перестраивают частоты одновременно, в соответствии с синхронизацией тактов и псевдослучайной последовательностью скачков, генерируемой главным узлом.
К сожалению, оказалось, что ранние версии Bluetooth и 802.11 интерферируют так, что нарушают передачи друг друга. Некоторые компании отреагировали на это отказом от Bluetooth в целом, но, в конечном счете, техническое решение было найдено. Оно заключалось в том, чтобы адаптировать последовательность скачков для исключения каналов, на которых есть другие радиосигналы. Этот процесс, названный адаптивной перестройкой рабочей частоты, уменьшает помехи.
Для отправки бит по каналу используются три формы модуляции. Базовая схема состоит в использовании кодирования со сдвигом частоты, чтобы посылать 1-битовый символ каждую микросекунду, что дает общую скорость данных 1 Мбит/с. Большие скорости появились начиная с версии Bluetooth 2.0. Эти скорости используют кодирование со сдвигом фазы, чтобы послать или 2, или 3 бита за символ, для достижения общей скорости данных 2 или 3 Мбит/с. Такие более высокие скорости применяются только для кадров, содержащих данные [4].
2.4 ТИПЫ СОЕДИНЕНИЙ МЕЖДУ УСТРОЙСТВАМИ
Между ведущим и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.
Синхронные связи (они же изохронные) с установлением соединения, SCO link (Synchronous Connection-Oriented), используются для передачи изохронного трафика (например, оцифрованного звука). Эти связи типа «точка—точка» предварительно устанавливает ведущее устройство с выбранными ведомыми устройствами, и для каждой связи определяется период (в слотах), через который для нее резервируются слоты. Связи получаются симметричные двусторонние. Повторные передачи пакетов в
случае ошибок приема не используются. Ведущее устройство может установить до трех связей SCO с одним или разными ведомыми устройствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним ведущим устройством или иметь по одной связи SCO с двумя различными ведущими устройствами. По сетевой классификации связи SCO относятся к коммутации цепей.
Асинхронные связи без установления соединения, ACL link (Asynchronous Connection-Less), реализуют коммутацию пакетов по схеме «точка—множество точек» между ведущим устройством и всеми ведомыми устройствами пикосети. Ведущее устройство может связываться с любым из ведомых устройств пикосети в слотах, не занятых под SCO, послав ему пакет и потребовав ответа. Ведомое устройство имеет право на передачу, только получив обращенный к нему запрос ведущего устройства (безошибочно декодировав свой адрес). Для большинства типов пакетов предусматривается повторная передача в случае обнаружения ошибки приема. Ведущее устройство может посылать и безадресные широковещательные пакеты для всех ведомых устройств своей пикосети. С каждым из своих ведомых устройств ведущее устройство может установить лишь одну связь ACL. Информация передается пакетами, в которых поле данных может иметь длину 0-2745 бит. Для связей ACL предусмотрено несколько типов пакетов с защитой CRC-кодом (в случае обнаружения ошибки предусматривается повторная передача) и 1 беззащитный (без повторных передач). Для связей SCO данные не защищаются CRC-кодом, и следовательно, повторные передачи по ошибке приема не предусмотрены [3].
2.5 СТРУКТУРА КАДРА
Существует несколько форматов кадров Bluetooth, наиболее важный из которых показан в двух формах на рисунке 2.4. В начале кадра указывается код доступа, который обычно служит идентификатором главного узла. Это
позволяет двум главным узлам, которые расположены достаточно близко, чтобы «слышать» друг друга, различать, кому из них предназначаются данные. Затем следует заголовок из 54 бит, в котором содержатся поля, характерные для кадра подуровня MAC. Если кадр отправляется с базовой скоростью, далее расположено поле данных. Его размер ограничен 2744 битами (для передачи за пять тактов). Если кадр имеет длину, соответствующую одному тактовому интервалу, то формат остается таким же, с той разницей, что поле данных в этом случае составляет 240 бит.
Рисунок 2.4 - Типичный информационный кадр Bluetooth: а — на базовой скорости; б — на увеличенной скорости
Если кадр посылается на увеличенной скорости, часть данных может быть в два или три раза больше, потому что каждый символ переносит 2 или 3 бита вместо одного бита. Этим данным предшествуют защитный интервал и образец синхронизации, который используется, чтобы переключиться на более высокую скорость передачи данных. Таким образом, код доступа и заголовок передаются на базовой скорости, и только часть данных передается на большей скорости. Кадры с большей скоростью заканчиваются короткой меткой конца.
Рассмотрим, из чего состоит обычный заголовок кадра. Поле Адрес
идентифицирует одно из восьми устройств, которому предназначена информация. Поле Тип определяет тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и количество временных интервалов, из которых состоит кадр. Бит F (Flow поток) выставляется подчиненным узлом и сообщает о том, что его буфер заполнен.
Этот бит обеспечивает примитивную форму управления потоком. Бит A (Acknowl-edgement — подтверждение) представляет собой подтверждение (ACK), отсылаемое заодно с кадром. Бит S (Sequence — последовательность) используется для нумерациикадров, что позволяет обнаруживать повторные передачи. Это протокол с ожиданием, поэтому одного бита действительно оказывается достаточно. Далее следует 8-битная контрольная сумма заголовка. Весь 18-битный заголовок кадра повторяется трижды, что в итоге составляет 54 бита, как показано на рис. 4.33. На принимающей стороне несложная схема анализирует все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается таким, какой он есть. В противном случае все решает большинство. Как видите, на передачу 10 бит тратится в данном случае 54 бита. Причина очень проста: за все нужно платить. За обеспечение передачи данных с помощью дешевых, маломощных устройств (2,5 мВт) с невысокими вычислительными способностями приходится платить большой избыточностью.
Для ACL- и SCO-кадров применяются различные форматы поля данных. В кадрах SCO с базовой скоростью кадры устроены просто: длина поля данных всегда равна 240 бит. Возможны три варианта: 80, 160 или 240 бит полезной информации. При этом оставшиеся биты поля данных используются для исправления ошибок. В самой надежной версии (80 бит полезной информации) одно и то же содержимое повторяется три раза (что и составляет 240 бит), как и в заголовке кадра.
Мы можем вычислить емкость следующим образом. Поскольку подчиненные узлы могут использовать только нечетные временные интервалы, им достается 800 интервалов в секунду. Столько же получает и
главный узел. При 80 битах полезных данных, передающихся в одном кадре, емкость канала подчиненного узла равна 64 000 бит/с. Этому же значению равна и емкость канала главного узла. Этого как раз хватает для организации полнодуплексного PCM-канала голосовой связи (именно поэтому 1600 скачков в секунду было выбрано в качестве скорости перестройки частот). Все эти цифры говорят о том, что полнодуплексный канал со скоростью 64 000 бит/с в каждую сторону при самом надежном способе передачи информации вполне устраивает пикосеть, невзирая на то, что суммарная скорость передачи данных на физическом уровне равна 1 Мбит/с.
Эффективность 13% — результат расходов 41% емкости на время стабилизации, 20% на заголовки, и 26% на повторном кодировании. Этот недостаток выделяет значение увеличенных скоростей и кадров более чем из одного слота [4].
2.6 НАБОР ПРОТОКОЛОВ
Стандарт Bluetooth включает в себя множество протоколов, довольно свободно разбитых на уровни, как показано на рисунке 2.5. Структура на первый взгляд не следует ни модели OSI, ни TCP/IP, ни 802, ни какой-либо другой известной модели.
Рисунок 2.5 - Архитектура протоколов Bluetooth: версия 802.15
В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, который вполне соответствует моделям OSI и 802. На нем описывается радиосвязь и применяемые методы модуляции. Многое здесь направлено на то, чтобы сделать систему как можно дешевле и доступнее массовому покупателю.
Далее следуют два протокола, которые используют протокол управления каналом связи. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы между устройствами, управляет режимами энергопотребления, сопряжением и шифрованием, а также качеством обслуживания. Он находится ниже линии интерфейса хост-контроллера. Этот интерфейс — удобство для реализации: как правило, протоколы ниже линии реализуются на чипе Bluetooth, а протоколы выше линии — на устройстве Bluetooth, где чип размещен.
Протокол канального уровня — это L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol — протокол управления логическими каналами и согласования). Он собирает сообщения переменной длины и при необходимости обеспечивает надежность. L2CAP используется многими протоколами, в том числе и двумя описанными ранее служебными протоколами.
Протокол обнаружения сервисов используется для определения местонахождения служб в пределах сети. Протокол RFcomm эмулирует работу стандартного последовательного порта ПК, к которому обычно подключаются клавиатура, мышь, модем и другие устройства.
На самом верхнем уровне находятся приложения. Профили представлены вертикальными прямоугольниками, потому что каждый из них определяет часть стека протокола для конкретной цели. Специфические профили, например профили для устройств типа гарнитур, используют только те протоколы, которые необходимы для их работы. Например, профили могут включать L2CAP, если у них есть пакеты для отправки, и пропустить L2CAP в случае, если у них есть только фоновые аудиоотсчеты
[4].
Интерфейс хост-контроллера HCI (Host Controller Interface) — это единообразный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровней ВТ. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информации о состоянии и собственно передачи данных. Через этот интерфейс происходит взаимодействие протокола L2CAP с аппаратурой ВТ. Физически аппаратура ВТ может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например, PC Card), шине USB, СОМпорту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровня HCI — прослойка, обеспечивающая независимость HCI от способа подключения [3].
2.7 УРОВЕНЬ НЕМОДУЛИРОВАННОЙ ПЕРЕДАЧИ
Уровень немодулированной передачи (управления каналом связи) — это наиболее близкий к MAC-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов — в нечетных. Эта схема, по сути дела, традиционное временное уплотнение, в котором главная сторона получает одну половину временных интервалов, а подчиненные делят между собой вторую. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов.
В каждом кадре уходит 126 служебных бит на код доступа и заголовок, кроме того, время установки занимает 250—260 мкс на переключение частоты, чтобы позволить недорогим радиосхемам становиться устойчивыми. Полезные данные кадра могут быть для конфиденциальности зашифрованы с помощью ключа, который выбирается, когда ведущее устройство соединяется с ведомым. Переключения частоты происходят
только между кадрами, но не во время передачи кадра. В результате передача 5-тактового кадра намного более эффективна, чем 1-тактового, потому что при тех же служебных расходах посылается больше данных.
Протокол управления соединениями устанавливает логические каналы, называемые соединениями (links), чтобы переносить кадры между главными
иподчиненными устройствами, которым необходимо обнаруживать друг друга.
Прежде чем будет использоваться соединение, два устройства проходят процедуру сопряжения. Более старый метод сопряжения — оба устройства должны быть сконфигурированы с одним и тем же PIN-кодом из четырех цифр (PIN, Personal Identification Number — личный идентификационный номер). Соответствие PIN позволяет устройству знать, что оно соединилось с нужным удаленным устройством. Однако лишенные воображения пользователи и использование значений по умолчанию устройств, таких как «0000» и «1234» ведут к тому, что этот метод на практике обеспечивает не очень высокий уровень безопасности.
Новый безопасный простой метод сопряжения (secure, simple, pairing) позволяет пользователям подтвердить, что оба устройства показывают один
итот же ключ, или видеть ключ на одном устро йстве и ввести его на втором. Этот метод более безопасен, потому что пользователи не должны выбирать или устанавливать PIN. Они просто подтверждают ключ, более длинный и произведенный устройством. Этот метод не может использоваться на некоторых устройствах с ограниченным вводом/выводом, таких как беспроводные гарнитуры [4].
Защита данных от искажения и контроль достоверности производится несколькими способами. Данные некоторых типов пакетов защищаются CRC-кодом, и приемник информации должен подтверждать прием правильного пакета или сообщить об ошибке приема. Для сокращения числа повторов применяется избыточное кодирование FEC (Forward Error Correction code). В схеме FEC 1/3 каждый полезный бит передается трижды,
что позволяет выбрать наиболее правдоподобный вариант мажорированием. Схема FEC 2/3 несколько сложнее, здесь используется код Хэмминга, что позволяет исправлять все однократные и обнаруживать все двукратные ошибки в каждом 10-битном блоке.
Каждый голосовой канал обеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. В канале может использоваться кодирование в формате РСМ
(импульсно-кодовая модуляция) или CVSD (Continuous Variable Slope Delta Modulation — вариант адаптивной дельта-импульсно-кодовой модуляции). Кодирование РСМ допускает компрессию по G.711; оно обеспечивает лишь сугубо «телефонное» качество сигнала (имеется в виду цифровая телефония, 8-битные выборки с частотой 8 Кбит/с). Кодер CVSD обеспечивает более высокое качество — он упаковывает входной РСМ-сигнал с частотой выборок 64 Кбит/с, однако и при этом спектральная плотность сигнала в полосе частот 4-32 кГц должна быть незначительной. Для передачи высококачественного аудиосигнала голосовые (речевые) каналы ВТ непригодны, однако сжатый сигнал (например, поток МРЗ) вполне можно передавать по асинхронному каналу передачи данных [3].
3. СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ В НАСТОЯЩЕЕ ВРЕМЯ
Новая спецификация беспроводной технологии связи, Bluetooth, усвоена в ноябре 2003 года. Ревизия Bluetooth стандарта 1.2 совместима с ревизией стандарта 1.1, а содержит следующие улучшения:
-анонимный способ работы, обеспечивающий скрытие адреса Bluetooth устройства с целью защиты пользователя от отслеживания;
-адаптивная скачкообразная перестройка частоты (AFH - Adaptive Frequency Hopping), которая улучшает стойкость к ошибкам радио интерфейса, что постигается избеганием передачи многократно занятым частотным каналам;
-более качественная передача голоса, полученная лучшей обработкой сигнала и использованием разных методов кодирования;
-уменьшено время, требуемое для нахождения Bluetooth устройства и установления связи, которое сейчас составляет в среднем 1 секунду.
Вноябре 2004 года группа, занимающаяся разработкой Bluetooth беспроводного стандарта (Bluetooth SIG), представила новую ревизию
Bluetooth стандарта, версию 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate – Улучшенная скорость передачи данных). Новая ревизия стандарта мотивирована улучшением существующих сценариев использования, которые требовали большую пропускаемость данных, таких как передача звука с CD качеством, передача цифровых фотографий, а также быстрая передача данных на лазерные принтеры, и т.п. Ниже перечислены основные улучшения, вносимые версией 2.0 + EDR Bluetooth стандарта:
-скорость передачи данных увеличена в три раза;
-меньшее потребление энергии;
-улучшено качество передачи данных (меньшая частота ошибок по битам, BER - Bit Error Rate) [2].
После того, как стабилизировались начальные протоколы, в 2004 году к