УСТРОЙСТВО С ЗАЩИТОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

Полезная модель относится к области микропроцессорных устройств бортовых информационно-управляющих систем (БИУС) подвижного состава (ПС).
Известна микропроцессорная система управления и диагностики электровозов с коллекторным тяговым приводом (Бадьян И. Аппаратура микропроцессорной системы управления и диагностики электровоза. // Современные технологии автоматизации. - 2000. - №4. - С.48-52.), состоящая из трех микроконтроллеров - центрального и двух технологических, а также двух блоков индикации на пультах машиниста, связанных информационными магистралями на основе последовательного интерфейса и выполненных на основе IBM-совместимых одноплатных промышленных микроконтроллеров и набора периферийных модулей (аналого-цифрового преобразования, дискретного ввода-вывода, таймеров и др.) в формате MicroPC.
Недостатком данной системы и устройств является незащищенность их технологического программного обеспечения (ТПО) и служебной информации от несанкционированного копирования и распространения, целенаправленной и случайной модификации, отсутствие средств диагностики и контроля хода выполнения программ.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является вычислительное устройство для бортовых систем управления ПС (Машинец О.Г., Микуляк С.П., Юренко К.И. Универсальное вычислительное устройство для бортовых систем управления электроподвижного состава. // Вестник Восточно-украинского национального университета имени Владимира Даля. - Луганск: Изд-во ВНУ им. Вл. Даля, 2004 - №8 (78). - С.226-229.), предназначенное для решения задач управления разными типами электроприводов и оборудованием ПС, а также организации бортовых вычислительных сетей,
содержащее центральный микроконтроллер (ЦМК), оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, подключенные к системной шине ЦМК, драйвер отладочного интерфейса ЦМК, подключенный к первому порту ввода-вывода ЦМК, драйвер сетевого интерфейса для организации бортовой локальной вычислительной сети, подключенный ко второму порту ввода-вывода ЦМК, локальный синхронный последовательный канал связи (ЛСПКС), соединенный с третьим портом ввода-вывода ЦМК, дешифратор адресов устройств, подключаемых к ЛСПКС, соединенных входом с четвертым портом ввода-вывода ЦМК, а выходом с ЛСПКС, термометр в виде интегральной микросхемы входами-выходами соединенный с ЛСПКС, контролер индикации, подключенный первым портом ввода-вывода к ЛСПКС, а вторым портом ввода-вывода соединенный с блоком индикации, контроллер последовательных интерфейсов, первым портом ввода-вывода соединенный с ЛСПКС, вторым - с блоком драйверов асинхронных последовательных интерфейсов, третьим - с драйвером асинхронного мультиплексного последовательного канала связи (АМПКС), постоянное запоминающее устройство для хранения служебных данных, входами-выходами соединенное с ЛСПКС, блок сопряжения интерфейсов, первым входом-выходом соединенный с ЛСПКС, а вторым - с первым входом-выходом драйвера бортового регистратора, который вторым входом-выходом соединен с портом ввода-вывода бортового регистратора, супервизор питания, выходами соединенный с входами питания ЦМК, энергонезависимые часы реального времени в виде интегральной микросхемы, портом ввода-ввода соединенные с пятым портом ввода-вывода ЦМК, генератор тактовых импульсов, входы-выходы которого соединены с входами-выходами тактирования ЦМК, локальную параллельную шину (ЛПШ) для подключения внешних устройств, соединенную с шестым портом ввода-вывода ЦМК, блок программируемой логики, первым входом-выходом соединенный с ЛПШ, вторым входом-выходом соединенный с ЛСПКС, третьим входом-выходом - с внешними устройствами, вход тактирования - с выходом генератора тактовых
импульсов, буферное устройство согласования, выполненное по принципу двухпортового ОЗУ, первым входом-выходом соединенное с системной шиной ЦМК, вторым входом-выходом - к ЛСПКС, третьим входом выходом - к внешним устройствам, четвертым входом-выходом - с первым портом ввода-вывода вспомогательного микроконтроллера (ВМК), который вторым портом ввода-вывода соединен с ЛСПКС, третьим портом ввода-вывода - с портом ввода-вывода блока аналого-цифрового преобразования (АЦП), который входами соединен с бортовыми источниками информации, четвертым портом ввода-вывода - с внешними устройствами.
Указанное устройство обладает рядом существенных недостатков.
Во-первых, в нем отсутствуют средства защиты от несанкционированного доступа с целью чтения и изменения программного обеспечения (ПО) и служебной информации, внедрения информационных инфекций (вирусов, логических бомб).
Во-вторых, отсутствуют средства диагностики и контроля работы функциональных блоков устройства.
Задачей изобретения является преодоление выявленных недостатков для создания устройства с функциями защиты информации, диагностики и контроля работы функциональных блоков.
Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее центральный микроконтроллер (ЦМК), оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство, подключенные к системной шине ЦМК, драйвер отладочного интерфейса ЦМК, драйвер сетевого интерфейса для организации бортовой локальной вычислительной сети, локальный синхронный последовательный канал связи (ЛСПКС), дешифратор адресов устройств, подключаемых к ЛСПКС, термометр в виде интегральной микросхемы, контролер индикации, соединенный с блоком индикации, контроллер последовательных интерфейсов, блок драйверов асинхронных последовательных интерфейсов, драйвер асинхронного мультиплексного последовательного канала связи (АМПКС), постоянное запоминающее устройство
для хранения служебных данных, блок сопряжения интерфейсов, драйвер бортового регистратора, который соединен с бортовым регистратором, супервизор питания, энергонезависимые часы реального времени в виде интегральной микросхемы, генератор тактовых импульсов, локальную параллельную шину (ЛПШ) для подключения внешних устройств, блок программируемой логики, буферное устройство согласования, выполненное по принципу двухпортового ОЗУ, вспомогательный микроконтроллер (ВМК), блок АЦП, который входами соединен с бортовыми источниками информации, введен блок защиты информации, контроля и диагностики (БЗИКД), включающий центральный процессор, сопроцессор, связанные локальной шиной, оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство для хранения программ, постоянное запоминающее устройство для хранении данных, таймер реального времени, блок интерфейса терминала безопасности, блок интерфейса отладочной ЭВМ, блок интерфейса параллельной локальной шины, блок интерфейса бортовой вычислительной сети, блок интерфейса отладочного канала ЦМК, блок интерфейса системной шины ЦМК, блок интерфейса вспомогательного микроконтроллера, блок интерфейса локального синхронного последовательного канала связи, блок интерфейса мультиплексного асинхронного последовательного канала связи, блок интерфейса подсистемы безопасности контроля и диагностики более высокого уровня, объединенные внутренней системной шиной, выполненный в одной, физически защищенной от несанкционированного доступа среде, например, в виде однокристального микроконтроллера общего назначения со встроенными средствами защиты от несанкционированного доступа, защищенного микроконтроллера со специальными функциями защиты информации или специализированной интегральной микросхемы, причем, блок интерфейса терминала безопасности соединен с бортовым терминалом безопасности на пульте машиниста, блок интерфейса отладочной ЭВМ соединен с отладочным компьютером или специализированным оборудованием для отладки и диагностики, блок интерфейса параллельной локальной шины подключен к
параллельной локальной шине ЦМК, блок интерфейса бортовой вычислительной сети подключен к бортовой вычислительной сети, блок интерфейса отладочного канала ЦМК подключен к драйверу отладочного интерфейса ЦМК, в результате чего подключение к отладочному каналу внешнего оборудования возможно только через БЗИКД, блок интерфейса системной шины ЦМК подключен к системной шине ЦМК, блок интерфейса вспомогательного микроконтроллера подключен к пятому порту ввода-вывода ВМК, блок интерфейса локального синхронного последовательного канала связи подключен к ЛПСКС, блок интерфейса асинхронного мультиплексного последовательного канала связи подключен к АМПКС, блок интерфейса подсистемы безопасности контроля и диагностики более высокого уровня подключен к соответствующей подсистеме.
Техническим результатом, достигаемым за счет новых признаков, введенных в устройство-прототип, является обеспечение функции защиты от несанкционированного копирования и использования, а также несанкционированной и случайной модификации технологического программного обеспечения, защиту от несанкционированного доступа с целью чтения/загрузки служебной информации, обновления ТПО, диагностику функциональных блоков устройства и контроль хода выполнения программ центрального микроконтроллера, вспомогательного микроконтроллера и других процессорных устройств бортовой сети.
На фигуре показана функциональная схема предлагаемого устройства.
Микропроцессорное устройство для бортовых информационно-управляющих систем (БИУС) подвижного состава (ПС) железных дорог (ЖД) с защитой информации и самодиагностикой содержит центральный микроконтроллер (ЦМК) 1, оперативное запоминающее устройство 2, постоянное запоминающее устройство 3, подключенные к системной шине ЦМК 4, драйвер отладочного интерфейса 5, подключенный к первому порту ввода-вывода ЦМК, драйвер сетевого интерфейса 6 для организации бортовой локальной вычислительной сети 7, подключенный ко второму порту ввода-вывода
ЦМК 1, локальный синхронный последовательный канал связи (ЛСПКС) 8, соединенный с третьим портом ввода-вывода ЦМК 1, дешифратор адресов устройств 9, подключаемых к ЛСПКС, соединенных входом с четвертым портом ввода-вывода ЦМК 1, а выходом - с ЛСПКС 8, термометр в виде интегральной микросхемы 10, входами-выходами соединенный с ЛСПКС 8, контролер индикации 11, подключенный первым портом ввода-вывода к ЛСПКС 8, а вторым портом ввода-вывода соединенный с блоком индикации 12, контроллер последовательных интерфейсов 13, первым портом ввода-вывода соединенный с ЛСПКС 8, вторым - с блоком драйверов асинхронных последовательных интерфейсов 14, третьим - с драйвером 15 асинхронного мультиплексного последовательного канала связи 16, постоянное запоминающее устройство для хранения служебных данных 17, входами-выходами соединенное с ЛСПКС 8, блок сопряжения интерфейсов 18, первым входом-выходом соединенный с ЛСПКС 8, а вторым - с первым входом-выходом драйвера бортового регистратора 19, который вторым входом-выходом соединен с портом ввода-вывода бортового регистратора 20, супервизор питания 21, выходами соединенный с входами питания ЦМК 1, энергонезависимые часы реального времени 22 в виде интегральной микросхемы, портом ввода-ввода соединенные с пятым портом ввода-вывода ЦМК 1, генератор тактовых импульсов 23, входы-выходы которого соединены с входами-выходами тактирования ЦМК 1, локальную параллельную шину (ЛПШ) 24 для подключения внешних устройств 25, соединенную с шестым портом ввода-вывода ЦМК 1, блок программируемой логики 26, первым входом-выходом соединенный с ЛПШ 24, вторым входом-выходом соединенный с ЛСПКС 8, третьим входом-выходом - с внешними устройствами 25, вход тактирования - с выходом генератора тактовых импульсов 23, буферное устройство согласования 27, выполненное по принципу двухпортового ОЗУ, первым входом-выходом соединенное с системной шиной ЦМК 4, вторым входом-выходом - к ЛСПКС 8, третьим входом выходом - к внешним устройствам 28, четвертым входом-выходом - с первым портом ввода-вывода
вспомогательного микроконтроллера (ВМК) 29, который вторым потом ввода-вывода соединен с ЛСПКС 8, третьим портом ввода-вывода - с портом ввода-вывода блока аналого-цифрового преобразования (АЦП) 30, который входами соединен с бортовыми источниками информации, четвертым портом ввода-вывода - с внешними устройствами 28, блок защиты информации, диагностики и контроля 31, включающий центральный процессор 32, сопроцессор 33, соединенные локальной шиной 34, оперативное запоминающее устройство 35, постоянное запоминающее устройство для хранения программ 36, постоянное запоминающее устройство для хранении данных 37, таймер реального времени 38, блок интерфейса терминала безопасности 39, соединенный с терминалом безопасности (ТБ) на пульте машиниста 40, блок интерфейса отладочной ЭВМ 41, соединенный с отладочным компьютером или специализированным оборудованием для отладки и диагностики 42, блок интерфейса параллельной локальной шины 43, подключенный к параллельной локальной шине ЦМК 24, блок интерфейса бортовой вычислительной сети 44, соединенный с бортовой вычислительной сетью 7, блок интерфейса отладочного канала ЦМК 45, соединенный с драйвером отладочного интерфейса ЦМК 5, блок интерфейса системной шины ЦМК 46, соединенный с системной шиной ЦМК 4, блок интерфейса вспомогательного микроконтроллера 47, соединенный с пятым портом ввода-вывода ВМК 28, блок интерфейса локального синхронного последовательного канала связи 48, соединенный с ЛПСКС 8, блок интерфейса мультиплексного асинхронного последовательного канала связи 49, соединенный с АМПКС 16, блок интерфейса подсистемы безопасности контроля и диагностики более высокого уровня 50, объединенные внутренней системной шиной 51.
Устройство работает следующим образом. При включении питания БЗИКД 31 осуществляет захват системной шины ЦМК 4 и выполняет процедуру верификации ПО, записанного в ПЗУ 3. В случае обнаружения изменений БЗИКД 31 посылает соответствующее сообщение на ТБ 40 и осуществляет восстановление ПО. Затем, управляя отладочным каналом ЦМК с помощью
блока интерфейса отладочного канала 45 БЗИКД 31 осуществляет диагностику ЦМК 1. После этого осуществляется идентификация и контрольное тестирование всех подключенных к бортовым каналам связи и интерфейсам устройств и функциональных блоков. В случае обнаружения ошибок и сбоев соответствующие сообщения выводят на терминал безопасности 40.
В случае успешного завершения всех диагностических процедур устройство переходит в основной режим работы, заключающийся в выполнении алгоритмов управления тяговым приводом и оборудованием ПС. Для этого устройство воспринимает команды от внешних устройств 25, 28 (пульта машиниста, подсистемы более высокого уровня - например, автоведения или комплексов централизованного управления движением), обрабатывает сигналы от бортовых информационных источников и в соответствии с заложенной программой, реализующей заданные алгоритмы, осуществляет выработку управляющих воздействий, которые выдаются на внешние устройства 25, 28 (блоки драйверов исполнительного оборудования).
Параллельно с основными алгоритмами управления осуществляются алгоритмы безопасности:
- контроль хода выполнения программ ЦМК 1, ВМК 29 и других процессорных устройств бортовой сети осуществляется посредством передачи данными устройствами контрольного кода устройству защиты режиме реального времени;
- для защиты ПО ЦМК 1 от несанкционированного копирования с последующим использованием и распространением реализуется алгоритм аутентификации реального времени центральным микроконтроллером 1 БЗИКД 30. Для этого в состав ПО ЦМК 1 предварительно внедряются программные модули защиты. В случае многократного невыполнения процедуры аутентификации модулями защиты в составе ЦМК принимается решение о возникновении несанкционированной ситуации и включатся механизмы защиты, которые реализуют постепенную деградацию (самоуничтожение)
ПО. Процедура аутентификации может основываться на симметрично криптографическом алгоритме, например, ГОСТ 28147-89.
Для перехода в режим отладки, предполагающем возможность изменения ПО, чтения/записи служебной информации, отладочная ЭВМ 42 подключается к порту ввода-вывода блока интерфейса отладочной ЭВМ 41 БЗИКД 31 и вводит код доступа (пароль). После проверки правильности введенного кода устройства устройство предоставляет отладочной ЭВМ 42 соответствующие полномочия. В случае необходимости обновления ПО запускается соответствующая процедура, предусматривающая изменение соответствующего контрольного кода верификации и записи в ПЗУД 37 БЗИКД 31 резервной копии ПО ЦМК 1.
Таким образом, введение в заявляемое устройство блока защиты информации, диагностики и контроля позволяет придать устройству новые функции:
- защиту технологического программного обеспечения устройства от несанкционированного копирования и использования;
- защиту технологического программного обеспечения устройства от несанкционированной и случайной модификации;
- защиту от несанкционированного доступа с целью чтения/загрузки служебной информации и обновления технологического программного обеспечения;
- диагностику функциональных блоков устройства;
- контроль хода выполнения программ центрального микроконтроллера, вспомогательного микроконтроллера и других процессорных устройств бортовой сети.