ANEXO
MANUAL DE USUARIO
1
Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................................. 3 1. OPERACION DEL SISTEMA ........................................................................................................ 4 1.1. CAPTURA DE AUDIO.............................................................................................................. 4 1.2. CIFRADO DE DATOS .............................................................................................................. 5 1.3. TRANSMISIÓN DE DATOS .................................................................................................... 6 1.4. DESCIFRADO DE DATOS ...................................................................................................... 7 1.5. COMPARACIÓN DE DATOS ................................................................................................. 7
Tabla de Ilustraciones Ilustración 1 captura de audio ............................................................................................................. 4 Ilustración 2 Cifrado de datos .............................................................................................................. 5 Ilustración 3 Trasmision de datos ........................................................................................................ 6 Ilustración 4 Descifrado de datos ......................................................................................................... 7 Ilustración 5 Monitor serial del esclavo............................................................................................... 8
2
INTRODUCCIÓN
En este manual se explica el funcionamiento del dispositivo Arduino con la implementación del algoritmo de cifrado salsa20 y la manera de operar dicho artefacto, este prototipo solo tiene un modo de operación y consiste en cuatro pasos que son captura de audio, cifrado de datos, transmisión de datos y descifrado.
3
1. OPERACION DEL SISTEMA Para iniciar la operación del sistema se deben tener las conexiones como se especifica en el anexo MANUAL TECNICO, adicionalmente si se quiere monitorear más concienzudamente la operación del prototipo se debe conectar el maestro y esclavo al computador simultáneamente y abrir las ventanas de monitor serial para cada dispositivo.
1.1. CAPTURA DE AUDIO Cuando el proceso inicia el dispositivo está en modo espera, para iniciar se presiona el botón una vez, en la ilustración 1 se observan los tres componente generales del sistema en la protoboard de mayor tamaño se encuentre en botón de acciones, cuando esto pasa el dispositivo capturará una cantidad de muestras predeterminadas configuradas en el código, inmediatamente se enciende el LED verde, cuando esta encendido el dispositivo está capturando audio del micrófono, cuando se termine la captura de información el LED se apagará, y la información se guardará en la memoria SD en un archivo con extensión TXT.
Ilustración 1 captura de audio
4
1.2. CIFRADO DE DATOS Al terminar el proceso de captura de datos automáticamente el dispositivo inicia el cifrado y se enciente el LED rojo hasta terminar de cifrar toda la información generada, como se observa en la ilustración 2, esta información se almacena en un archivo con extensión TXT en la memoria SD.
Ilustración 2 Cifrado de datos
5
1.3. TRANSMISIÓN DE DATOS
Cuando el cifrado de la información termina, el sistema queda en modo de espera de nuevo, se reconoce ya que los LED rojo y verde se encienden simultáneamente como se observa en la ilustración 3 , Se debe presionar el botón de nuevo para iniciar la transmisión de datos a través del cable serial entre los dispositivos arduino. Cuando se inicia la transmisión, el LED verde se enciende en el maestro y el LED rojo en el esclavo, mientras que estos estén encendidos simultáneamente en los dos dispositivos se está transmitiendo información.
Ilustración 3 Trasmision de datos
6
1.4. DESCIFRADO DE DATOS Cuando se termina el proceso de transmisión los LED rojo y verde empezaran a encenderse intermitentemente en el maestro y se apagara el LED rojo en el esclavo, inmediatamente después de que el proceso de transmisión termina como se puede observar en la ilustración 4, el esclavo comenzara el descifrado, la información recuperada se almacenara en la memoria SD en un archivo con extensión TXT. Si se tiene conexión con el computador, en el monitor serial del esclavo se imprimirá la información descifrada.
Ilustración 4 Descifrado de datos
1.5. COMPARACIÓN DE DATOS Si se requiere comprobar la similitud y eficiencia del proceso, se debe extraer las memorias SD de cada dispositivo y conectarlas a un computador, aquí se tendrá acceso a los archivos de texto en cada memoria, y se podrán visualizar y comparar en algún software o manualmente. La Ilustración 4 muestra la interface de arduino que permite observar los datos cuando el proceso finaliza.
7
Ilustración 5 Monitor serial del esclavo
8
ANEXO
MANUAL TÉCNICO
Contenido INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 3 1. DESARROLLO ELECTRÓNICA ...................................................................................... 4 1.1. COMPONENTES ........................................................................................................ 4 1.2. DIAGRAMAS Y CONEXIONES.................................................................................. 5 2. DESARROLLO SOFTWARE .......................................................................................... 10 2.1. INSTALACIÓN ......................................................................................................... 10 2.2. LIBRERÍAS .............................................................................................................. 11 2.2.1. STDINT .............................................................................................................. 11 2.2.2. STDDEF .............................................................................................................. 11 2.2.3. SPI ...................................................................................................................... 12 2.2.4. SD ....................................................................................................................... 12 2.2.5. WIRE .................................................................................................................. 12 2.2.6. EASYTRANSFER ............................................................................................... 13 2.3. TRANSMISIÓN ........................................................................................................ 13 3. PRUEBA ......................................................................................................................... 14
Tabla de ilustraciones Ilustración 1 Diagrama de conexión electrónica ...................................................................... 5 Ilustración 2 Diseño fisico....................................................................................................... 6 Ilustración 3 Conexión entre arduinos .................................................................................... 6 Ilustración 4 Conexión fisica entre arduinos............................................................................ 7 Ilustración 5 Conexión SD ...................................................................................................... 7 Ilustración 6 Conexión SD fÍsica ............................................................................................. 8 Ilustración 7 Cableado dispositivo maestro ............................................................................. 9 Ilustración 8 Subir código al dispositivo ................................................................................ 10
INTRODUCCIÓN El presente manual técnico tiene la finalidad de listar y explicar los diferentes componentes electrónicos usados, como también los recursos de software empleados para lograr la integración de las diferentes etapas enumeradas en el trabajo escrito. La implementación del prototipo está basada en Arduino Uno y utiliza las diferentes librerías que vienen integradas en el IDE de desarrollo para programar el microcontrolador.
1. DESARROLLO ELECTRÓNICA
1.1. COMPONENTES Para la implementación del amplificador y el desplazamiento análogo de la señal se utilizaron los siguientes componentes: Componente
Cantidad
Características
Micrófono Unidireccional dinámico
1
Impedancia: 600 Ohm a 1KHz Sensibilidad -55+o-1 dB a 1KHz
TL082CN
1
Amplificador de doble canal JFET de propósito general
Baterías 9V 6F22
2
Batería desechable de zinccarbón Capacidad : 400 mAh Voltaje nominal: 9V
Jack para conexión monofónica
1
Tamaño:¼ de pulgada
LED
2
Conectores de 9 V
2
Potenciómetro Linear
1
Resistencia:10 kOhm
Resistencias
3
Resistencia: 100 kOhm
Condensador electrolítico
1
Capacitancia:10 uF Voltaje: 16V
Condensador cerámico
1
Capacitancia: 47nF Voltaje: 600V
Arduino Uno
2
Microcontrolador:ATMega328p Voltaje operativo:5V Voltaje de entrada recomendado:7-12V Pines digitales de entrada/salida:14 Pines análogos PWM:6 Corriente DC por pin: 40 mA Corriente DC para pin de 3,3V: 50mA Memoria flash: 32 KB Flash para el bootloader: 0.5KB
SRAM:2 KB EEPROM:1KB Velocidad del reloj :16 MHz Protoboard
1
Módulo sd
2
microSD
2
Cables conectores
30
Cables usb
2
Voltaje de funcionamiento: 2.73.6V Clase: 4 MB/s
1.2. DIAGRAMAS Y CONEXIONES Las conexiones utilizadas se muestran en los siguientes diagramas:
Ilustración 1 Diagrama de conexión electrónica
El circuito mostrado en la Ilustración 1 muestra el esquema electrónico utilizado para lograr la amplificación y corrimiento de la señal, y sus respectivas conexiones con el arduino.
Ilustración 2 Diseño fisico
Ilustración 3 Conexión entre arduinos
La ilustración 3 evidencia las conexiones necesarias para la comunicación serial entre los dos dispositivos arduino, los pines utilizados son los que se usan por defecto cuando queremos apoyarnos en la librería SPI.
Ilustración 4 Conexión fisica entre arduinos
Ilustración 5 Conexión SD
Ilustración 6 Conexión SD fÍsica
Las conexiones que se requieren para la conexión con el modulo SD se evidencian en la Ilustración 5, consta de 6 conexiones que utilizan el esquema basado en SPI y donde las conexiones esenciales son MOSI (Master Output Slave Input): Salida de datos del maestro y entrada del maestro MISO (Master Input Slave Output), también utiliza un reloj, la alimentación del módulo, y un pin para la selección de tarjeta.
Ilustración 7 Cableado dispositivo maestro
2. DESARROLLO SOFTWARE
2.1. INSTALACIÓN
La instalación de software en este proyecto se limita al IDE de Arduino el cual se puede descargar desde la página oficial https://www.arduino.cc/en/Main/Software. Posteriormente cuando se conectan los módulos Arduino Uno, los controladores se instalan automáticamente y se reconocerán en la próxima conexión del dispositivo. Para seleccionar a qué dispositivo se quiere subir el código se debe seleccionar el puerto COM al que está conectado, se debe prestar atención cuando se conecta.
Ilustración 8 Subir código al dispositivo
2.2. LIBRERÍAS
Las librerías en la programación son una parte esencial ya que permiten añadir funcionalidad a nuestros propios proyectos e implementaciones usando el trabajo que otros ya han realizado en ciertos campos, es una forma de no reinventar la rueda cada vez que empezamos a desarrollar una nueva aplicación. Las librerías utilizadas y descritas a continuación proveen funcionalidad en los campos de la transmisión y comunicación entre dispositivos, ya sean módulos SD o los mismos Arduinos, adicionalmente se tienen dos librerías que definen tipos y longitudes, esto permite el ahorro de tiempo de compilación ya que explícitamente decimos que tipo y cuanta memoria se debe reservar para cada variable.
2.2.1. STDINT stdint.h1 es un archivo de cabecera en la librería estándar de C que permite a los programadores escribir código más portable al proveer un conjunto de definiciones de tipo que especifican la longitud exacta de tipos cuando se manejan enteros, en conjunto con los valores mínimos y máximos para cada tipo, usando macros. Este archivo de cabecera es particularmente útil para programación embebida que comúnmente involucra manipulación considerable de registros de entrada y salida específicos en hardware que requieren valores fijos de datos enteros, en lugares específicos y de una forma precisa.
2.2.2. STDDEF stddef.h2 es un archivo de cabecera en la librería estándar de C que define los macros NULL y offsetof como también los tipos ptrdiff_t, wchar_t y size_t, para el proyecto se utilizó esta cabecera para definir los tamaños de variables adecuadamente.
“C reference stdint.h” 2016 10 Feb 2 “C reference stddef.h”2016 10 Feb 1
2.2.3. SPI Serial Peripheral Interface3 (SPI) es un protocolo de transmisión asíncrona de datos usado por microcontroladores para comunicarse con uno o más dispositivos periféricos en distancias
cortas.
También
puede
ser
usado
para
la
comunicación
entre
dos
microcontroladores. Con una conexión SPI siempre hay un dispositivo maestro (usualmente el microcontrolador) el cual controla los dispositivos. Típicamente hay tres líneas comunes a los dispositivos: -
MISO(Master In Slave Out)- La línea para enviar data al maestro
-
MOSI(Master out Slave In) La línea por donde el maestro envía data a los periféricos
-
SCK (Serial Clock) Los pulsos del reloj que sincronizan la transmisión de datos generada por el maestro.
2.2.4. SD La librería SD4 permite la lectura y escritura en tarjetas SD. Está construida sobre la librería sdfatlib por William Greiman. Esta librería soporta sistemas de archivos FAT16 y FAT32 en tarjetas SD y tarjetas SDHC. Usa nombres 8.3 cortos para los archivos. La comunicación entre el microcontrolador y la tarjeta SD usa SPI, que toma lugar en los pines digitales 11,12, y 13 en la mayoría de las boards Arduino. Adicionalmente otro pin debe reservarse para seleccionar la tarjeta SD, usualmente el 10.
2.2.5. WIRE La librería wire5 permite la comunicación I2C/TWI entre dispositivos. Se utilizan generalmente 2 conexiones, una de reloj y otra de datos. Esta librería viene contenida en el IDE de arduino y hereda de Stream, lo cual la hace consistente con otras librerías que utilizan read () y write (). Se utilizan direcciones de 7 bits para identificar los dispositivos.
“SPI Library” 2016 10 Feb “SD library” 2016 10 Feb 5 “Wire library” 2016 10 de Feb 3 4
2.2.6. EASYTRANSFER Easytransfer6 es una librería creada por Bill Porter que facilita la transmisión de datos entre dos dispositivos arduino, esta librería abstrae los puntos más delicados de la comunicación serial de paquetes. Cuando se llame la función, la librería enviará todos los datos binarios en forma de estructura al otro dispositivo vía serial con un checksum para evitar errores de transferencias. El arduino que recibe comprobará el checksum y copiara los nuevos datos a la estructura en su memoria. Es importante que las estructuras sean iguales en los dos arduinos. El uso de estructuras para mantener los datos permite comunicación versátil dando la opción de crear cualquier tipo de datos, siempre y cuando no supere los 255 bytes.
2.3. TRANSMISIÓN Para la transmisión se utilizó la librería easytransfer, se creó una estructura de datos con los siguientes campos: uint8_t data1, long unsigned size1, bool sent, long unsigned bytesSent. El campo de data1 se utiliza para transmitir el byte del archivo, size1 contiene el tamaño del archivo que se está transmitiendo, la variable booleana sent le indica al esclavo si hay un byte nuevo para leer, posteriormente se cambia este byte a falso y la variable bytesSent contabiliza el número de bytes que ha enviado el maestro y sirve para que el esclavo sepa cuando ha terminado la transmisión. Adicionalmente se utiliza el pin digital 6 en ambos arduinos, en el maestro como entrada y el esclavo como salida, para indicar cuando está disponible el esclavo para recibir información, y que no se pierdan bytes enviados por el maestro.
“Easytransfer reference” 2016 10 Feb 6
3. PRUEBA Para probar el prototipo se realizó la conexión mediante un cable UTP de aproximadamente 5 metros donde se habilitaron cuatro hilos para conectar los dispositivos arduino mediante el esquema en la ilustración 2, cada arduino se conectó a un computador para observar su puerto serial mediante el monitor serial del IDE y comprobar su operación correcta. Se presionó el botón para capturar 1900 muestras análogas del micrófono, estas muestras se almacenan en un archivo de texto llamado prueba1 en la memoria SD y posteriormente se encriptan y se almacenan en un archivo de texto llamado crypto4.
Después de realizar este proceso el prototipo espera a que el botón sea presionado de nuevo para comenzar la transmisión de información, el esclavo durante el proceso anterior está en un proceso de espera, cuando empieza la transmisión este almacena el archivo que llega en un archivo de texto con el mismo nombre del maestro: crypto4, y lo descifra en un archivo de texto llamado prueba. Para comprobar que los archivos fuente son iguales, en el esclavo se imprime en el monitor serial el contenido del archivo prueba1, y se obtiene la tarjeta SD del maestro, la cual se inserta en un computador para acceder a estos archivos con mayor facilidad.
Plan de pruebas Proposito
Tener un cronograma claro y objetivo de las pruebas a realizar e indicadores para cada prueba que nos permitan entender las limitaciones y fortalezas de la implementacion
Alcance
Se probara la funcionalidad y caracteristicas de calidad del servicio, eficiencia y confiabilidad para la implementacion propuesta en el proyecto
Duracion
La ejecucion del plan de pruebas constituira la mayor parte del desarrollo del proyecto de grado,ya que de esta se desprenden las conclusiones y resultados Fecha
Estrategias
Cada prueba se realizara 10 veces y se obtendra un promedio con el total de los resultados Forma de calculo
Indicador
Calidad del servicio
Se enviara mediante el protocolo serial de un arduino a otro, actuando uno como transmisor y otro como receptor, se medira la tasa de paquetes enviados totales y los recibidos
Eficiencia
Se medira para cada archivo su peso exacto, y cuanto tiempo se demora en hacer un proceso de encriptacion y desencriptacion
Confiabilidad
Para cada archivo enviado se medira la integridad de cada archivo y la confiabilidad de la transmision al comparar el peso de el archivo recibido y el enviado, siento un envio exitoso que los dos archivos sean iguales
Unidad de medida
Promedio
Paquetes recibidos/total paquetes enviados
Tamaño del archivo/ tiempo total
envios exitosos/envios totales
Indicador al que apunta
Detalle de prueba T01
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 5 kB
Eficiencia
T02
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 20 kB
Eficiencia
T03
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 50 kB
Eficiencia
T04
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 100 kB
Eficiencia
T05
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 150 kB
Eficiencia
T06
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 300 kB
Eficiencia
T07
Tiempo para encriptar y desencriptar un archivo de texto de 500 kB
Eficiencia
Envio de un archivo de texto de 5kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 20kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 50kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 100 kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 150kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 300kB
Calidad del servicio y confiabilidad
Envio de un archivo de texto de 500kB
Calidad del servicio y confiabilidad
T08
T09
T10
T11
T12
T13
T14
Condiciones de laboratorio
-Computador de escritorio con las siguientes caracteristicas : AMD FX-6100 a 3.3GHz, 4 GB RAM, Sistema operativo Windows 7 Ultimate 64 bits -IDE Arduino 1.6.5 -Arduino UNO modelo R3 -ATMega328p-pu -Archivos con extension .txt almacenados en una memoria SD de 2 GB Calidad del servicio
Latencia y perdida de paquetes
Eficiencia
Capacidad de encriptar en un tiempo determinado un tamaño
Confiabilidad
Envios exitosos
PESO ARCHIVOTEST1(KB)
4.34
T01
PESO ARCHIVOTEST2(KB)
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
19.5
T02
Varianza
Tamaño archivo/tiempo total
tiempo 1
0.08182
0.00000485409024
53.04326571
tiempo 1
17.2917995 0.00026486944
1.12770218
tiempo 2
0.081828
0.00000481890304
53.03807987
tiempo 2
17.3149032 0.00004663373
1.12619746
tiempo 3
0.08182
0.00000485409024
53.04326571
tiempo 3
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1.12714308
tiempo 4
0.103684
0.0003865470566
41.85795301
tiempo 4
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1.124957751
tiempo 5
0.081808
0.00000490711104
53.05104635
tiempo 5
17.2943553 0.00018821123
1.127535526
tiempo 6
0.081824
0.00000483648064
53.04067266
tiempo 6
17.3148288 0.00004562313
1.126202299
tiempo 7
0.081876
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tiempo 7
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tiempo 8
0.081844
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tiempo 8
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1.126253906
tiempo 9
0.081828
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53.03807987
tiempo 9
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1.127375132
tiempo 10
0.0819
0.00000450797824
52.99145299
tiempo 10
17.3118476 0.00001423771
1.126396237
Promedio
0.0840232
0.00004772266596
51.91385136
Promedio
17.30807431 0.00016139115
1.126642346
0.6908%
Desviacion Est.
0.02
Rango PESO ARCHIVOTEST3(KB)
49.6
T03-(s)
1.2704%
Desviacion Est. Rango
0.04
PESO ARCHIVOTEST4
100
T04
Varianza
Varianza
Tamaño archivo/tiempo total
tiempo 1
44.8522338
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tiempo 1
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tiempo 2
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tiempo 2
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tiempo 3
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tiempo 3
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tiempo 4
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tiempo 4
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tiempo 5
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tiempo 5
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tiempo 6
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tiempo 6
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1.103896622
tiempo 7
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tiempo 9
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tiempo 9
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tiempo 10
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tiempo 10
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1.093706166
Promedio
44.89599224
0.002278673204
1.104776795 4.7735%
Desviacion Est.
Promedio
91.36240154 0.08470821463
1.094552231 29.1047%
Desviacion Est.
Rango
0.13
Rango
1.01
PESO ARCHIVOTEST5(KB)
150
PESO ARCHIVOTEST6(KB)
300
T05
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
T06
Varianza
Tamaño archivo/tiempo total
tiempo 1
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tiempo 2
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tiempo 2
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tiempo 3
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tiempo 3
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tiempo 4
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tiempo 4
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tiempo 5
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tiempo 6
283.045288 0.01652569126
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tiempo 7
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tiempo 7
tiempo 8
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tiempo 9
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tiempo 10
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Promedio
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tiempo 8
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tiempo 9
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tiempo 10
283.2244873 0.00256511962
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Promedio
283.1738403 0.02631905775
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5.2654%
Desviacion Est. Rango
0.16
PESO ARCHIVO-TEST6
500
T07
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
tiempo 1
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tiempo 5
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tiempo 7
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Promedio
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Desviacion Est.
0.93
Rango
Cantidad de bytes(KB)
Tiempo(s)
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19
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100
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150
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Desviacion Est. Rango
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16.2231% 0.63
300
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0.162231
500
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PESO ARCHIVOTEST1(KB)
5 T09
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Varianza
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tiempo 7
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tiempo 9
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tiempo 10
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Promedio
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Desviacion Est.
0.18
Rango
0.65
PESO ARCHIVOTEST2(KB)
19.5 T09
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
tiempo 1
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tiempo 2
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tiempo 3
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tiempo 4
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tiempo 5
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tiempo 7
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tiempo 8
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tiempo 9
350.7046203
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55.60234702
tiempo 10
351.9676513
86.75579608
55.40281878
Promedio
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281.48338
57.04218456
Desviacion Est.
16.78
Rango
47.77
PESO ARCHIVOTEST3(KB)
50 T09
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
tiempo 1
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tiempo 2
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tiempo 3
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55.64998497
tiempo 4
896.1341552
20.53548974
55.79521739
tiempo 5
898.1472167
6.343086849
55.67016083
tiempo 6
899.2758789
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tiempo 7
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tiempo 8
903.529052
8.198410955
55.3385637
tiempo 9
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55.20660188
tiempo 10
907.6288452
48.48448225
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Promedio
900.6657653
14.65138988
0.05551448931 3.83
Desviacion Est.
11.49
Rango PESO ARCHIVOTEST4(KB)
100 T09
Tamaño archivo/tiempo total
Varianza
tiempo 1
1795.850708
24923.68693
55.68391602
tiempo 2
1804.63208
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55.41295708
tiempo 3
1813.861572
19561.24233
55.13099871
tiempo 4
1786.842651
27849.07863
55.9646368
tiempo 5
1794.258789
25428.8612
55.73332042
tiempo 6
1802.026733
23011.78265
55.49307241
tiempo 7
1812.009033
20082.87204
55.18736285
tiempo 8
2252.849609
89476.67847
44.38822706
tiempo 9
2333.120605
143942.4797
42.86105046
tiempo 10
2341.779053
150587.4353
42.70257687
Promedio
1953.723083
60788.02717
51.85581187
Desviacion Est.
246.55
Rango
554.94
Cantidad de bytes(KB)
Tiempo(s)
Desviacion estandar muestral
5
97.93329309
0.182520
19.5
342.6533722
16.777466
50
900.6657653
3.827713
100
1953.723083
246.552281
PRUEBAS DE OVERHEAD SD Sin memoria SD- Encriptacion y desencri Con memoria SD- Encriptacion y desencriptacion Cantidad de bytes(B)
Tiempo(s)
Cantidad de bytes(B)
Proporcion
Tiempo(s)
100
0.0245212
100
0.1577156
6.431805948
200
0.0488936
200
0.2707424
5.537379125
300
0.061374
300
0.3222
5.249780037
400
0.085672
400
0.4384568
5.117854141
450
0.097812
450
0.55190202
5.64247761
Promedio de proporcion
5.595859372
