3.2. Радиоинтерфейс Bluetooth

Bluetooth(синий зуб) — это фактический стандарт на миниатюрные недоро­гие средства передачи информации с помощью радиосвязи между мобильными (и настольными) компьютерами, мобильными телефонами и любыми другими

портативными устройствами на небольшие расстояния. Разработкой специфика­ции занимается группа лидирующих фирм в областях телекоммуникаций, компью­теров и сетей — 3Com, AgereSystems,Ericsson,IBM,Intel,Microsoft,Motorola,Nokia,Toshiba. Эта группа, образовавшаяBluetoothSpecialInterestGroup, и выве­ла данную технологию на рынок. СпецификацияBluetoothсвободно доступна в Сети (www.bluetooth.com), правда, она весьма объемна (около 15 МбайтPDF-файлов). Открытость спецификации должна способствовать ее быстрому распро­странению, что уже и наблюдается на практике. Здесь позволим себе сократить название технологии до «ВТ» (это не официальное сокращение). Само название представляет собой прозвище датского короля, объединившего Данию и Норве­гию, — намек на всеобщую объединяющую роль технологии.

Каждое устройство ВТ имеет радиопередатчик и приемник, работающие в диа­пазоне частот 2,4 ГГц. Этот диапазон в большинстве стран отведен для промыш­ленной, научной и медицинской аппаратуры и ле требует лицензирования, что обеспечивает повсеместную применимость устройств. Для ВТ используются ра­диоканалы с дискретной (двоичной) частотной модуляцией, несущая частота ка­налов F°2402+k(МГц), гдеk"0,..., 78. Для нескольких стран (например, Фран­ции, где в этом диапазоне работают военные) возможен сокращенный вариант сF°°2454+k(k=0,..., 22). Кодирование простое — логической единице соответству­ет положительная девиация частоты, нулю — отрицательная. Передатчики могут быть трех классов мощности, с максимальной мощностью 1, 2,5 и 100 МВт, при­чем должна быть возможность понижения мощности с целью экономии энергии.

Передача ведется с перескоком несущей частоты с одного радиоканала на другой, что помогает в борьбе с интерференцией и замираниями сигнала. Физический каналсвязи представляется определенной псевдослучайной последовательностью используемых радиоканалов (79 или 23 возможных частот). Группа устройств, разделяющих один канал (то есть «знающих» одну и ту же последовательность перескоков), образует так называемуюпикосеть(piconet), в которую может вхо­дить от 2 до 8 устройств. В каждой пикосети имеется одно ведущее устройство и до 7 активных ведомых. Кроме того, в зоне охвата ведущего устройства в его же пикосети могут находиться «припаркованные» ведомые устройства: они тоже «знают» последовательность перескоков и синхронизируются (по перескокам) с ведущим устройством, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока веду­щее устройство не разрешит их активность. Каждое активное ведомое устройство пикосети имеет свой временный номер (1-7); когда ведомое устройство деакти-вируется (паркуется), оно отдает свой номер для использования другими. При последующей активизации оно уже может получить иной номер (потому-то он и временный). Пикосети могут перекрываться зонами охвата, образуя «разбросан­ную» сеть (scatternet). При этом в каждой пикосети ведущее устройство только одно, но ведомые устройства могут входить в несколько пикосетей, используя раз­деление времени (часть времени он работает в одной, часть — в другой пикосети). Более того, ведущее устройство одной пикосети может быть ведомым устройством другой пикосети. Эти пикосети никак не синхронизированы, каждая из них ис­пользует свой канал (последовательность перескоков).

Канал делится на тайм-слоты длительностью 625 мкс, слоты последовательно нумеруются с цикличностью 2²⁷. Каждый тайм-слот соответствует одной частоте, несущей в последовательности перескоков (1600 перескоков в секунду). Последо­вательность частот определяется адресом ведущего устройства пикосети. Переда­чи ведутся пакетами, каждый пакет может занимать от 1 до 5 тайм-слотов. Если пакет длинный, то он весь передается на одной частоте несущей, но отсчет слотов по 625 мкс продолжается, и после длинного пакета следующая частота будет соот­ветствовать очередному номеру слота (то есть несколько перескоков будут пропу­щены). Ведущее и ведомые устройства ведут передачу поочередно: в четных сло­тах передачу ведет ведущее устройство, а в нечетных — адресованное им ведомое устройство (если ему есть что «сказать»).

Между ведущим и ведомыми устройствами могут устанавливаться физические связи двух типов: синхронные и асинхронные.

Синхронные связи(они же изохронные) с установлением соединения,SCOlink(SynchronousConnection-Oriented), используются для передачи изохронного тра-фика (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 связейSCOс одним или разными ведомыми устрой­ствами. Ведомое устройство может иметь до трех связей с одним ведущим устрой­ством или иметь по одной связиSCOс двумя различными ведущими устройства­ми. По сетевой классификации связиSCOотносятся ккоммутации цепей.

Асинхронные связибез установления соединения,ACLlink(AsynchronousConnection-Less), реализуюткоммутацию пакетовпо 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 подSCO, 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 ACLпредусмотрено несколько типов пакетов с защитой CRC-кодом (в случае обнаружения ошибки предусматривается повторная пере­дача) и 1 беззащитный (без повторных передач).Для связей SCOданные не защи­щаются CRC-кодом, и следовательно, повторные передачи по ошибке приема не предусмотрены.

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 схемеFEC1/3 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 каналобеспечивает скорость по 64 Кбит/с в обоих направлениях. В канале может использоваться кодирование в формате РСМ (импульсно-кодовая модуляция) илиCVSD(ContinuousVariableSlopeDeltaModulation— вариант адаптивной дельта импульсно-кодовой модуляции). Кодирование РСМ допускает компрессию поG.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.

Асинхронный каналможет обеспечивать максимальную скорость 723,2 Кбит/с в асим­метричной конфигурации (оставляя для обратного канала полосу 57,6 Кбит/с) или же 433,9 Кбит/с в каждую сторону в симметричной конфигурации.

Для обеспечения безопасности в ВТ применяется аутентификацияишифрова­ние данныхна уровне связи (linklayer), которые, конечно же, могут дополняться и средствами верхних протокольных уровней.

Важной частью ВТ является протокол обнаружения сервисов SDP (Service Dis­covery Protocol),позволяющий устройству найти «интересного собеседника». В дальнейшем, установив с ним соединение, устройство сможет воспользоваться требуемыми сервисами (например, выводить документы на печать, подключить­ся к Сети и т. п.).

Протокол RFCOMMобеспечивает эмуляцию последовательного порта (9-провод-ногоRS-232) черезL2CAP. С его помощью традиционные кабельные соединения устройств (в том числе и нуль-модемные) могут быть легко заменены на радио­связь, без каких-либо модификаций ПО верхних уровней. Протокол позволяет устанавливать и множественные связи (одного устройства с несколькими), и ра­диосвязь заменит громоздкие и дорогие мультиплексоры и кабели. Через прото­колRFCOMMможет работать протокол ОВЕХ, используемый в инфракрасных беспроводных соединениях (в иерархии протоколовIrDA). ЧерезRFCOMMмо­жет работать и протокол РРР, над которым стоят протоколы стекаTCP/IP, — это открывает дорогу во все приложения для Интернета. ЧерезRFCOMMработают и АТ-команды, управляющие телефонными соединениями и сервисами передачи факсов (эти же команды используются в модемах для коммутируемых линий).

Специальный бит-ориентированный телефонный протоколTCSBIN(TelephonyControlprotocol—Binary), определяющий сигнализацию вызова для связи устройств ВТ (речевой связи и обмена данными), тоже работает через L2CAP. В протоколе имеются и средства управления группами устройств TCS.

Интерфейс хост-контроллера HCI(HostControllerInterface) — это единообраз­ный метод доступа к аппаратно-программным средствам нижних уровнбй ВТ. Он предоставляет набор команд для управления радиосвязью, получения информа­ции о состоянии и собственно передачи данных. Через этот интерфейс происхо­дит взаимодействие протоколаL2CAPс аппаратурой ВТ. Физически аппаратура ВТ может подключаться к различным интерфейсам: шине расширения (например,PCCard), шинеUSB, СОМ-порту. Для каждого из этих подключений имеется соответствующий протокол транспортного уровняHCI— прослойка, обеспечива­ющая независимость HCI от способа подключения.

Последовательные шины USB и FireWire

Последовательные шины позволяют объединять множество устройств, используя всего 1-2 пары проводов. Функциональные возможности этих шин гораздо шире, чем у традиционных интерфейсов локальных сетей, — USBиFireWireспособны передавать изохронный трафик аудио- и видеоданных. Последовательные шины по своей организации сильно отличаются от параллельных. В последовательных шинах нет отдельных линий для данных, адреса и управления — все протоколь­ные функции приходится выполнять, пользуясь одной или двумя (в FireWire) парами сигнальных проводов. Это накладывает отпечаток на построение шинно­го протокола, который в последовательных шинах строится на основе пересылокпакетов —определенным образом организованных цепочек бит. Заметим, что в терминологии USB пакеты и кадры имеют несколько иную трактовку, нежели в сетях передачи данных. В параллельных шинах имеются возможности явной синхронизации интерфейсной части ведущих и ведомых устройств; исполнение каждого шага протокола обмена может быть подтверждено, и, при необходимо­сти, некоторые фазы обмена могут продлеваться по «просьбе» не успевающего устройства. В последовательных шинах такой возможности нет — пакет пересы­лается целиком, а синхронизация возможна только по принимаемому потоку бит. Эти и другие особенности сближают последовательные шины с локальными сетя­ми передачи данных.

Наибольшую популярность имеют шины USB и FireWire, хотя последняя пока что в PC-совместимых компьютерах используется не повсеместно. Последователь­ные шиныFireWireи USB, имея общие черты, являются, тем не менее, существен­но различными технологиями. Обе шины обеспечивают простое подключение большого числа ПУ (127 для USB и 63 дляFireWire), допуская коммутации и вклю­чение/выключение устройств при работающей системе. По структуре топология обеих шин достаточно близка, но FireWire допускает большую свободу и простран­ственную протяженность. Хабы USB входят в состав многих устройств и для пользователя их присутствие зачастую незаметно. Обе шины имеют линии пита­ния устройств, но допустимая мощность дляFireWireзначительно выше. Обе шины поддерживают технологию РпР (автоматическое конфигурирование при включении/выключении) и снимают проблему дефицита адресов, каналов DMA и прерываний. Различаются пропускная способность и управление шинами.

Шина USBориентирована на периферийные устройства, подключаемые кPC. Изохронные передачи USB позволяют передавать цифровые аудиосигналы, а шина USB 2.0 способна нести и видеоданные. Все передачи управляются централизо­ванно, иPCявляется необходимым управляющим узлом, находящимся в корне древовидной структуры шины. Адаптер USB пользователи современных ПК по­лучают почти бесплатно, поскольку он входит в состав всех современных чипсе-тов системных плат. Правда, адаптеры USB 2.0 первое время будут выпускаться в виде картPCI. Непосредственное соединение несколькихPCшиной USB не пре­дусматривается, хотя выпускаются «активные кабели» для связи пары компьюте­ров и устройства-концентраторы.

Шина FireWireориентирована на устройства бытовой электроники, которые с ее помощью могут быть объединены в единую домашнюю сеть. К этой сети может быть подключен компьютер, и даже не один. Принципиальным преимуществом шины 1394 является отсутствие необходимости в специальном контроллере шины ' (компьютере). Любое передающее устройство может получить полосу изохрон­ного графика и начинать передачу по сигналу автономного или дистанционного управления — приемники «услышат» эту информацию. При наличии контролле­ра соответствующее ПО может управлять работой устройств, реализуя, например, цифровую студию нелинейного видеомонтажа или снабжая требуемыми мульти-медийными данными всех заинтересованных потребителей информации.