Министерство  образования и науки Украины 
Национальный Технический Университет

«Харьковский  Политехнический Институт»

кафедра "Системы информации" 
 
 
 
 

       Курсовой  проект 

       по  дисциплине "Архитектура компьютерных сетей" 

       Технология Bluetooth 
 
 

 
 

       Харьков 2010

       Содержание 
 

 

 

        Введение 

       Настоящий курсовой проект посвящен одной из наиболее динамично развивающихся  беспроводных технологий связи, получившей широкую известность в мире как Bluetooth технология.

       В начале 1998 года Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia – крупнейшие компании компьютерного и телекоммуникационного рынка – объединились для совместной разработки технологии беспроводного соединения мобильных устройств. 20 мая 1998 года произошло официальное представление специальной рабочей группы (SIG – Special Interest Group), призванной обеспечить беспрепятственное внедрение технологии, получившей название Bluetooth. Вскоре в группу вошли 3COM/Palm, Axis Communication, Motorola, Compaq, Dell, Qualcomm, Lucent Technologies, UK Limited, Xircom. Сейчас группа включает в себя более 1400 компаний, принимающих участие в работе над бесплатной открытой спецификацией Bluetooth. Благодаря простоте и изяществу этой технологии, многие специалисты уверены, что Bluetooth не имеет конкуренции в области создания небольших локальных сетей и беспроводного объединения устройств в пределах дома, офиса или, скажем, автомобиля. 

       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  довольно распространенной технологией беспроводного соединения компьютеров и периферийных устройств. 

       Основной  идей новой технологии было предоставление возможности легкого и удобного беспроводного соединения различных  устройств и организации беспроводной локальной сети. Технология должна позволить пользователю организовывать обмен информацией и голосом между всевозможными устройствами, например настольным компьютером, КПК и сотовым телефоном. То есть, скажем, приходите вы в офис, а ваш КПК тут же автоматически синхронизирует адресную книгу и календарь с настольным ПК и передает новые контакты на ваш мобильный телефон. В перспективе, технология позволит объединять любые электронные устройства, вплоть до холодильников, стиральных машин, микроволновых печей и дверных замков (только представьте – ваш холодильник передает на ваш сотовый, что у него закончилось молоко, а тот в свою очередь, отправляет вашему КПК указание добавить молоко в список покупок). При этом, одними из немаловажных параметров новой технологии должны были стать низкая стоимость устройства связи, соответственно небольшие размеры (ведь речь идет о мобильных устройствах) и, что немаловажно, совместимость, простота встраивания в различные устройства. Собственно ради этого и была организована группа SIG, которая, помимо всего прочего, позволила множеству производителей объединиться, а не разрабатывать собственные, несовместимые друг с другом платформы.

       В курсовом проекте рассматриваются концепция, принципы построения, архитектура Bluetooth и технические аспекты установки соединения между bluetooth устройствами. Кроме этого показаны набор базовых протоколов, используемых в Bluetooth для передачи различных типов данных,  и существующие на сегодняшний день спецификации Bluetooth. 

 

        1 Концепция, принципы построения и архитектура Bluetooth  

       1.1 Концепция и основные положения технологии Bluetooth

       Bluetooth – это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Соединить можно все, что соединяется, то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth. Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.

       Bluetooth – это маленький чип, представляющий собой высокочастотный (2.4 – 2.48 ГГц) приёмопередатчик. Внешний вид модуля Bluetooth представлен на рис. 1.1.  

       

Рисунок 1.1 – Внешний вид модуля Bluetooth 

       Технология Bluetooth предусматривает три уровня защиты:

       1) Минимальная – данные кодируются общим ключом и могут приниматься любым устройством без ограничения.

       2) Защита на уровне устройства – в чипе прописывается уровень доступа, в соответствии с которым устройство может получать определенные данные от других устройств.

       3) Защита на уровне сеанса связи – данные кодируются 128-битными случайными номерами, хранящимися в каждой паре чипов, участвующих в конкретном сеансе связи.

 

        1.2 Принципы построения и функционирования Bluetooth

       Технология Bluetooth полностью открыта. Для исключения появления несовместимых устройств  разработаны подробные спецификации, включающие детальное описание методов  использования нового стандарта  и характеристики протоколов передачи данных. Упрощённая блок-схема bluetooth-связи представлена на рис. 1.2. 

 

       Рисунок 1.2 – Bluetooth-связь между хостами 

       Каждый  bluetooth-модуль содержит формирующую и приёмно-передающую аппаратуру, а также встроенное или "зашитое" программное обеспечение (Firmware). К последнему относится интерфейс хост-контроллера (HCI), менеджер связи (Link Manager), а также контроллер несущей частоты (Baseband). Связь модуля с хостом на физическом и канальном уровнях осуществляется с помощью шин USB, UART, PC Card и соответствующего встроенного ПО. К физическому уровню относится также радиолиния между модулями.

       Модуль  поддерживает приём-передачу данных и речевых сигналов. Связь между модулем и хост-контроллером производится с помощью высокоскоростного USB-интерфейса или UART/PCM-интерфейса. Когда используется USB-интерфейс, модуль является USB-ведомым прибором и поэтому не требует ресурсов персонального компьютера.

       Интерфейс хост-контроллера (ИХК) в модуле является командным интерфейсом. Хост через ИХК направляет команды, а в ответ принимает от модуля сообщения об их выполнении. Менеджер связи устанавливает необходимую конфигурацию ИХК.

       Технология  Вluetooth предполагает два вида связи: синхронную – SCO (Synchronous Connection Oriented) и асинхронную – ACL (Аsynchronous Connectionless). Первый вид, SCO, рассчитан на установление симметричного соединения "точка – точка" и служит преимущественно для передачи речевых сообщений. Скорость передачи информации SCO равна 64 Кбит/с. Второй, ACL, предназначен для пакетной передачи данных. Он поддерживает симметричные и асимметричные соединения типа "точка – много точек". Скорость передачи пакетной информации при ACL cоставляет порядка 721 Кбит/с. Пакеты данных имеют фиксированный формат. В начале блока находится 72-бит код доступа. Он может применяться, в частности, для синхронизации устройств. За ним следует 54-бит заголовок пакета, содержащий контрольную сумму пакета и информацию о его параметрах (например, о повторной передаче блока данных). Замыкает пакет область, непосредственно содержащая пересылаемую информацию. Размер этой области варьируется от 0 до 2745 бит.

       Основополагающим  принципом построения систем Bluetooth является использование метода расширения спектра при скачкообразном изменении частоты (FHSS – Frequency Hop Spread Spectrum). Весь выделенный для bluetooth-радиосвязи частотный диапазон 2,402…2,480 ГГц разбит на N частотных каналов (рис. 1.3а). Полоса каждого канала 1 МГц, разнос каналов – 140…175 кГц. Для кодирования пакетной информации используется частотная манипуляция (рис. 1.3б).

Рисунок 1.3 – Частотный диапазон Bluetooth (а) и способ кодирования пакетной информации (б) 

       Смена каналов производится по псевдослучайному закону с частотой 1600 Гц. Постоянное чередование частот позволяет радиоинтерфейсу Bluetooth транслировать информацию по всему диапазону ISM и избежать воздействия помех со стороны устройств, работающих в этом же диапазоне. Если данный канал зашумлён, то система перейдёт на другой, и так будет происходить до тех пор, пока не обнаружится канал, свободный от помех. На рис. 1.4 показана частотно-временная плоскость, иллюстрирующая одновременную работу трёх bluetooth-модулей. Модули работают тактами (слотами), длительностью 625 мкс. Каждому модулю в пределах каждого такта назначается соответствующий частотный канал и режим передачи или приёма.

      Когда пара любых bluetooth-устройств соединяется, то они образуют пикосеть. Аппарат, инициирующий связь, является ведущим (host, master), а остальные – ведомыми (slaves).

Рисунок 1.4 –  Частотно-временная диаграмма работы модулей Bluetooth 

       Обычно ведущим является тот модуль, который размещён в наиболее мощном устройстве, таком, как персональный компьютер или плата CPU мини-ЭВМ. Число модулей в пикосети не ограничивается, но в любой момент времени активны должны быть не больше восьми. Не существует разницы как в аппаратной, так и в программной части между ведущими и ведомыми устройствами. Любое из них может быть и тем и другим. Ведущее формирует пикосеть (в каждой сети оно только одно) и полностью контролирует трафик. Ведомые могут отсылать сообщения только в интервале "ведомые – ведущему" после того, как к ним обратился в предшествующий слот "ведущий – ведомым". Если в этом интервале у ведущего нет никакой информации для отправки ведомым, то он передает пакет только с кодом доступа и заголовком. Если в сети оказывается более 8 устройств, то будет сформирована вторая пикосеть и так далее. Предусмотрена координация трафика и между сетями. 

       1.3 Архитектура Bluetooth

       Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), состоящая  из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, расположенных в радиусе 10 м. В одной и той же комнате, если она достаточно большая, могут располагаться несколько пикосетей. Более того, они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла), как показано на рис. 1.5. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

   

Рисунок 1.5 – Связь пикосетей Bluetooth