолжительности наибольшего из путей, ведущих от исходного события к рассматриваемому:

(7)

Поздний срок совершения события - это максимально допустимое время наступления данного события, при котором сохраняется возможность соблюдения ранних сроков наступления последующих событий. Поздние сроки равны разности между поздним сроком совершения j-го события и продолжительностью i-j работы:

(8)

Критический путь - это максимальный путь от исходного события до завершения проекта. Его определение позволяет обратить внимание на перечень событий, совокупность которых имеет нулевой резерв времени.

Все события в сети, не принадлежащие критическому пути, имеют резерв времени показывающий на какой предельный срок можно задержать наступление этого события, не увеличивая сроки окончания работ:

(9)

Полный резерв времени работы и свободный резерв времени работы можно определить, используя следующие соотношения:

(10)

(11)

Полный резерв работы показывает максимальное время, на которое можно увеличить длительность работы или отсрочить её начало, чтобы не нарушился срок завершения проекта в целом. Свободный резерв работы показывает максимальное время, на которое можно увеличить продолжительность работы или отсрочить её начало, не меняя ранних сроков начала последующих работ.

Сетевой график приведён ниже на рисунке

Рисунок 17 - Сетевой график выполнения работ

Как видно из сетевого графика, критический маршрут проходит через вершины 0-1-2-3-4-5-7-9-10-11 и имеет длину Ткр = 59 рабочих дней.

Диаграмма Гантта.

Для иллюстрации последовательности проводимых работ приведём диаграмму Гантта данного проекта, на которой по оси Х изображены календарные дни от начала до конца проекта, а по оси Y - выполняемые этапы работ. Диаграмма Гантта приведенная на рисунке 18, построена с учетом выходных и праздничных дней. Занятость исполнителей приведена в таблице 9.

Рисунок 18- Диаграмма Гантта проводимых работ

Таблица 9. Занятость исполнителей

Код работы	Дата начала	Дата окончания	Трудовые затраты	Исполнитель
0-1	02.02.2015	02.02.2015	1	Ведущий программист
1-2	03.02.2015	09.02.2015	5	Ведущий программист
2-3	10.02.2015	17.02.2015	6	Ведущий программист
3-4	18.02.2015	26.02.2015	5	Ведущий программист
4-5	27.02.2015	13.03.2015	10	Ведущий программист
5-6	16.03.2015	20.03.2015	5	Программист- стажер
5-7	16.03.2015	01.04.2015	13	Ведущий программист
7-8	02.04.2015	09.04.2015	6	Программист-стажер
7-9	02.04.2014	15.04.2014	10	Ведущий программист
9-10	16.04.2014	28.04.2014	9	Ведущий программист

4.4 Анализ структуры затрат проекта

Затраты на выполнение проекта могут быть представлены в виде сметы затрат, включающей в себя следующие статьи:

а) заработная плата исполнителям;

б) отчисления на социальные службы;

в) материальные затраты;

г) амортизационные затраты;

д) прочие затраты.

Формула расчёта представлена ниже:

(12)

Затраты на выплату заработной платы.

Затраты на выплату исполнителям заработной платы линейно связаны с трудоёмкостью и определяется следующим соотношением:

(13)

где - основная заработная плата,

- дополнительная заработная плата,

- отчисления с заработной платы.

Расчёт основной заработной платы (оплаты труда непосредственных исполнителей):

(14)

где - число дней, отработанных исполнителем проекта,

- дневной оклад исполнителя.

При 8-и часовом рабочем дне он рассчитывается по соотношению:

(15)

где - месячный оклад,

- месячный фонд рабочего времени.

С учётом налога на доходы физических лиц размер оклада увеличивается, что отражено в формуле:

(16)

где - «чистый» оклад,

- налог на доходы физических лиц в размере 13%.

Сведём результаты расчёта в таблицу с перечнем исполнителей и их месячных и дневных окладов, а также времени участия в проекте и рассчитанной основной заработной платой каждого исполнителя, таблица 10.

Таблица 10. Заработная плата исполнителей

№	Должность	«Чистый» оклад, руб.	Дневной оклад, руб.	Трудозатраты, чел/дни	Затраты на зарплату, руб.
1	Ведущий программист	45 000	2480,48	48	119063,41
2	Программист	30 000	1653,65	11	18190,15

Из таблицы ...