Puertos USB en todos los sentidos (página 2)

Las señales del USB se transmiten en un cable de par trenzado con impedancia característica de 90 O ± 15%, cuyos hilos se denominan D+ y D-. Estos, colectivamente, utilizan señalización diferencial en full dúplex para combatir los efectos del ruido electromagnético en enlaces largos. D+ y D- suelen operar en conjunto y no son conexiones simples. Los niveles de transmisión de la señal varían de 0 a 0'3 V para bajos (ceros) y de 2'8 a 3'6 V para altos (unos) en las versiones 1.0 y 1.1, y en ±400 mV en alta velocidad (2.0). En las primeras versiones, los alambres de los cables no están conectados a masa, pero en el modo de alta velocidad se tiene una terminación de 45 O a tierra o un diferencial de 90 O para acoplar la impedancia del cable. Este puerto sólo admite la conexión de dispositivos de bajo consumo, es decir, que tengan un consumo máximo de 100 mA por cada puerto; sin embargo, en caso de que estuviese conectado un dispositivo que permite 4 puertos por cada salida USB (extensiones de máximo 4 puertos), entonces la energía del USB se asignará en unidades de 100 mA hasta un máximo de 500 mA por puerto.

Los cables de datos son un par trenzado para reducir el ruido y las interferencias.

Se usan dos tipos de conectores, A y B.  Ambos son polarizados (solo pueden insertarse en una posición) y utilizan sistemas de presión para sujetarse.  Los de tipo A utilizan la hembra en el sistema anfitrión, y suelen usarse en dispositivos en los que la conexión es permanente (por ejemplo, ratones y teclados).  Los de tipo B utilizan la hembra en el dispositivo USB (función), y se utilizan en sistemas móviles (por ejemplo, cámaras fotográficas o altavoces).  En general podemos afirmar que la hembra de los conectores A están en el lado del host (PC) o de los concentradores (hubs), mientras las de tipo B están del lado de los periféricos.

Se utilizan diámetros estándar para los hilos de alimentación del bus.  Para cada sección se autoriza una longitud máxima del segmento.  En la tabla se muestran estas distancias.

Compatibilidad y Conectores.

Tipos diferentes de conectores USB (de izquierda a derecha): micro USB macho, mini USB tipo B macho, Tipo B macho, Tipo A hembra, Tipo A macho

El estándar USB especifica tolerancias para impedancia y la pedancia de especificaciones mecánicas relativamente bajas para sus conectores, intentando minimizar la compatibilidad entre los conectores fabricados por la compañía una meta a la que se ha logrado llegar. El estándar USB, a diferencia de otros estándares también define tamaños para el área alrededor del conector de un dispositivo, para evitar el bloqueo de un puerto adyacente por el dispositivo en cuestión.

Las especificaciones USB 1.0, 1.1 y 2.0 definen dos tipos de conectores para conectar dispositivos al servidor: A y B. Sin embargo, la capa mecánica ha cambiado en algunos conectores. Por ejemplo, el IBM UltraPort es un conector USB privado localizado en la parte superior del LCD de los computadoras portátiles de IBM. Utiliza un conector mecánico diferente mientras mantiene las señales y protocolos característicos del USB. Otros fabricantes de artículos pequeños han desarrollado también sus medios de conexión pequeños, y ha aparecido una gran variedad de ellos, algunos de baja calidad.

Una extensión del USB llamada "USB-On-The-Go" (sobre la marcha) permite a un puerto actuar como servidor o como dispositivo esto determina por qué lado del cable está conectado al aparato. Incluso después de que el cable está conectado y las unidades se están comunicando, las 2 unidades pueden "cambiar de papel" bajo el control de un programa. Esta facilidad está específicamente diseñada para dispositivos como PDA, donde el enlace USB podría conectarse a un PC como un dispositivo, y conectarse como servidor a un teclado o ratón. El "USB-On-The-Go" también ha diseñado 2 conectores pequeños, el mini-A y el mini-B, así que esto debería detener la proliferación de conectores miniaturizados de entrada.

Topología

Los dispositivos USB adoptan una topología de estrella y se organiza por niveles a partir de un controlador host instalado en la placa base, que actúa de interfaz entre el bus de ésta (generalmente a la interfaz PCI ) y el primer dispositivo USB, el denominado concentrador raíz ("Root hub"), instalado también en la placa.  El controlador de host es único;  suele ser un chip Intel con una denominación como 82371AB/EB; 82801DB, etc.  Dada la proliferación de este tipo de dispositivos, las placas modernas pueden disponer de varios concentradores raíz, cada uno con su propia salida (generalmente 2 conectores del tipo "A" por cada uno de ellos).  Cada uno de estos concentradores se considera el origen de un bus (numerados sucesivamente a partir del 0), del que cuelgan los dispositivos en el orden en que son detectados por el Sistema.

El bus USB soporta intercambio simultáneo de datos entre un ordenador anfitrión y un amplio conjunto de periféricos.  Todos los periféricos conectados comparten el ancho de banda del bus por medio de un protocolo de arbitraje basado en testigos ("Tokens").  El bus permite conexión y desconexión dinámica, es decir, que los periféricos se conecten, configuren, manipulen y desconecten mientras el sistema anfitrión y otros periféricos permanecen en funcionamiento.

Nota: A pesar de lo anterior, dado que una vez instalados, los discos USB son contemplados como parte de sistema de ficheros, estos dispositivos requieren un tratamiento especial para su desconexión.  El proceso garantiza que los ficheros sean propiamente cerrados; que se grabe el contenido de las caches correspondientes; que (en su caso) las cabezas de lectura escritura se sitúen en sus zonas de aparcamiento, y que no puedan ser accedidos accidentalmente por otra aplicación mientras son retirados, lo que podría producir corrupciones en el sistema de ficheros.

En Windows, pulsando con el botón derecho del ratón sobre el icono de la unidad en el explorador y seleccionando "Expulsar".

En Linux, si estamos en un entorno gráfico (por ejemplo como KDE), podemos pulsar con el botón derecho sobre el icono de la unidad y seleccionar "Unmount". Si estamos en un entorno texto (Shell del sistema) podemos utilizar la orden umount (consulte el manual).  Generalmente este tipo de dispositivos se instalan en los directorios /mnt o /media.

En un bus USB existen dos tipos de elementos: Anfitrión ("host") y dispositivos; a su vez, los dispositivos pueden ser de dos tipos: concentradores y funciones.

• Los concentradores ("Hubs") son el centro de una estrella, y sirven para conectar con el sistema anfitrión, con otro hub o con una función.  Cada hub puede conectar hasta 7 dispositivos, aunque lo normal es que sean de 4 salidas, y proporcionar 500 mA de energía de alimentación (hasta 2.5 W) a cada uno de ellos, ya que el cable de conexión tiene hilos de señal (datos) y de alimentación (5 V. CC ± 0.25 V).

• Una función es un dispositivo capaz de transmitir o recibir datos o información de control en un bus USB, suele conectarse como un dispositivo independiente enlazado por un cable de menos de 5 metros, a un puerto del hub o directamente al sistema anfitrión.

De esta descripción se desprende que cada segmento del bus representa una conexión punto a punto de alguno de los tipos siguientes:

Sistema anfitrión   Función

Sistema anfitrión   Concentrador

Concentrador   Concentrador

Concentrador   Función.

Que un hub pueda estar conectado a otro hub, significa que pueden conectarse dispositivos en cascada;  el sistema soporta un total de 127 dispositivos.  Una característica importante es que el concentrador (hub), proporcionan la energía necesaria a la función por el cable de conexión (que transporta fuerza y datos), lo que evita la necesidad de fuentes de alimentación independientes a las funciones.

Funcionamiento

El bus serie USB es síncrono, y utiliza el algoritmo de codificación NRZI ("Non Return to Zero Inverted").  En este sistema existen dos voltajes opuestos;  una tensión de referencia corresponde a un "1", pero no hay retorno a cero entre bits, de forma que una serie de unos corresponde a un voltaje uniforme; en cambio los ceros se marcan como cambios del nivel de tensión, de modo que una sucesión de ceros produce sucesivos cambios de tensión entre los conductores de señal.

A partir de las salidas proporcionadas por los concentradores raíz (generalmente conectores del tipo "A") y utilizando concentradores adicionales, pueden conectarse más dispositivos hasta el límite señalado.

Nota: actualmente la mayoría de las placas-base incluyen un controlador USB integrado en el chipset.  Para sistemas antiguos que no dispongan de USB pueden instalarse tarjetas PCI (e incluso PC-CARD para portátiles) que incluyen un controlador de host y un concentrador raíz con varios conectores de salida.

El protocolo de comunicación utilizado es de testigo, que guarda cierta similitud con el sistema Token-Ring de IBM.  Puesto que todos los periféricos comparten el bus y pueden funcionar de forma simultánea, la información es enviada en paquetes;  cada paquete contiene una cabecera que indica el periférico a que va dirigido.  Existen cuatro tipos de paquetes distintos: Token; Datos; Handshake, y Especial; el máximo de datos por paquete es de 8; 16; 32 y 64 Bytes.  Se utiliza un sistema de detección y corrección de errores bastante robusto tipo CRC ("Cyclical Redundancy Check").

El funcionamiento está centrado en el host, todas las transacciones se originan en él. Es el controlador host el que decide todas las acciones, incluyendo el número asignado a cada dispositivo (esta asignación es realizada automáticamente por el controlador "host" cada vez que se inicia el sistema o se añade, o elimina, un nuevo dispositivo en el bus), su ancho de banda, etc.  Cuando se detecta un nuevo dispositivo es el host el encargado de cargar los drivers oportunos sin necesidad de intervención por el usuario.

El sistema utiliza cuatro tipo de transacciones que resuelven todas las posibles situaciones de comunicación.  Cada transacción utiliza un mínimo de tres paquetes, el primero es siempre un Token que avisa al dispositivo que puede iniciar la transmisión.

• Transferencia de control ("Control transfer"): Ocurre cuando un dispositivo se conecta por primera vez.  En este momento el controlador de host envía un paquete "Token" al periférico notificándole el número que le ha asignado.

• Transferencia de pila de datos ("Bulk data transfer"): Este proceso se utiliza para enviar gran cantidad de datos de una sola vez.  Es útil para dispositivos que tienen que enviar gran cantidad de datos cada vez, como escáneres o máquinas de fotografía digital.

• Transferencia por interrupción ("Interrupt data transfer"): Este proceso se utiliza cuando se solicita enviar información por el bus en una sola dirección (de la función al host).

• Transferencia de datos isócrona ("Isochronous data transfer"): Este proceso se utiliza cuando es necesario enviar datos en tiempo real.  Los datos son enviados con una cadencia precisa ajustada a un reloj,  de modo que la transmisión es a velocidad constante.

Nota: Las comunicaciones asíncronas ponen más énfasis en garantizar el envío de datos, y menos en su temporización ("cuando" llegan); por su parte las comunicaciones isócronas son justamente lo contrario, ponen más énfasis en la oportunidad de la transmisión que en la velocidad.  Esta sincronización es importante en situaciones como la reproducción de video, donde no debe existir desfase entre las señales de video y audio.

Ventajas sobre otros puertos

USB 1.1 tenía dos velocidades de datos: 12 Mbps para dispositivos de alta velocidad de procesamiento (unidades de disco) y de 1,5 Mbps para dispositivos de bajo ancho de banda (joysticks). USB 2.0 (Hi-Speed USB 2.0), introducido en 2002, aumentó el periférico-a-PC a la velocidad de 480 Mbps. Además de ofrecer muy alto-rendimiento de velocidad para dispositivos externos, sino que también mejora el rendimiento de las aplicaciones Web que pueden necesitar múltiples dispositivos de alta velocidad para funcionar simultáneamente. Una especificación de los últimos, USG 1.0a OTG (USB

On-The-Go), ha sido desarrollado dirigido a dispositivos portátiles que les ofrece un conector pequeño, de bajo consumo, y más importante, la limitada capacidad para comunicarse con otros periféricos USB sin PC huésped. Un periférico USB se conecta simplemente a un puerto y obras sin necesidad de instalar una tarjeta o encender el ordenador hacia abajo (los dispositivos USB son intercambiables en caliente). Aunque una fuente de alimentación independiente generalmente no es necesario para un dispositivo USB, éste deberá adjuntarse arriba ni a los PC host o un concentrador alimentado. En la USB, la configuración se produce de forma automática. Los controladores de gestión de software de controlador de host, ancho de banda, y adecuado de energía eléctrica. Controladores USB también han mejorado el rendimiento de dispositivos de control de juego (joysticks, etc), eliminando la pérdida de la calibración debido a la longitud del cable y la sobrecarga de la CPU – USB efectivamente reduce la sobrecarga de la CPU.

El USB casi ha reemplazado completamente a los teclados y ratones PS/2, hasta el punto de que un amplio número de placas base modernas carecen de dicho puerto o solamente cuentan con uno válido para los dos periféricos.

Para dispositivos multimedia como escáneres y cámaras digitales, el USB se ha convertido en el método estándar de conexión. Para impresoras, el USB ha crecido tanto en popularidad que ha desplazado a un segundo plano a los puertos paralelos porque el USB hace mucho más sencillo el poder agregar más de una impresora a una computadora personal.

Como bloquear puertos USB

Existen varias herramientas que nos permiten bloquear o mejor dicho tener el control de los puertos usb, entre ellas citamos a continuación dos de las más usadas actualmente.

La utilidad gratuita NetWrix USB Blocker te ayuda a tener un control centralizado para prevenir el acceso no autorizado de dispositivos de almacenamiento extraíbles que se conectan a la computadora por medio de los puertos USB, por ejemplo las memorias USB, discos duros portátiles, iPods, teléfonos celulares, cámaras digitales y otros dispositivos donde se pueda almacenar información. El tener el control del acceso a los puertos USB es muy importante para la seguridad, sobre todo si se trata de una computadora con datos sensibles de una empresa.

No importa que tan bueno sea tu antivirus o tu Firewall, los dispositivos de almacenamiento USB son muy peligrosos porque se pueden prestar para que se robe información de la empresa o puede ser una puerta de entrata de Malware que puede dañar o robar la información importante.

Para usar USB Blocker debes de descargar USB Blocker gratis e instálalo, después te aparecerá una ventana donde debes de marcar la opción "Block USB Devices", después escribe el nombre la red y haz click en OK.

En caso de que desees excluir ciertas computadoras de la red para que no se les bloqueen los puertos USB puedes marcar la casilla "Computers list to exclude" y agregarlas.

Quienes hayan probado y/o adquirido la última generación de ESET NOD32 Antivirus o ESET Smart Security, sabrán que son muchas las nuevas funcionalidades incorporadas. Una de ellas, se refiere netamente a la posibilidad de poder bloquear dispositivos de almacenamiento extraíble, u otro tipo de dispositivos, que interactúen con el sistema a través del puerto USB (memorias USB, cámaras filmadoras, fotográficas, iPod, telefonía celular, entre tantos otros).

Si bien en un principio, esta posibilidad puede parecer una funcionalidad trivial, se trata de todo lo contrario. Muchos de los lectores pueden sentirse identificados si les cuento que uno de los vectores más utilizados para la propagación de códigos maliciosos son los dispositivos del tipo USB, y que a muchos administradores de red causa, en muchos casos, importantes dolores de cabeza. En ambientes corporativos no sólo por el peligro que representa en materia de malware sino que también por el riesgo de ser un dispositivo masivamente empleado por su comodidad para el almacenamiento de archivos, lo que puede significar una herramienta utilizada en el robo de información.En consecuencia, las soluciones de seguridad de ESET antes mencionadas proporcionan una fácil y efectiva manera de prevenir este tipo de incidentes; que por defecto, se encuentra desactivada. Para acceder a ella y configurarla, debemos acceder a Configuración avanzadas del menú Configuración. Una vez dentro de esta ventana, deberemos navegar por las opciones ubicadas en el panel izquierdo hasta Configuraciones avanzadas nuevamente; y en la sección Medios extraíbles del sector derecho, tildar la opción Bloquear medios extraíbles.

En esa instancia, se habilitará el botón Excepciones desde el cuál podremos configurar los puertos que deseamos habilitar; es decir, si no exceptuamos, ESET NOD32 bloqueará todos los puertos USB.

Esta posibilidad es sumamente importante ya que en entornos corporativos, muchas veces, el administrador de red necesitará habilitar dispositivos como impresoras que se conecten en puertos USB, con lo cual podrá hacerlo a través de esta funcionalidad sin perder la capacidad de prevención de potenciales infecciones y otros problemas graves de seguridad como el robo de información.

Asimismo, desde el punto de vista funcional, el administrador podrá realizar un bloqueo masivo, discriminando los puertos USB que desea habilitar en cada nodo de red, a través de la consola de administración de ESET Remote Administrator.Por último, hay que tener en cuenta que los dispositivos USB, si bien son medios altamente explotados para la propagación de malware, no significa que sean maliciosos, por lo que tener la posibilidad de prevenir su aprovechamiento de manera maliciosa y ofrecer un nivel adecuado de seguridad sin sacrificar la funcionalidad de otros dispositivos, es una característica sumamente importante para la optimización y el resguardo de todo el entorno de información.

Herramientas USB

El foro de desarrolladores USB (USB-IF), ha publicado diversas herramientas para comprobación de las características de los dispositivos USB, entre las que se encuentran las siguientes:

• USBCV ("USB Command Verifier").  Es una herramienta de diagnóstico y verificación para comprobar que dispositivos USB de alta y baja velocidad se ajustan a las normas.

• USB Check.  Esta herramienta permite verificar dos enlaces; uno para comprobar dispositivos de alta velocidad funcionando a alta velocidad, y otro para comprobar dispositivos de velocidad completa y baja; también dispositivos de alta velocidad funcionando a velocidad completa.

• USBHTT ("USB2 Hub Transaction Translator Test Suite").  Es una herramienta de verificación para concentradores USB 2.0.

• USBHSET ("USB High Speed Electrical Test Tool Kit").  Este sistema de prueba contiene software y procedimientos diseñados para verificar diversos parámetros eléctricos, incluyendo la calidad de señal en dispositivos USB de alta velocidad.  Incluye también procedimientos detallados para comprobación de controladores host, concentradores y funciones USB de alta velocidad.  Este software también permite comprobar la calidad de señal en dispositivos de velocidad completa y baja, así como verificaciones de suministro energético.

Avance, evolución y productos USB

En los últimos meses 17 compañías de teléfonos celulares oficialmente hicieron el cambio aceptando los puertos micro USB como la conexión de recarga del teléfono celular. Esta decisión fue basada en las razones ya mencionadas. La lista incluye un interesante selección de miembros internacionales del GSMA, incluyendo 3 Group, AT&T, KTF, LG, mobilkom austria, Motorola, Nokia, Orange, Qualcomm, Samsung, Sony Ericsson, Telecom Italia, Telefónica, Telenor, Telstra, T-Mobile, y Vodafone.

Nexcopy anuncio recientemente USB200PC Dublicador USB. Esta unidad parece ser la manera más fácil y más económica de cargar contenido USB a tus memorias USB flash. La duplicadora USB es un sistema basado en PC el cual copia de una localización maestra a 20 puertos esclavos (slaves)..

iBUYPOWER lanzó esta dulce tarjeta interna para dispositivos USB. El punto de la expansión es proveer más poder a esos crecientes números de gadgets que pareces acumular.

La tarjeta incluye dos conectores internos USB pin-out y un conector USB-A. La tarjeta incluye un modulo bluetooth esto te permitirá conectar teclados, ratones y impresoras inalámbricas.

Hoy Verbatim esta anunciando que su nueva memoria USB llamada Tuff-N-Tiny.

Tiene el espesor de un centavo y aproximadamente el doble de largo, la memoria USB Esta memoria USB es increíblemente pequeña, porque tiene tecnología SIP la cual encapsula todos los componentes tecnológicos en una unidad miniaturizada y sellada. Como resultado, la pequeña memoria USB es resistente al polvo, agua y descargas estáticas.

Aquí un USB stick que descarga trabajos mientras tu PC mientras duerme.   Somniloquía.

El esfuerzo de un equipo entre la Universidad de California y el equipo de investigación de Microsoft vienen con el concepto de Somniloquía. Muchos usuarios mantienen sus PC por mucho tiempo en la noche sincronizándose, actualizando software antivirus, copias de respaldo de disco duro o descargando datos. Esta memoria USB esta diseñada para permitir que todas estas cosas pasen mientras esta en modo Sleep significa que se reduce el consumo de energía para estas actualizaciones importantes o esas jugosas descargas torrent.

El Somniloquía es dispositivo prototipo que empaqueta una entera PC de bajo rendimiento y con su propio sistema operativo en un USB del tamaño de un pulgar. Necesita solamente energía 1/10 comparada a una típica PC o computadora portátil.

Es justo decir que la mayoría del daño de una memoria USB ocurre mientras se usa en la computadora cuando se traba, se golpea o se jala en la dirección incorrecta. Para reducir las posibilidades de daño y aumentar la vida de tu memoria USB stick, el diseñador Damjan Stankovic viene con un dispositivo USB flexible.

El "USBee" es un nuevo prototipo el cual incluye un cuello flexible justo después del conector USB pero todavía es funcional para el uso de la memoria flash para almacenar datos. El USBee tiene la forma de una abeja (en inglés abeja se dice bee) y tiene un alambre delgado entre el conector USB y la memoria flash dando flexibilidad bajo presión.

Además, la tapa es de goma para un rápido acceso para el conector USB y rápida protección. Stankovic lo llama "lid-snap system." El USBee puede también torcerse, doblarse en cualquier dirección para protegerse así mismo de cualquier abuso.

Imation, es el primero en ofrecer un disco duro USB que es completamente inalámbrico. Bueno, excepto por el cordón de energía.

El Imation Apollo Pro WX es un disco duro inalámbrico con velocidad cercana a velocidad inalámbrica.

El Wi-Spy es el más pequeño analizador de espectros del mundo de 2.4GHz y es especialmente diseñado para los problemas en las redes Wi-Fi.  El Wi-Spy graba trazos de datos de la red inalámbrica y los reproduce para analizarlas.

Prolongador USB

Adaptador USB a PS/2

Otros diseños.

Autor:

Ing. Orlando Martínez Hernández

Universidad de Pinar del Río.

Hermanos Saíz Montes de Oca.