Scalable Multichannel Wireless Sniffer. Referenten: Dominic Ast ( asdo@zhaw.ch ) Markus Hutzler ( hutz@zhaw.ch )

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1 Scalable Multichannel Wireless Sniffer Referenten: Dominic Ast ( asdo@zhaw.ch ) Markus Hutzler ( hutz@zhaw.ch )

2 Inhalt Wer wir sind Einführung Gesamtsystem Sniffer RF-Module Parallax Propeller COGs Datenmanagement Timing und Zeitstempel Synchronisierung mehrerer Sniffer Netzwerk PC-Software Fragen

3 Wer wir sind InES Institute of Embedded Systems, Winterthur Gehört zur School of Engineering, ZHAW Tätigkeitsgebiete Zeitsynchronisation mittels IEEE 1588 Redundancy Protocols (MRP, PRP) Audio/Video Bridge Ultra Wide Band Communication FPGA Implementationen Profinet (PNIO, easyirt, easyio) Ethernet Powerlink

4 Wer wir sind Wireless System Group Wireless Technologies IEEE Bluetooth, Bluetooth Low Energy ZigBee 6LoWPAN Proprietäre Systeme Low Power Anwendungen Energy Harvesting

5 Einführung Problematik und Abgrenzung Wenn ein Funknetz entweder auf unterschiedlichen Frequenzen betrieben wird oder sich ein Netzwerk zu weit ausdehnt, um mit einem Sniffer observiert zu werden, können Probleme entstehen. Mehrere Sniffer sind teuer. Software zur Visualisierung der Pakete ist nicht für mehrere Sniffer ausgelegt. Die Sniffer haben keine gemeinsame Zeitbasis und können daher nicht zeitlich synchronisiert werden. Diese Problematik wurde mit dem vorliegenden Projekt angegangen.

6 Einführung Problematik und Abgrenzung Auch wenn die Konzeption generell für PAN Netzwerke (Personal Area Network) anwendbar sind, wurde ein Produkt mit folgenden Rahmenbedingungen entworfen: PHY- und MAC-Layer basieren auf dem Standard IEEE Einfache Migration auf einen anderen kabellosen WPAN Standard Kostengünstige embedded Hardware Einsatz von Standard Komponenten Modularer und erweiterbarer Aufbau der Hardware Auf dem IEEE Standard basieren Technologien wie ZigBee oder 6LoWPAN.

7 Einführung Funktionalität und Fokus Der entwickelte Sniffer ist in der Lage bis zu 5 Kanäle gleichzeitig aufzuzeichnen, innerhalb des gennannten Umfeldes. Dabei liegt der Fokus auf der zeitlichen Synchronisierung der empfangenen Pakete und auf folgenden weiteren Eigenschaften: Gleichzeitiges und kontinuierliches Abtasten von bis zu 5 Kanälen. Jedes Datenpaket wird mit einem Zeitstempel versehen, der eine Auflösung von 1 us relativ zu allen anderen Paketen einhält. Es ist möglich, verschiedene Sniffer gleichzeitig einzusetzen. So kann man grössere Netzwerke observieren oder auch weitere Kanäle überwachen. Senden von Paketen ist möglich.

8 System Gesamtübersicht Sniffer bringt die empfangenen Pakete in eine vom Computer lesbare Form. Applikation konfiguriert den Sniffer, filtert empfangene Pakete und zeigt sie dem Benutzer an. Netzwerk bietet die Infrastruktur, um die Daten vom Sniffer an die Applikation zu übertragen.

9 Sniffer Übersicht Slots für RF-Module. Es wird erkennt, ob sich in einem Slot ein Modul befindet oder nicht. 1. Parallax Propeller MCU (P8X32A) Microchip Ethernet MAC und 10BASE-T PHY mit SPI Interface (ENC28J60) FTDI USB UART IC (FT232RL) 256 Kbit EEPROM mit I2C Interface (24LC256)

10 Sniffer RF-Module Als Radio Receiver und Transmitter wird ein Standardmodule von Microchip mit einem CC2420 Chip von Texas Instruments verwendet. IEEE konform 128 Byte Transmit- und Receive-FIFO Serielle SPI Schnittstelle mit einer Clock bis zu 10 MHz Signalisiert «start of frame» auf einem Interrupt Pin Um festzustellen, ob in einem Slot ein Module verfügbar ist, wird versucht die «Device-ID» auszulesen.

11 Sniffer Parallax Propeller Als embedded Microcontroller wird der Propeller P8x von Parallax verwendet. Hauptsächlich, weil dieser über 8 autonome Kerne verfügt. Er weist folgende Eigenschaften auf: 8 proprietäre Prozessor-Kerne (COGs) 80 MHz maximale Taktfrequenz 2 Counter pro COG 512x32Bit RAM pro COG (Register, Stack und Programmcode) 32 kbyte globales RAM Mechanismus zur Synchronisierung der Zugriffe auf globalen Speicher (HUB) mit8 Lock-Bits, die als Semaphoren verwendet werden können. 32 Bit breiter Datenbus 32 I/O Leitungen, die von den COGs direkt angesprochen werden können System Counter lesbar von allen COGs

12 Sniffer Parallax Propeller Für einen Zugriff auf das globale RAM / ROM muss man jeweils auf einen «Token» warten.

13 Sniffer Aufteilung der COGs 5 der 8 COG s der Propellers werden für die RF-Module verwendet 1 COG für den NIC-Treiber 1 COG für den RTC 1 COG für die Steuerung

14 Sniffer RTC COG Die Hauptaufgabe des RTC COGs ist das Unterhalten eines Timestamps mit dem die eingegangenen Frames schliesslich markiert werden. Dafür werden 8 Byte im globalen RAM reserviert. Systemzeit in Sekunden System counter Die Sekunden werden periodisch neu geschrieben (~1s). «System counter» enthält Wert, wann die Sekunden geschrieben wurden. Daraus und aus dem aktuellen Wert des System counters kann ein anderer COG einen Timestamp berechnen. Da die 8 Byte zwei Lesebefehle benötigen, müssen diese synchronisiert sein. Als zweite Aufgabe generiert dieser COG das CLK Signal für alle RF-Module und ein weiteres Signal «CS_setup» über das sich die RF COGs synchronisieren können. SPI Clock für alle RF-Module Synchronisation für RF COGs

15 Sniffer NIC COG Die Aufgabe des NIC COGs besteht darin, Ethernet Frames über SPI an den MAC zu übergeben. Er enthält jedoch keine Logik, die die Pakete analysiert oder in irgend einer Weise manipuliert. Zu Beginn wird der MAC und der PHY zudem initialisiert. Für den Austausch von Daten mit anderen COGs wurde Platz für ein Ethernet Frame im globalen RAM reserviert (pkg[1600]), zudem gibt es zwei Flags «RX» und «TX». Die Zugriffe werden mit einem Lock synchronisiert.

16 Sniffer Main COG Das Hauptscript übernimmt die Steuerung und kontrolliert Den Fluss der Daten zwischen dem NIC COG und den verschiedenen RF COGs. Hier werden zudem die meisten Speicherberieche im globalen RAM reserviert und die anderen COGs schliesslich gestartet. Eingegangene Ethernet Frames werden verarbeitet und allenfalls eine Antwort vorbereitet. Neue Konfigurationen oder Transmit-Daten für ein RF- Modul werden in einen globalen Speicherbereich geschrieben. Die FIFO der RF Module wird überwacht und eingegangene RF-Pakete verpackt und an den NIC COG weitergegeben.

17 Sniffer Main COG Zugriffe auf das globale RAM sind gelockt.

18 Sniffer RF COGs Wenn ein RF-Module Daten empfängt, müssen diese so schnell wie möglich an den entsprechenden COG gesendet werden. Dass Daten eingehen, wird vom RF- Module mit einem separaten Pin signalisiert. Schliesslich wird das empfangene Frame in eine FIFO geschrieben. Die RF COGs können drei unterschiedliche States annehmen: Sleep Mode: Befehl «SXOSCOFF» wird geschickt und das RF-Module in einen Power-Down Modus versetzt die SPI Funktionalität bleibt erhalten. RX Mode: Befehl «SRXON» wird an das RF-Module geschickt und die RX-FIFO des Baustein gelöscht. Wird ein Paket empfangen, das nicht dem IEEE Standard entspricht, wird ein leerer Eintrag in die FIFO geschrieben und entsprechen markiert. TX Mode: Befehl «STXON» wird an das RF-Module geschickt. Im globalen RAM liegt neben einem Bereich für die Konfiguration auch ein Bereich mit Transmit- Daten. Diese werden dem Transmitter über SPI übertragen.

19 Sniffer RF COGs Für jedes RF-Module befindet sich im globalen RAM ein Bereich mit der Konfiguration: Das Feld «Mode» wird von den RF COGs observiert und mit jedem Wechsel die gesamte Konfiguration auf dem RF-Modul aktualisiert. Device: Typ der RF-Modules 0xFF für «Kein Device» und 0x01 für «CC2420» Mode: Aktueller bzw. neuer Modus CH: RX bzw. TX Kanal 0x00 0x0F TH: Threshold-Wert PWR: Sendestärke ATX Mode: Modus nach einem Sendedurchlauf Res: Reserviert TX-Count: Anzahl Transmit Durchläufe TX-Delay: Verzögerung von Transmit TX-Data: Transmit Daten CCA: Clear Channel Assessment

20 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. Sniffer Datenmanagement 1. Ein wichtiger Aspekt des Sniffers ist, wie er mit dem Datenverkehr umgeht. Dabei stehen zwei Arten von Datenströmen im Fokus: Eingegangene Datenpakete der RF-Module, die über den NIC weitergeleitet werden sollen. 1. Konfiguration der RF-Module und Daten, die per Funkt ausgesendet werden sollen. Diese Transaktionen werden üblicherweise von der PC-Software aus getriggert. 2. Das Volumen der eingegangenen RF-Daten ist wesentlich höher, daher wird hier ein FIFO eingesetzt. Die Konfiguration passiert über fixe Speicherbereiche. 2.

21 Sniffer Timing und Zeitstempel Die Zeitstempel sollen eine Genauigkeit von 1 Mikrosekunde nicht unterschreiten. Mit einer Taktfrequenz von 80 MHz muss ein «start of frame» innerhalb von 80 Taktzyklen erkennt werden. Dies ist innerhalb von 5 Zyklen möglich und stellt kein Problem dar. Ein Problem kann aber die Zeit zwischen zwei eingehenden Paketen, die «aturnaroundtime» sein. Diese ist bei IEEE spezifiziert und sollte 192us nicht unterschreiben. Spätestens nach dieser Zeit muss ein neues Frame erkennt werden können. Wenn ein «start of frame» erkennt wird, kann nach ca. 4 ms die Länge der erwarteten Daten berechnet werden. So kann das Timing für den SPI-Transfer berechnet werden und die RX FIFO des CC2420 direkt nach Empfang des Pakets gelöscht werden.

22 Sniffer Timing und Zeitstempel SPI Chip-Select «start of frame» SPI Chip-Select 1. «Start of frame» wird erkannt und der Zeitspempel vergeben. 2. Nach ca. 4 ms wird die Länge des erwarteten Paketes über SPI gelesen 3. Nach einer berechneten Zeit wird der Rest des Paketes gelesen. 4. Datenpaket in FIFO legen «start of frame» kann wieder erkannt werden. 5. RX Buffer des RF-Moduls wird zurückgesetzt dieses ist nun wieder empfangsbereit.

23 Sniffer Synchronisierung mehrerer Sniffer Alle Sniffer sind über Ethernet miteinander verbunden, sie haben jedoch keine gemeinsame Zeitbasis für die Timestamps. Es gibt unterschiedliche Arten, wie eine solche gemeinsame Zeitbasis geschaffen werden kann. NTP (Network Time Protocol): Kann mit einer Genauigkeit von ca. 200 us in einem lokalen Netzwerk die Anforderungen nicht erfüllen und muss daher ausgeschlossen werden. GPS (Global Positioning System): Die Genauigkeit von GPS würde grundsätzlich ausreichen. Jedoch benötigt diese Variante zusätzliche Hardware und vor allem müssen sie die GPS Signale empfangen. PTP (Precision Time Protocol): PTP stellt als Hardwareausführung eine Genauigkeit von Nanosekunden und als Softwarevariante im Bereich von wenigen Mikrosekunden zur Verfügung. Synchronisierung über mehrere Subnetze oder das Internet kann mit PTP nicht realisiert werden.

24 Sniffer Synchronisierung mehrerer Sniffer Eine vierte proprietäre Variante geht davon aus, dass sich die verschiedenen Sniffer im Empfangsbereich überlappen und daher ein Teil der Pakete mehrfach empfangen werden. In diesem Fall ist es der PC-Software möglich, die Deltas zwischen den unterschiedlichen Timestamps zu ermitteln und zu korrigieren.

25 Ethernet Protokoll Stack Die maximal 2 kbyte für Programmspeicher und RAM der COGs reichen nicht für einen vollständigen Ethernet Stack. Auch eine vereinfachte TCP Variante ist nicht realisierbar schon nur, weil der Buffer für Retransmissions kaum bereitgestellt werden kann. So wurden die unterstützten Protokolle auf das wesentliche reduziert und davon auch nur die wirklich gebrauchten Teile implementiert: ARP: Die Umsetzung von IP Adresse auf die MAC Adresse ist unumgänglich innerhalb eines IP Netzwerks und wurde daher implementiert. ICMP: Die Typen 0 (Echo Reply) und 8 (Echo Request) und damit der «Ping» werden vom Sniffer unterstützt. UDP: Wird verwendet zur Datenübertragung, weil es wohl das einfachste Protokoll auf IP-Basis ist.

26 Ethernet Datenaustausch Damit verlorene UDP Frames detektiert werden können, inkrementiert der Sniffer eine Sequenznummer jeweils. Der Datenaustausch zwischen PC und Sniffer geschieht mit 5 unterschiedlichen Frames: Verbindungskontrolle (Typ 0): Connect, Disconnect und Echo RX-Data Frame (Typ 1): Aufgezeichnetes RF-Paket wird an den PC geschickt. Neben den Daten wird auch der Timestamp, der Kanal und der Slot mitgeschickt. Es gibt zudem Error Flags, wenn der SDF (start of frame delimiter) zu spät er kannt wurde, ein Frame verloren gegangen ist, weil die FIFO voll war oder ein empfangenes Frame ungültig war. TX-ACK Frame (Typ 2): Wird nach jedem gesendeten RF-Paket an den PC als Bestätigung verschickt. SET Frame (Typ 3): Ändert die aktuelle Konfiguration des Sniffers oder von einem der RF-Module So werden auch Daten zum verschicken registriert. GET Frame (Typ 4): Konfiguration des Sniffers oder eines RF-Moduls anfordern.

27 PC Software Sniffer und RF-Module Die Java Software ist auf allen gängigen Plattformen lauffähig, die über eine Java- Runtime und einen UDP Stack verfügen.

28 PC Software RX Daten Anzeigen

29 PC Software Daten senden

30 Fragen?

31 Merci Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit