Интерфейс Bluetooth

Для обмена данными используются сверхвысокие радиочастоты 2.4 ГГц. – диапазон, свободный от лицензирования. В этом же диапазоне работают локальные радиосети по стандарту WLAN (IEEE 802.11) и другие устройства и приборы.

Bluetooth обеспечивает скорость передачи данных до 721 Кбит/с в радиусе до 10 – 20 метров (пределы помещения). Сейчас спецификациями определена и вторая зона – 100 м для покрытия стандартного дома. В отличие от инфракрасного интерфейса (IrDA), который требует, чтобы устройства были в пределах видимости до 1 м, Bluetooth использует диапазон радиоволн, для которых прозрачны стены и неметаллические препятствия.

Технология случайных переходов (FHSS) позволяет, переходя с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму (до 1600 переходов в секунду), поддерживать устойчивую помехозащищенную связь. Для полнодуплексной передачи применяется TTD -дуплекс с временным разделением. Каждый пакет передается на новой частоте.

При взаимодействии нескольких устройств Bluetooth одно становится главным и управляет частотной и пакетной синхронизацией, а остальные устройства (до 7) становятся подчиненными. Если устройств станет больше – автоматически образуется еще одна сеть. Каждый элемент Bluetooth имеет свой уникальный 48-битовый адрес (аналогично MAC -адресу сетевых карт).

Для обеспечения несанкционируемого доступа применяется до трех уровней защиты (в зависмости от поставленной задачи):

- без специальной защиты;

-доступ только к зарегистрированным устройствам, включая ввод пароля пользователем;

- защита информации 128-битовым ключом при передаче в одну или обе стороны.

Интерфейс Bluetooth реализован в виде системы и разделен на различные компоненты в различные и практически независимые уровни

(стек протоколов). Эти уровни описаны детально в спецификациях Bluetooth. Спецификации проекта также описывают некоторые свойства для общих классов применений Bluetooth, которые позволяют минимизировать неоднозначности толкований для достижения однородности среди изготовителей. Структура (стек) протоколов интерфейса Bluetooth приведены на рис. 4.46.

Рис. 4.46. Стек протокола Bluetooth.

Нижний уровень стека протоколов обеспечивает радиоканал, который формирует физический интерфейс соединения.

Уровень протокола связи (Baseband) и Link Manager Protocol (LMP) устанавливают и контролируют соединения между устройствами Bluetooth. Эти три уровня реализованы в аппаратно-программном обеспечении. Уровень Host Controller (HCL) требуется, чтобы обеспечить взаимодействие интерфейса Bluetooth с верхним протоколом - L2CAP (Logical Link Control и Adaptation Protocol). Ведущий контроллер требуется только тогда, когда L2CAP постоянно обслуживается программным обеспечением (ПО) хост-контроллера. Если L2CAP реализован в модуле Bluetooth этот уровень не требуется, так как L2CAP может непосредственно связываться с LMP и Baseband. Приложения постоянно находятся выше уровня L2CAP. Определим функции каждого уровня.

Физический уровень (Radio). Связь работает в свободном ISM - диапазоне полосе около 2.4 GHz. Полоса частот от 2400 до 2483.5 МГЦ в большинстве стран, и целый диапазон используется для оптимизации расширения спектра.

Для расширения спектра используется техника frequency hopping (FH) – скачки по частоте. Переходы по частоте фиксируются на 2402+k Мгц, где k=0,1,...,78. Номинальная частота перехода - 1600 скачков в секунду. Поскольку в этом диапазоне могут функционировать и создавать помехи многочисленные нескоординированные сети, бытовые приборы, процент ошибки может быть высоким. Для исключения такого влияния используются быстрые FH и короткие передачи данных.

Для защиты от влияния голосовых передач, которые также дают высокий процент ошибок, используется CVSD- кодирование, адаптированное под такие передачи. Дополнительно, заголовки пакетов защищены специальной схемой коррекции ошибок для увеличения достоверности принимаемых данных.

Уровень связи Baseband. Baseband - протокол, контролирующий связь.

Он контролирует последовательности переключения частоты и заботится о кодировании данных для безопасных соединений. Могут быть установлены два типа соединений:

- синхронное ориентируемое соединение (SCO). Соединения этого типа используются для передачи синхронных цифровых эквивалентов голосовых сообщений;

- асинхронное соединение ( ACL ). Такие соединения могут использоваться для приложений передачи данных, которые не требуют синхронной связи.

Уровень Baseband обеспечивает функциональные возможности, требуемые для устройств, чтобы синхронизировать их часы и устанавливать соединения. Также обеспечиваются процедуры запроса для обнаружения адреса устройств, находящихся в зоне связи. Исправление ошибки для пакетов обеспечивается в зависимости от типа пакета. Различные типы пакета определены для некоторых общих приложений, отличающихся по их вместимости данных и накладными расходами по исправлению ошибки. Стандартом предусмотрено пять различных типов канала для информационного обеспечения функций контроля, управления соединением, синхронными и асинхронными данными. Определены функции, необходимые для генерации клавиш кодирования и клавиш соединения. Более детальное описание некоторых из операций baseband, связанных с установлением соединения, приведено в спецификации.

Протокол Менеджера связи (LMP).Основные функции LMP можно классифицировать как:

- управление сетью Piconet;

- конфигурация соединений;

- функции безопасности.

Сеть Рiconet формируется группой устройств, связанных с общим каналом, который идентифицирован с его уникальной последовательностью переключения частот. Одно из устройств, обычно то, которое первым произвело подключение, называется " master ". К устройству master может быть подсоединено и активировано до семи устройств и намного больше может быть подключено в состоянии " parked " (низкого энергопотребления). Устройства в сети piconet могут соединяться друг с другом посредством соединения SCO или ACL канал управляется устройством master, при помощи Link Manager (LMP) в каждом устройстве. Любые два или более устройств для соединения должны установить между собой сеть piconet. В то же время каждое устройство может одновременно принадлежать нескольким сетям. (рис. 4.47).

Рис. 4.47 Схема сети Piconet и Scatternet.

- a - сеть piconet между двумя устройствами;

- b - сеть piconet между несколькими устройствами;

- c - сеть scatternet, комбинация сетей piconet.

Уровень LMP обеспечивает функциональность "присоединенный" или "отсоединенный" устройств " slave ", обмен функциями между устройствами master и slave и установление соединения ACL/SCO. Кроме того, LMP обрабатывает устройства в режимах низкого энергопотребления (hold, sniff и park), созданных для сохранения энергии, если устройства не имеют данных для передачи.

Задачи конфигурации соединения включают в себя параметры установки соединения, качество сервиса и контроль мощности, если это поддерживается устройством. LMP также обеспечивает идентификацию устройств, которые будут соединены, и управление клавишами соединения.

Уровень логического контроля связи и адаптационный протокол (L2CAP).

Это протокол, с которым взаимодействует большинство приложений, если ведущий контроллер не используется. Основные функции L2CAP:

1.Мультиорганизация. Протокол должен позволять нескольким приложениям одновременно использовать соединение между двумя устройствами.

2.Сегментация и повторное объединение.Протокол должен уменьшить размер пакетов, обеспеченных приложениями к размеру пакетов, принятых уровнем baseband. Сам L2CAP принимает размеры пакета до 64Кбайт, но пакеты baseband могут принимать до 2745 бит. Для полученных пакетов должна быть выполнена обратная процедура объединения сегментированных пакетов в надлежащем порядке.

3.Качество обслуживания. L2CAP позволяет приложениям требовать QoS на некоторых параметрах, например, пиковой пропускной способности, времени ожидания и изменения задержки.

В основном, L2CAP обеспечивает функции сетевого уровня к приложениям и более высоким протоколам. Уровень интерфейса ведущего контроллера (HCL). Основная структура, показывающая, как уровни ведущего контроллера расположены внутри стека протокола, изображена на рис. 4.48.

Рис. 4.48. Ведущий контроллер в стеке протокола.

Для большинства устройств модуль поддержки Bluetooth может быть добавлен в качестве платы расширения, например, для ПК или ноутбука аппаратные средства Bluetooth могут быть добавлены как PCI -карта или USB -адаптер. Аппаратные модули обычно осуществляют функционирование нижних уровней стека протоколов: радио уровни, baseband и LMP.

Тогда данные, которые будут посланы LMP и baseband, идут по физической шине, например, USB. Драйвер для этой шины требуется на хосте, которым является PC, и на аппаратной карте Bluetooth требуется "интерфейс контроллера хоста", чтобы принять данные по физической шине. Для функционирования, таким образом, требуются следующие дополнительные уровни:

- Уровень HCI -драйвера. Этот драйвер обеспечивает работу интерфейса ведущего контроллера хоста, функционирующего выше физической шины и обеспечивающий форматирование данных, которые будут приняты контроллером хоста от уровней, реализованных аппаратными средствами Bluetooth. Интерфейс ведущего контроллера реализован аппаратными средствами Bluetooth и поддерживает связь помимо физической шины.

- Уровень приложения. К L2CAP можно обращаться непосредственно средствами приложений или через протоколы поддержки подобно RFCOMM, TCS и SDP, упомянутым ранее. Приложения могут использовать другие протоколы типа TCP-IP или WAP. Приложения могут самостоятельно запускать протоколы, например, PPP (Протокол "точка-точка"), FTP (протокол передачи файлов) или другие определенные протоколы, как того требует приложение. Приложение может использовать SDP, для проверки, какие нужные сервисные возможности устройств, доступных в зоне действия.

Преимущества Bluetooth позволяют оказывать ряд ранее недоступных функций (услуг) – например, печать на принтере без кабеля, использование телефона в качестве пропуска и платежного средства (при входе в метро, стоимость билета снимается со счета автоматически) и т.п.