Беспроводной интерфейс - Bluetooth

 

Министерство  образования и науки Украины

Национальный  аэрокосмический университет

им. Н.Е. Жуковского «ХАИ»

 

Кафедра компьютерных систем и сетей

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Беспроводной интерфейс - Bluetooth »

по курсу  «Интерфейсы»

 

ХАІ.503.535a.11O.050102, 0905092 ПЗ

 

 

 

 

 

 

	Выполнила:	студентка гр. 535а	Лобейко А.В.
		подпись	дата
	Проверил:		Галькевич А.А.
		подпись	дата

Харьков 2011

 

Содержание:

1. Введение
2. Как появилось название Bluetooth
3. Физическая структура

• Стек протоколов;

• Каналы и слоты;

4. Безопасность

5. Пикосети
6. Инициализация Bluetooth соединения
7. Принцип действия интерфейса
8. Версии и их характеристики

• Bluetooth 1.0

• Bluetooth 1.1
• Bluetooth 1.2
• Bluetooth 2.0 +EDR
• Bluetooth 2.1
• Bluetooth 2.1+EDR
• Bluetooth 3.0 + HS
• Bluetooth 4.0

9. Профили Bluetooth

10. Области применения

• Ноутбуки;
• Мышь;
• Мобильные телефоны;
• Приемопередатчики;
• Bluetooth – гарнитура

11. Заключение

12. Список использованной литературы

 

Введение

Могут ли зубы быть голубыми?.. От природы  вряд ли, после посещения стоматологического кабинета - возможно. А вот потемневшими зубы бывают часто. Так, датский король викингов Harald Blutend (по-английски Bluetooth, а по-русски Голубой Зуб) получил  свое прозвище из-за потемневшего переднего  зуба (есть, правда, и другие версии). Этот король знаменит тем, что объединил  Данию и Норвегию. В его честь  названа технология, задуманная первоначально  как средство соединения компьютера и сотового телефона или других телекоммуникационных устройств между собой.

В начале 1998 года пять крупных компаний: Ericsson, Nokia , IBM, Intel и Toshiba - объединились, чтобы начать работу над созданием новой технологии беспроводной связи Bluetooth. 20 мая была сформирована специальная рабочая группа (Special Interest Group - SIG) для дальнейшего продвижения новой технологии на телекоммуникационном рынке. Любая компания, которая планирует разрабатывать устройства Bluetooth, может бесплатно войти в эту группу. В SIG уже состоит около 2000 компаний.

Как появилось название Bluetooth

 Своё название технология Bluetooth получила в честь короля викингов, котого звали Харольд Голубой Зуб. Такое прозвище ему дали из-за потемневшего переднего зуба. Харольд жил в Дании более тысячи лет назад и вошёл в историю благодаря тому, что объединил данов и принёс им христианство. И, как напоминание о ведущей роли скандинавов в мобильной связи, компании Ericsson, IBM, Nokia и Toshiba назвали свою технологию, которая должна творить историю, именем воина воина-викинга.

Bluetooth позволяет  объединять в локальные сети  любую технику: от мобильного  телефона и компьютера до холодильника. При этом, одними из немаловажных  параметров новой технологии  должны были стать низкая стоимость  устройства связи - в пределах 20 долларов, соответственно небольшие  размеры (ведь речь идет о  мобильных устройствах) и, что  немаловажно, совместимость, простота  встраивания в различные устройства.  
В отличие от технологии инфракрасной связи IrDA (Infrared Direct Access), работающей по принципу "точка-точка" в зоне прямой видимости, технология Bluetooth разрабатывалась для работы как по принципу "точка-точка", так и в качестве многоточечного радиоканала, управляемого многоуровневым протоколом, похожим на протокол мобильной связи GSM. Bluetooth стала конкурентом таким технологиям, как IEEE 802.11, HomeRF и IrDA, хотя последняя и не предназначена для построения локальных сетей, но является самой распространенной технологией беспроводного соединения компьютеров и периферийных устройств. То есть в скором будущем Bluetooth может стать "стандартом де-факто" для беспроводных коммуникаций

Физическая структура

Стек  протоколов

Рис. 1

Bluetooth имеет  достаточно простую структуру  стека протоколов (рис. 1). Фактически  спецификация определяет только 5 уровней: физический (RF), базовый  (baseband, комбинация аппаратных и  программных функций), протоколы  управления каналом LMP и L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), сетевой уровень  и уровень приложений. Базовый  уровень включает в себя функции  формирования пакетов, передачи  и кодирования данных, коррекции  ошибок, управления каналами и  частотными скачками. Протокол управления  каналом LMP обеспечивает аутентификацию, инициализацию соединений и шифрование. Управляющая информация LMP упаковывается в однослотовые фреймы.

Напарник LMP – L2CAP отвечает за процедуры формирования и сборки пакетов, которые здесь достигают внушительных размеров – только поле полезной нагрузки для L2CAP-пакета составляет 64 KB. Логично, что L2CAP не используется в случае синхронных коммуникаций – там нет необходимости в столь изощренном управлении. Как и LMP, L2CAP имеет свой формат пакетов для пересылки управляющей информации. Благодаря этому протоколу в Bluetooth существуют привычные для сетевых специалистов понятия пересылки данных с установлением соединения (данные направляются конкретному адресату, доставка гарантируется) и без него (широковещательная рассылка без контроля прохождения пакетов). Реализовано и туннелирование различных протоколов, для каждого из них резервируется отдельный логический канал. Венчает семейство протоколов SDP (Service Description Protocol) – единственное средство определения сервисов, предоставляемых удаленным устройством. С помощью команд протокола можно считать информацию из локальной базы данных сервисов узла и определить способ взаимодействия с ними. Каждый сервис является производной общего класса, который определяет структуру его описания и способ ее интерпретации. Например, описание мобильного телефона будет включать в себя тип его дисплея, набор навигационных клавиш и частотный диапазон приемопередатчика.

Один  из членов семейства остался в  стороне – HCI (Host Controller Interface), он отвечает за интеграцию низкоуровневых baseband-интерфейсов и клиентского программного обеспечения. HCI состоит из HCI Firmware и HCI Driver, взаимодействующих посредством Host Controller Transport Layer. HCI Firmware осуществляет вызов функций управления каналами и передачи данных, специфических для конкретного типа устройства. HCI Driver предоставляет унифицированный интерфейс для драйверов вышележащих сетевых уровней. Поскольку чип Bluetooth доступен по одному из стандартных аппаратных коммуникационных интерфейсов, Host Controller Transport Layer, согласно спецификации, поддерживает USB, UART и RS232.

Каналы  и слоты

Bluetooth – гибрид. И это не оскорбление, а точное определение физического уровня технологии, объединяющей в себе канальную и пакетную коммутацию. Обмен данными осуществляется с помощью техники Time-Division Duplex Multiple Access. Все 79 каналов функционируют на основе временных слотов длительностью 625 мкс, которые могут быть заняты каким-либо пакетом данных. Каждый пакет передается на ином канале, чем предыдущий – это и есть пресловутые частотные "скачки" (1600 в секунду). Пакеты уровня baseband, как правило, занимают один слот, хотя потенциально разрешается формировать фреймы в пять раз больше. Помимо "демократической" формы распределения слотов (асинхронные каналы, ACL Link – Asynchronous Connection-Less Link), существует и система квотирования, когда определенное их количество заранее отводится под трансляцию в реальном времени потоковых данных (синхронные каналы, SCO Link – Synchronous Connection-Oriented Link). В действительности физические ресурсы ограничены и возможна поддержка или одного асинхронного канала с пропускной способностью ~781 Kbps, или трех синхронных голосовых каналов емкостью по 128 Kbps.

Здесь приведены  суммарные максимальные значения пропускной способности при дуплексном обмене. Однако на деле все немного сложнее: для несимметричного асинхронного канала максимальная скорость передачи составляет всего 723,2 Kbps, при том, что  для обратного направления все  еще остается резерв в 57,6 Kbps. Для  симметричного варианта соединения пропускная способность в обоих  направлениях равна 433,9 Kbps. Синхронные каналы отличаются от асинхронных еще  и тем, что первые не поддерживают механизма обнаружения и повторной  передачи неверно принятых пакетов.

Соединения  бывают как типа "один к одному", так и "один ко многим", при этом один из узлов должен выполнять функции  мастера (master), а прочим отводится подчиненная функция (slave). Обязанности мастера сводятся к формированию канала (случайная последовательность частотных скачков, генерируемая на основе адреса устройства-мастера) и поддержке синхронной слотовой структуры. Несколько узлов, работающих на одной частоте и разделяющих общий канал, образуют пиконет (piconet). В принципе, существуют варианты сетей Bluetooth, когда некоторые узлы одной пиконет в то же время являются подчиненными или мастерами другой пиконет. Зоны действия перекрываются, общий эфирный ресурс распределяется по принципу разделения во времени – TDM (Time-Division Multiplexing). Такая структура носит название "скаттернет" (scatternet).

Предусмотрено несколько различных последовательностей  скачков, по пять для полного и  сокращенного частотного диапазонов. Отдельно прописаны алгоритмы для  запросов (inquiry), ответа на них, пейджинга (запрос со стороны мастера для  обнаружения или "пробуждения" устройства), ответа на пейджинговый запрос. Все они отличаются довольно часто  повторяющейся циклической структурой. Последний, самый длинный пятый  вариант описывает переключения частотных каналов для передачи данных.

 Стандартное  поле Access Code имеет длину 72 бита и оно содержит преамбулу, синхрослово и трейлер. Преамбула и синхрослово используются для синхронизации передатчика с приемником, а в целом поле Access Code может иметь различное значение в зависимости от ситуации, в которой оно было использовано. Во-первых, в варианте CAC (Channel Access Code) поле служит для идентификации и опроса узлов, принадлежащих пиконет. Код доступа формата CAC есть в составе каждого пакета, генерируемого в пиконет. С другой стороны, тип Inquire появляется в "лексиконе" узла, который пытается обнаружить все другие устройства в пределах досягаемости (General Inquire – GIAC) или же какой-либо определенный тип устройств (Dedicated Inquire – DIAC).

Синхрослово образуется из 24-битового адреса узла – мастера или иного инициатора соединения (paging). Алгоритм его вычисления гарантирует достаточно большое расстояние Хемминга (Hamming distance) между сгенерированными синхропоследовательностями (это означает, что даже при декодировании принятого с ошибками слова спутать "позывные" двух устройств сложно).

Трейлер – это своеобразная "буфер-прослойка" между Access Code и телом пакета. Он необходим для восстановления баланса постоянного тока (DC balance), поскольку на стыке разных полей часто возникают идущие подряд единицы или нули, что "сбивает с толку" приемник (теряется синхронизация).

Формат  заголовка пакета. AM_ADDR – это 3-битовый адрес устройства, внутренний для пиконет. В поле TYPE длиной 4 бита записывается тип пакета – интерпретация его содержимого зависит от характера соединения (ACL или SCO). Флажок FLOW (управление потоком) сбрасывается в 0, когда буфер устройства-приемника переполнен. В ARQN текущего фрейма записывается подтверждение (1) или неподтверждение (0) успешного приема предыдущего пакета. Стробирующий бит SEQN позволяет отсеивать ошибочно повторно переданные пакеты: для каждого нового пакета данных (имеющего поле контрольной суммы) данный бит инвертируется. Поле HEC подытоживает заголовок контрольной суммой его содержимого.

Все разнообразные  типы пакетов Bluetooth разбиты на четыре категории. В первую попали общие  для всех разновидностей соединений типы (NULL, POLL, FHS, DM1), три другие описывают  пакеты различной длины: во второй определяются однослотовые пакеты, а в четвертой  – занимающие пять временных слотов. Большинство типов пока не определены, но некоторые уже можно назвать. ID-пакеты имеют длину 68 бит и применяются для пейджинга и запросов. NULL-пакеты состоят только из полей Access Code и Header, играя роль подтверждений установления соединения или получения данных. Тип POLL аналогичен предыдущему за исключением того, что POLL-пакеты обязывают получателя ответить. Фактически так организуется обратная связь подчиненного узла с мастером.