Компьютерные сети

Стандарт Bluetooth разработан группой Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), которая была организована по инициативе компании Ericsson. Стандарт Bluetooth также адаптирован рабочей группой IEEE 802.15.1 в соответствии с общей структурой стандартов IEEE 802.

В технологии Bluetooth используется концепция пикосети. Название подчеркивает небольшую область покрытия, от 10 до 100 м, в зависимости от мощности излучения передатчика устройства. В пикосеть может входить до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент времени быть активными и обмениваться данными. Одно из устройств в пикосети является главным, остальные — подчиненными (рис. 12.21).

Активное подчиненное устройство может обмениваться данными только с главным устройством, прямой обмен между подчиненными устройствами невозможен. Все подчиненные устройства данной пикосети, кроме семи активных, должны находиться в режиме пониженного энергопотребления, в котором они только периодически прослушивают команду главного устоойства лля пеоехола в активное состояние.
*
Несколько главных устройств(рассредоточенная сеть)

Несколько подчиненных устройств (один источник с несколькими приемниками)
Одно подчиненное устройство (двухточечное соединение)
Главное устройство
Подчиненное устройство
Устройство одновременно является и главным, и подчиненным
Рис. 12.21. Пикосеть и рассредоточенная сеть

Главное устройство отвечает за доступ к разделяемой среде пикосети, которая представляет собой нелицензируемые частоты диапазона 2,4 ГГц. Разделяемая среда передает данные со скоростью до 3 Мбит/с, но из-за накладных расходов на заголовки пакетов и смену частот полезная скорость передачи данных в среде не превышает 2,1 Мбит/с. Пропускная способность среды делится главным устройством между семью подчиненными устройствами на основе техники TDM.

Такая архитектура позволяет применять более простые протоколы в устройствах, выполняющих функции подчиненных (например, в радионаушниках), и отдает более сложные функции управления пикосетью компьютеру, который, скорее всего, и будет главным устройством этой сети.

Присоединение к пикосети происходит динамически. Главное устройство пикосети, используя процедуру опроса, собирает информацию об устройствах, которые попадают в зону его пикосети. После обнаружения нового устройства главное устройство проводит с ним переговоры. Если желание подчиненного устройства присоединиться к пикосети совпадает с решением главного устройства (подчиненное устройство прошло проверку аутентичности и оказалось в списке разрешенных устройств), то новое подчиненное устройство присоединяется к сбти.

ПРИМЕЧАНИЕ-
Безопасность сетей Bluetooth обеспечивается за счет аутентификации устройств и шифрования передаваемого трафика. Протоколы Bluetooth обеспечивают более высокий уровень защиты, чем протокол WEP стандарта IEEE 802.11.

Несколько пикосетей, которые обмениваются между собой данными, образуют рассредоточен• ную сеть. Взаимодействие в пределах рассредоточенной сети осуществляется за счет того, что один узел (называемый мостом) одновременно является членом нескольких пикосетей, причем этот узел может исполнять роль главного устройства одной пикосети и подчиненного устройства другой/

Сеть Bluetooth использует технику расширения спектра FHSS. Для того чтобы сигналы разных пикосетей не интерферировали, каждое главное устройство задействует собственную последовательность псевдослучайной перестройки частоты. Наличие различающихся последовательностей псевдослучайной перестройки частоты затрудняет общение пикосетей между собой. Для преодоления этой проблемы устройство, играющее роль моста, должно при подключении к каждой из пикосетей соответствующим образом менять частоту.

Коллизии, хотя и с очень небольшой вероятностью, все же могут происходить, когда два или более устройства из разных пикосетей выберут для работы один и тот же частотный канал.
Для надежной передачи данных в технологии Bluetooth может выполняться прямая коррекция ошибок (FEC), а получение кадра подтверждается с помощью квитанций.
В сетях Bluetooth для передачи информации двух типов используются разные методы.

□ Для чувствительного к задержкам трафика (например, голоса) сеть поддерживает синхронный канал, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented link, SCO). Этот канал работает на скорости 64 Кбит/с. Для канала SCO пропускная способность резервируется на все время соединения.

□ Для эластичного трафика (например, компьютерных данных) используется работающий с переменной скоростью асинхронный канал, нс ориентированный на соединение (Asynchronous Connection-Less link, ACL). Для канала ACL пропускная способность выделяется по запросу подчиненного устройства или по потребности главного устройства.
Стек протоколов Bluetooth

Bluetooth является законченной оригинальной технологией, рассчитанной на самостоятельное применение в электронных персональных устройствах. Поэтому эта технология поддерживает полный стек протоколов, включая собственные прикладные протоколы. В этом заключается ее отличие от рассмотренных ранее технологий, таких как Ethernet или IEEE 802.11, которые лишь выполняют функции физического и канального уровней.

Создание для технологии Bluetooth собственных прикладных протоколов объясняется стремлением разработчиков реализовывать ее в разнообразных простых устройствах, которым не под силу, да и не к чему, поддерживать стек протоколов TCP/IP. Кстати, технология Bluetooth появилась в результате попыток разработать стандарт для взаимодействия мобильного телефона с беспроводными наушниками. Понятно, что для решения такой простой задачи не нужГен ни протокол передачи файлов (FTP), ни протокол передачи гипертекста (HTTP). В результате для технологии Bluetooth был создан оригинальный стек протоколов, в дополнение к которому появилось большое количество профилей.

Стек протоколов Bluetooth постоянно совершенствуется. Версия 1.0 стандартов стека была принята в 1999 году, версия 1.2 — в 2003, версия 2.0 — в 2004, версия 2.1 — в 2007, а версия 3.0 — в апреле 2009 года.

Профили определяют конкретный *^абор протоколов для решения той или иной задачи. Например, существует профиль Шя взамффЙстйия компьютера или мобильного телефона с беспроводными наушниками. Имеется также профиль для тех устройств, которые могут передавать файлы (наушникам он, скорее всего, не потребуется, хотя будущее предвидеть сложно), профиль эмуляции последовательного порта 38-232 и т. д.
7
6
5
4
3
Прикладной
уровень
Уровень
представления
Сеансовый
уровень
Транспортный
уровень
2
1

Сетевойуровень
Рис. 12.22. Соответствие протоколов Bluetooth модели OSI и стандартам IEEE 802
Уровни Стандарты Протоколы Bluetooth
модели OSI IEEE 802
При приведении стандартов Bluetooth в соответствие с архитектурой стандартов IEEE 802 рабочая группа 802.15.1 ограничилась только так называемыми протоколами ядра Bluetooth, которые соответствуют функциям физического уровня и уровня MAC (рис. 12.22).

□ Уровень физических радиосигналов описывает частоты и мощности сигналов, используемых для передачи информации.

□ Уровень базового диапазона частот отвечает за организацию каналов передачи данных в радиосреде. В его обязанности входят выбор последовательности псевдослучайной перестройки частоты, синхронизация устройств в пикосети, формирование и передача кадров по установленным каналам SCO и ACL. Кадр Bluetooth имеет переменную длину, поле данных может содержать от 0 до 2744 бит (343 байт). Для передачи голоса используются кадры фиксированного размера с полем данных 240 бит (30 байт).

□ Диспетчер каналов отвечает за аутентификацию устройств и шифрование трафика, а также управляет статусом устройств, то есть может сделать подчиненное устройство главным, и наоборбт.

□ Уровень протокола адаптации для управления логическим каналом (Logical Link Control Adaptation Protocol, L2CAP) является верхним уровнем протоколов ядра Bluetooth. Этот протокол используется только в тех случаях, когда устройство передает данные; голосовой трафик обходит этот протокол и обращается непосредственно к уровню базового диапазона частот. Уровень L2CAP принимает от протоколов верхнего уровня сегменты данных размером до 64 Кбайт и делит их на небольшие кадры для уровня базового диапазона частот. При приеме уровень L2CAP собирает кадры в исходный сегмент и передает протоколу верхнего уровня.

□ Аудиоуровень обеспечивает передачу голоса по каналам SCO. На этом уровне применяется импульсно-кодовая модуляция (РСМ), что определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.
□ Уровень управления передает внешнему блоку информацию о состоянии соединений и принимает от внешнего блока команды, изменяющие конфигурацию и состояние соединений.
Кадры Bluetooth

Разделяемая среда представляет собой последовательность частотных каналов технологии FHSS в диапазоне 2,4 ГГц. Каждый частотный канал имеет ширину 1 МГц, количество каналов равно 79 (в США и большинстве других стран мира) или 23 (в Испании, Франции, Японии).

Чиповая скорость равна 1600 Гц, поэтому период чипа составляет 625 мкс. Главное устройство разделяет общую среду на основе временного мультиплексирования (TDM), используя в качестве тайм-слота время пребывания системы на одном частотном канале, то есть 625 мкс. В версии протоколов 1.0 информация кодируется с тактовой частотой 1 МГц путем двоичной частотной манипуляции (BFSK), в результате битовая скорость составляет 1 Мбит/с. В течение одного тайм-слота пикосеть Bluetooth передает 625 бит, но не все они используются для передачи полезной информации. При смене частоты устройствам сети требуется некоторое время для синхронизации, поэтому из 625 бит только 366 передают кадр данных.

В версии 2.0 был введен режим улучшенной скорости передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR), в котором для кодирования данных используется комбинация методов частотной (BFSK) и фазовой (PSK) модуляции; за счет этого удалось повысить битовую скорость до 3 Мбит/с, а полезную скорость передачи данных — до 2,1 Мбит/с. Режим EDR дополняет основной режим передачи данных со скоростью 1 Мбит/с.

Кадр данных может занимать 1,3 или 5 слотов. В том случае, когда кадр занимает больше одного слота, частота канала остается неизменной в течение всего времени передачи кадра. В этом случае накладные расходы на синхронизацию меньше, так что размер кадра, состоящего, например, из 5 последовательных слотов, равен 2870 бит (с полем данных до 2744 бит).
ВНИМАНИЕ-

Составными могут быть только кадры данных (то есть кадры канала ACL), а кадры, переносящие голос (кадры канала SCO), всегда состоят из одного слота.
Рассмотрим формат кадра, состоящего из одного слота — 366 бит (рис. 12.23):
□ Поле данных занимает 240 бит.

□ Код доступа (72 бита) служит для идентификации пикосети. Каждое устройство Bluetooth имеет глобально уникальный 6-байтовый адрес, поэтому для идентификй-ции пикосети требуется три младших байта уникального адреса главного устройства. Каждое устройство при формировании кадра помещает эти байты в поле кода доступа, дополняя их битами 1/3 для прямой коррекции ошибок (сокращение 1/3 говорит о том, что 1 бит информации преобразуется в 3 бита кода). Если главное или подчиненное устройство получает кадр, содержащий неверный код доступа, то оно отбрасывает этот кадр, считая, что он, скорее всего, получен из другой пикосети.

□ Заголовок кадра (54 бита) содержит МАС-адрес, однобитный признак подтверждения приема кадра, идентификатор типа кадра, а также ряд других признаков. МАС-адрес состоит из трех битов и является временным адресом одного их семи подчиненных устройств, при этом адрес 000 является широковещательным. Информация заголовка также передается с помощью битов 1/3 алгоритма FEC.
Рис. 12.23. Формат кадра Bluetooth, состоящего из одного слота

Формат кадра, состоящего из 3-х или 5-ти слотов, отличается только размером поля данных. Информация, помещаемая в поле данных, может кодироваться с помощью битов 1/3 или 2/3 алгоритма FEC либо передаваться вообще без прямой коррекции ошибок.
Поиск и стыковка устройств Bluetooth

Устройство, поддерживающее технологию Bluetooth, обычно посылает периодические запросы на предмет обнаружения других устройств Bluetooth в зоне досягаемости. Если устройство Bluetooth получает такой запрос и оно сконфигурировано таким образом, чтобы отвечать на запросы, то в ответ устройство передает сведения о себе: имя и тип устройства, имя производителя, поддерживаемые сервисы.

Имя устройства конфигурируется в отличие от его уникального МАС-адреса, который дается производителем. Нужно отметить, что часто устройства выпускаются со сконфигурированными по умолчанию именами, соответствующими названию модели устройства, поэтому в сфере досягаемости вашего мобильного телефона может оказаться несколько других телефонов с одинаковыми именами Bluetooth, если их владельцы не дали им собственные имена.

После предварительного обмена информацией устройства Bluetooth могут начать так называемую процедуру стыковки (Pairing), если конфигурация устройств ее требует. Стыковка подразумевает установление безопасного соединения между устройствами (см. главу 24); безопасность в данном случае означает, что устройства доверяют друг другу, а данные между ними передаются в зашифрованном виде. Стыковка устройств Bluetooth требует введения в каждое из них одного и того же пароля, называемого также PIN-кодом

Bluetooth. Обычно устройство, получившее запрос на стыковку, просит пользователя ввести PIN-код. Устройства, успешно прошедшие процедуру стыковки, запоминают этот факт и устанавливают безопасное соединение автоматически всякий раз, когда оказываются в зоне досягаемости, при этом повторное введение PIN-кода пользователем не требуется.

Устройство сможет быть сконфигурировано пользователем или производителем таким образом, чтобы разрешать установление соединений с другими устройствами без процедуры стыковки.
Пример обмена данными в пикосети

Рассмотрим работу пикосети на примере. Пусть пикосеть состоит из главного и трех активных подчиненных устройств. Для простоты предположим, что все устройства используют кадры, занимающие один слот. На рис. 12.24 показано, каким образом главное устройство распределяет слоты между членами пикосети.
Главное
Рис. 12.24. Разделение среды

Для дуплексного обмена главное устройство всегда выделяет каждому каналу пару слотов: первый слот использубтся для передачи данных от главного устройства к подчиненному, а второй — в обратном направлении.

В примере, показанном на рисунке, существует один канал SCO между главным устройством и первым подчиненным устройством. Как мы уже знаем, каналам SCO всегда выделяется фиксированная часть пропускной способности среды, величина которой зависит от того, каким образом будет использоваться метод прямой коррекции ошибок (FEC) голосовой информации.

□ Если метод FEC не применяется, то для канала SCO выделяется каждая третья пара слотов, как это и показано на рисунке. Такое распределение слотов обеспечивает передачу потоков со скоростью 64 Кбит/с в каждом направлении. Убедимся в этом. Кодек РСМ оцифровывает голос с частотой 8 кГц (период 125 мкс), представляя каждый замер одним байтом. Каждый кадр переносит 30 байт (240 бит), то есть 30 замеров. Кадры канала SCO в одном направлении повторяются через каждые 6 слотов, поэтому период повторения кадров равен 6 х 625 = 3750 мкс. Соответственно, скорость передачи данных в канале SCO (в одном направлении) равна 240/(3750 х 10

_6
) = 64 Кбит/с.
□ В том случае, когда используются биты 2/3 алгоритма FEC, то в поле данных кадра размещается не 30, а 20 замеров, поэтому для достижения скорости в 64 Кбит/с такому каналу SCO нужно выделять каждую вторую пару слотов.
□ Наконец, биты 1/3 алгоритма FEC приводят к тому, что кадр переносит только 10 замеров голоса, так что такой канал занимает все слоты разделяемой среды.

Приведенные расчеты показывают, что в пикосети могут одновременно существовать не более трех каналов SCO (возможно, соединяющих с разными подчиненными устройствами), причем только тогда, когда канал не использует алгоритм FEC для снижения доли битовых ошибок. Прямая коррекция ошибок уменьшает число каналов SCO до двух или даже одного.

Оставшаяся от каналов SCO пропускная способность служит для передачи асинхронных данных. Для этого в пикосети имеется канал ACL. Этот канал соединяет один источник (главное устройство) с несколькими приемниками (все подчиненные устройства пикосети). Его не нужно устанавливать, он существует всегда.

Потребности подчиненных устройств в передаче асинхронных данных главное устройство узнает путем их периодического опроса. Для этого оно использует служебный кадр с МАС-адресом устройства. Если у главного устройства есть данные для этого подчиненного устройства, то оно может совместить передачу данных с опросом в одном кадре.

На рис. 12.24 показано, что главное устройство использовало слоты 3 и 4 для обмена кадрами со вторым подчиненным устройством, слоты 9 и 10 — для обмена с первым подчиненным устройством и слоты 11 и 12 — для обмена с третьим подчиненным устройством. Метод опроса исключает коллизии при доступе к каналу ACL, но скорость доступа к этому каналу для каждого отдельного устройства не определена, она зависит от количества устройств, которые хотят передавать асинхронные данные.

Таким образом, в сети Bluetooth совмещаются приемы коммутации каналов (для каналов SCO) и коммутации пакетов (для канала ACL).

В том случае, когда каналы SCO в сети не используются, вся пропускная способность среды отводится каналу ACL. При наличии кадров, состоящих из 5-ти слотов, максимальная скорость передачи данных при битовой скорости 1 Мбит/с составляет 432,6 Кбит/с в каждом направлении (0ез прямой коррекции ошибок). Допустимо также несимметричное деление пропускной способности канала ACL, тогда максимальная скорость достигает 723,2 Кбит/с в одном направлении при скорости 57,6 Кбит/с в обратном. Не нужно забывать, что это — суммарные скорости передачи данных в канале ACL, а не скорости потоков данных отдельных устройств. Когда несколько устройств используют канал, скорость делится между всеми устройствами.

Новые свойства Bluetooth
В последних версиях стандартов Bluetooth были анонсированы некоторые нововведения, одно из которых — повышение скорости передачи данных в режиме EDR до 3 Мбит/с -мы уже упомянули. Далее перечислены другие наиболее важные новые свойства этой технологии.

□ Пониженная скорость обмена в ждущем режиме. Это свойство заключается в снижении частоты обмена служебными сообщениями keepalive («работоспособен»), которыми узлы поддерживают соединение в открытом состоянии при отсутствии пользовательских данных для передачи, с нескольких сообщений в секунду до одного сообщения раз в 5 или 10 секунд. Такой режим позволяет увеличить время работы батарей портативных устройств в 3-10 раз. Свойство введено в версии 2.1.

□ Безопасная простая стыковка (secure simple pairing) позволяет ускорить процедуру стыковки и в то же время предлагает более высокую степень защиты соединений. Свойство введено в версии 2.1.

□ Использование технологии NFC (Near Field Communication — связь ближнего радиуса действия) для автоматической стыковки устройств. NFC — это новая технология, разработанная для беспроводного взаимодействия устройств на расстояниях в 10-20 см. При обнаружении сигналов устройства с интерфейсами NFC автоматически устанавливают соединение. Устройства Bluetooth могут использовать технологию NFC для автоматического обнаружения при приближении их друг к другу в ходе стыковки и обмена информацией. Это свойство является частью упомянутой ранее процедуры безопасной простой стыковки, оно также введено в версии 2.1 Bluetooth.

□ Альтернативные МАС-уровень и физический уровень. При необходимости передачи большого объема данных устройство Bluetooth может переключиться на соединение, использующее отличную от Bluetooth технологию передачи данных. В версии 3.0 протоколов Bluetooth как возможная альтернатива определены пока только технологии 802.11, но в будущем могут быть стандартизованы и другие технологии. Первоначальное взаимодействие устройств всегда должно производиться на основе технологии Bluetooth.

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь