diplov / file1
.pdfвін містить в собі прапорці підтвердження і нумерації, а також засоби управління потоком. Заголовок містить інформацію для управління зв'язком і складається з шести полів:
адреса (MAC-адреса 3 біти) - адреса активного елементу, вказує один із восьми вузлів, якому призначений пакет;
тип (4 біти) - код типу даних, характеризує тип пакету, який передається
(ACL, SCO, опитування, або пустий пакет);
потік (1 біт) - управління потоком даних, показує готовність пристрою до прийому;
ARQ (1 біт) - підтвердження правильного прийому, якщо встановлена 1,
пакет правильний;
SEQN (1 біт) - служить для визначення послідовності пакетів, для кожного пакету цей біт інвертується. Даний протокол дозволяє очікування, тому одного біта виявляється достатньо;
HEC (8 біт) - контрольна сума, приймальна сторона аналізує всі 3
прийняті копії біт за бітом, і значення біта визначається мажоритарною схемою (2, або 3 однакових біти визначають правильний біт).
Корисна інформація. Завершальною частиною загального формату пакету є корисна інформація. У цій частині є два типи полів: поле голосу (синхронне) і
поле даних (асинхронне). ACL пакети мають тільки поле даних, а SCO пакети -
тільки поле голосу. Виключенням є пакет даних і голосу (Data Voice - DV),
який має обидва поля. Поле даних складається з трьох сегментів: заголовку корисної інформації, тіла корисної інформації та можливе використання CRC
коду.
Заголовок корисної інформації (8 біт). Тільки поля даних мають заголовок корисної інформації. Він визначає логічний канал, управління потоками в логічних каналах, а також має вказівник довжини корисної інформації.
621
Тіло корисної інформації (0÷2721 біт). Тіло корисної інформації включає призначену для користувача інформацію. Довжина цього сегменту вказується в полі довжини заголовку корисної інформації.
CRC (16 біт). В інформації, яка передається, обчислюється 16-бітний циклічний надлишковий код (CRC), після чого він прикріпляється до інформації.
Специфікація Bluetooth 1.2
Все вищесказане відноситься до базової специфікації Bluetooth 1.1,
прийнятої наприкінці лютого 2001 року. Проте, вже 5 листопада 2003 року з'явилася версія Bluetooth 1.2. Вона містила ряд змін і доповнень, серед яких є:
пришвидшене встановлення з'єднання;
адаптивна схема перемикання каналів (можна задавати менше ніж 79, але не менш 20 каналів, між якими відбувається переключення при FHSS);
розширені синхронні з'єднання (з'являється режим розширення синхронних з'єднань eSCO, у якому за виділеним вікном для синхронного з'єднання треба додаткове вікно для повторної передачі);
удосконалені алгоритми виявлення помилок, контролю потоків і поліпшені схеми синхронізації.
Протоколи верхніх рівнів
Протоколи верхніх рівні реалізуються програмно. Основні протоколи
взаємодії, які входять в Bluetooth (рис.13.8):
протокол управління з’єднанням (Link manager protocol),
використовується для встановлення зв’язку, управління та захисту інформації;
протокол управління логічним з’єднанням та адаптації (Logical link control and adaptation protocol L2CAP), забезпечує мультиплексування сегментацію пакетів;
протокол визначення служб (SDP), дозволяє встановити тип і
622
характеристики пристрою;
протокол RFCOMM базується на стандарті ETSI TS 07.10, підтримує інтерфейс RS-232, забезпечує емуляцію послідовного порту;
протокол управління телефонією (TCS), використовується для організації з’єднання між пристроями для передачі даних і голосу;
протокол обміну даними OBEX є основою для роботи застосувань користувача через канал Bluetooth.
Рис.13.8 Основні протоколи Bluetooth
Безпека
Як і для всіх радіо-засобів зв’язку, проблема безпеки в Bluetooth є
актуальною. Безпека протоколу забезпечується за допомогою механізму аутентифікації і шифрування даних, які передаються. Ключ авторизації має довжину 128 біт. Довжина ключа шифрування може бути в межах 8÷128 біт.
Крім цього, з метою безпеки використовуються ключі з'єднання (link key), які можуть бути напівпостійними і тимчасовими. Перші зберігаються в незалежній пам'яті, другі - оновлюються при кожному з'єднанні. Пристрій може генерувати
623
свій ключ (unit key). Можливе формування сумісного ключа (combination key),
при його обчисленні використовуються інформація від обох учасників майбутнього обміну. Особливе місце займає майстер-ключ (master key), який використовується для розсилки даних декільком вузлам одночасно
(використовується замість поточного ключа з'єднання (current link key)). Для виконання аутентифікації пристрою потрібно отримати від іншого учасника випадкове число, сформувати на основі нього і свого BD_ADDR деякий код і відіслати його учаснику зв’язку, який перевіряє його коректність. Якщо загальний ключ не згенерований, формується ключ ініціалізації. Ініціатор процедури посилає іншому учаснику випадкове число, яке у поєднанні з ідентифікатором BD_ADDR останнього утворює ключ ініціалізації.
Залежно від завдань, які необхідно виконати, передбачено три режими захисту в яких може працювати пристрій Bluetooth:
Режим захисту 1 - пристрій не може самостійно ініціювати захисні процедури.
Режим захисту 2 - пристрій не ініціює захисні процедури поки не встановлено і не налаштовано з'єднання. Після того, як з'єднання встановлене процедури захисту обов'язкові, і визначаються типом і вимогами служб, які використовуються.
Режим захисту 3 - захисні процедури ініціюються в процесі встановлення і налаштування з'єднання. Якщо віддалений пристрій не може задовольнити вимог захисту, це з'єднання не встановлюється.
13.2.2. Фізичний рівень Bluetooth 2.0 EDR
Нещодавно з'явилася остання версія Bluetooth 2.0 + EDR. Як видно з назви,
вона складається із двох частин, які можуть підтримуватися апаратно незалежно - це обновлена версія специфікації 2.0 (не містить принципових відмінностей від 1.2) і розширений набір швидкостей передачі даних EDR (Enhance Data Rate).
624
Рис.13.9 Модуляційні символи в режимі EDR
Швидкість передачі в пристроях, що підтримують базові специфікації
Bluetooth (1.1., 1.2. і 2.0.) складає 1 мегабіт за секунду (Мб/с). У пристроях, що підтримують специфікацію Bluetooth 2.0. і розширення EDR, швидкість передачі може складати, у залежності від використовуваного типу модуляції, 2
чи 3 Мб/с. Відповідно, ці режими визначаються як режими основної і розширеної швидкості передачі даних.
Швидкість передачі в пристроях, що підтримують базові специфікації
Bluetooth (1.1., 1.2. і 2.0.) складає 1 мегабіт за секунду (Мб/с). У пристроях, що підтримують специфікацію Bluetooth 2.0. і розширення EDR, швидкість передачі може складати, у залежності від використовуваного типу модуляції, 2
чи 3 Мб/с. Відповідно, ці режими визначаються як режими основної і розширеної швидкості передачі даних.
Нововведення Bluetooth 2.0/EDR
Коротко розглянемо ті нововведення, що дозволяють розробникам розраховувати на ріст популярності нового стандарту:
Enhanced Data Rate (EDR). З однієї сторони є багато застосувань, яким при будь-яких обставинах вистачить швидкості 721 Кбіт/с, яку надають версії
625
1.х, з іншого боку - є мультимедійні задачі, які вимагають більшої швидкості передачі. Швидкість 2.1 Мбіт/с яку надає нова версія Bluetooth,
все ще є низькою, але типових мультимедійних задач її майже достатньо.
Потрібно враховувати, що розробники Bluetooth SІG були сильно обмежені вимогами до енергоспоживання та вартості, що були і залишаються найбільш пріоритетними для даного стандарту. У Bluetooth
1.х використовується одна з найбільш примітивних схем модуляції - GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), простота якої була дуже приваблива для розробників у 1998 році, коли навіть швидкість 721 Кбіт/с
здавалася надлишковою. У Bluetooth 2.0/EDR використовується кілька альтернативних схем модуляції, завдяки яким швидкість передачі даних зростає майже втроє. При цьому, GFSK продовжує підтримуватися для сумісності.
Відсутність стрибків частоти. У Bluetooth версії 1.х зв'язок може здійснюватися одним з 79 частотних каналів. Щоб уникнути перешкод від інших пристроїв, що працюють у тім же діапазоні частот, канали міняються 1600 разів у секунду. Це досить просте рішення, а крім того, у 1998 році такий протокол міг розглядатися як непоганий апаратний захист зв'язку від зловмисників. До негативних рис такого механізму відносяться більш повільний зв'язок і труднощі в удосконаленні стандарту. У версії
Bluetooth 2.0 для захисту від перешкод використовується більш сучасний механізм, що дозволяє повніше використовувати можливості стандарту.
Підтримка Multі-cast. У персональних мережах часто виникає необхідність передавати ті самі дані декільком пристроям в той самий час.
Bluetooth 1.х передбачав багаторазову передачу цих даних по черзі, для кожного пристрою. Це дуже ускладнювало роботу в реальному часі з такими задачами, як спільне прослуховування аудіо на декількох
Bluetooth-навушниках, комп'ютерні ігри з декількома учасниками, що синхронізуються по Bluetooth. Крім того, це просто сповільнює роботу,
оскільки щоразу треба заново встановлювати зв'язок з новим пристроєм,
626
що забирає деякий час. У Bluetooth 2.0 передбачена можливість
одночасного відправлення декільком пристроям тих самих даних. Ця
можливість називається "Multі-cast".
Система QoS (Quality of Service). При використанні інтерфейсу Bluetooth
для зв'язку з декількома пристроями одночасно виникають небажані затримки. Їх можна було б уникнути, якби потоки даних були краще організовані. Специфікація Bluetooth 2.0 передбачає спеціальний механізм
QoS (Quality of Service), що забезпечує взаємодію пристроїв з мінімальною кількістю затримок. Пристрої, що підтримують QoS,
взаємодіють між собою для узгодження вимог щодо якості зв’язку. Таким чином, без підвищення реальної швидкості передачі даних, вдається усунути ефект пригальмовування, що так дратує користувачів.
Розподілений контроль доступу до середовища. Модель мережі в ранніх версіях Bluetooth була дуже проста. Мережа містить один головний і від одного до семи підлеглих пристроїв. Дані можуть передаватися тільки між головним ("master") і підлеглим ("slave") пристроями. При цьому,
головний пристрій контролює доступ пристроїв до середовища передачі даних. Якщо головний пристрій з якоїсь вийде з ладу мережа не зможе функціонувати. У Bluetooth 2.0 з'явився новий протокол, що передбачає розподілений контроль за доступом до середовища передачі усуваючи недолік використання тільки одного головного пристрою. Крім того, у Bluetooth 2.0 максимальний розмір мережі збільшений з 8 до 256
пристроїв. У версіях 1.х для збільшення мережі передбачався досить незручний механізм об'єднання простих Bluetooth-мереж ("pіconet") в
одну велику мережу ("scatternet"). При цьому, один пристрій був головним в одній простій мережі і підлеглим в іншій. У версії 2.0 від 1 до
255 підлеглих пристроїв з'єднуються з одним головним.
Посилене енергозбереження. Ріст швидкості передачі даних у Bluetooth 2.0 привів до росту споживання потужності. Однак, споживання потужність виросло не так сильно, як швидкість, тому загальні витрата
627
енергії на передачу того самого обсягу даних помітно скоротився. Краща організація роботи з даними також вплинула на енергоспоживання у бік його скорочення. Наприклад, використання одночасної передачі даних декільком пристроям є ощадливішою, ніж передача цих даних кожному пристрою окремо.
Зворотна сумісність з попередніми версіями. Специфікація Bluetooth
версії 2.0 передбачає повну сумісність із усіма попередніми версіями.
Пристрій, що підтримує новий стандарт, здатний обмінюватися даними з пристроями усіх версій, навіть якщо вони об'єднані в одну мережу. При цьому, з новими пристроями буде йти обмін даними на підвищеній швидкості 2.1 Мбіт/с, а зі старими - 721 Кбіт/с.
У листопаді 2004 року Bluetooth SІG випустила специфікацію Bluetooth
2.0+EDR (Enhanced Data Rate). Компанії Broadcom, CSR, і RF Mіcro Devіces
зробили тестування прототипів 2.0+EDR і практично відразу ж почали серійний випуск чіпів. Однак швидкого витіснення версій 1.х з ринку не почалося.
Першим пристроєм з підтримкою Bluetooth 2.0+EDR став не телефон (як можна було припустити), а ноутбук від компанії Apple.
Розробка версії Bluetooth 2.0+EDR передбачала досягнення таких цілей:
надання більших швидкостей передачі порівняно із попередніми версіями стандарту, зручності користування персональними мережами
використання стандарту як ―універсального‖ - використовувати його не тільки в персональних мережах, а і для інших застосувань.
Постійний ріст кількості Bluetooth-пристроїв може викликати збільшення розміру персональних мереж, де всі пристрої можуть працювати одночасно,
заважаючи один одному. Bluetooth 1.х не готовий обслувувати потреби таких мереж. Якщо Bluetooth SІG хоче і далі представляти стандарт, що випереджає свій час, їй потрібно щось краще, ніж 1.х.
Стандарт Bluetooth 1.х зараз широко застосовується для персональних
628
мереж та для вирішення ряду інших задач (, сенсорів та ін.). В цих областях ринку із стандартом Bluetooth 1.х конкурує Wі-Fі і Zіgbee.
Розширений набір швидкостей означає, що, крім базової швидкості 1
Мбіт/с, можливий обмін зі швидкостями 2 і 3 Мбіт/с. Збільшення швидкості передачі відбувається за рахунок зміни методів модуляції. У базовій версії використається частотна модуляція з фільтром Гаусса (GFSK), з одним бітом на модуляційний символ. Швидкість модуляції при цьому дорівнює швидкості потоку даних і становить 1 Мбіт/с. В режимі EDR застосовується диференціальна фазова модуляція π/4-DPSK і 8-DPSK (рис. 13.9), у яких один модуляційний символ представляє відповідно два і три біти (модуляція називається диференціальної, оскільки зміна фази відбувається щодо попереднього символу). У результаті при тій же швидкості модуляції 1 Мбіт/с
швидкість передачі даних становить 2 і 3 Мбіт/с. Режим EDR можливий не тільки при асинхронному з'єднанні, але й у розширеному синхронному (eSCO).
Застосування та перспективи
У безпровідної технології Bluetooth велике майбутнє. ЇЇ інтеграція з Інтернетом може стати якісно новим етапом в розвитку мережевої інфраструктури, внаслідок таких особливостей:
невеликий радіус дії, означає невелику потужність передавача та низьке її споживання;
висока стійкість до завад та відсутність впливу Bluetooth-пристроїв на побутову техніку;
низька вартість.
Незважаючи на свої переваги стандарт Bluetooth, як мережевий, сьогодні використовується дуже рідко. Причинами цього можна вважати те, що він є новою технологією та дуже універсальний (недостатня швидкість передачі для вимогливих задач, зависока вартість обладнання для простих задач).
629
Щоб вирішити ці протиріччя та стандартизувати персональні мережі було розроблено два нових стандарти передачі даних: IEEE 802.15.3, IEEE 802.15.4.
13.3. Високошвидкісні мережі стандартів IEEE 802.15.3/3а
Призначення
Стандарт IEEE 802.15.3 описує роботу малої БСПІ – пікомережі (piconet).
Пікомережа в стандарті ІЕЕЕ 802.15.3 – це так звана ad-hoc – система, в якій декілька незалежних пристроїв можуть безпосередньо взаємодіяти один з одним. Радіус зони дії одної пікомережі, як правило, не перевищує 10 м.
Основні вимоги до неї – висока швидкість передачі даних, проста інфраструктура, простота встановлення з’єднання і входження в мережу,
наявність засобів захисту даних і надання для визначених типів даних з’єднання з гарантованими параметрами передачі (гарантія якості передачі
QoS).
Швидкість передачі для мереж IEEE 802.15.3 становить 11÷55 Мбіт/с.
Специфікацію ІЕЕЕ 802.15.3 не встигли затвердити (а сталось це 12 червня
2003 року), як весь телекомунікаційний світ став очікувати появу нового стандарту – ІЕЕЕ 802.15.3а. Мова йде про розробку принципів побудови пікомережі зі швидкістю обміну 110÷480 Мбіт/с і вище – до 1320 Мбіт/с.
13.3.1. Мережі стандарту IEEE 802.15.3
Структура
Пікомережа (рис. 13.10) може об’єднувати декілька пристроїв, один з яких виконує функції керування (координатор пікомережі – Piconet Coordinator, PNC). Стандарт також передбачає можливість формування так званих дочірніх пікомереж і описує взаємодію між незалежними сусідніми пікомережами.
Обмін даними в мережі
В пікомережі можливий обмін як асинхронними, так і ізохронними
(потоковими) даними.
630