10.8. Технология Bluetooth

В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth («Синий зуб»). Начало разработки этой технологии было положено в 1994 году компанией Ericsson. В 1998 г. Компании Nokia, IBM, Toshiba, Intel подключились к этой разработке для совместных усилий по унификации и продвижению технологии Bluetooth на рынок. В 2000 году была опубликована версия 1.1 спецификации Bluetooth, а в 2002 году IEEE был одобрен новый стандарт беспроводных коммуникаций, который был создан на основе спецификации Bluetooth 1.1 и получил обозначение IEEE 802.15.1.

Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), со­стоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, рас­положенных в радиусе 10 м. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального узла – моста. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet). Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может под­держивать до 255 так называемых «отдыхающих» узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления (за счет этого продлевается ресурс источников питания мобильных абонентов). В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от глав­ного узла. В основе пикосетей ле­жит принцип централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчи­ненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, описывающий радиосвязь и применяемые методы модуляции. Уровень немодулированной передачи напоминает традиционный подуровень MAC, но включает в себя и некоторые элементы физического уровня. Здесь описыва­ется то, как главный узел управляет временными интервалами и как эти интер­валы группируются в кадры. Далее следует уровень, содержащий группу связанных между собой протоко­лов. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы меж­ду устройствами, управляет режимами энергопотребления, идентификацией, а также качеством предоставляемых услуг. Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями (часто называемый L2CAP) скрывает от верхних уровней технические детали нижних уровней. Его можно считать анало­гом обычного подуровня LLC из семейства стандартов 802. Аудиопротоколы и протоколы управления, как следует из их назва­ния, занимаются соответственно передачей звука и управлением. Приложения могут обращаться к ним напрямую, минуя протокол L2CAP.

Следующий уровень называется связующим и содержит множество разно­образных протоколов, таких как протокол высокочастотной связи, телефонии и определения сервисов. На самом верхнем уровне находятся приложения. Они работают с протоколами нижних уровней, которые обеспечивают их функционирование. Каждому приложению сопоставлен свой набор протоколов.

Физический (радиотехнический) уровень переносит информацию бит за битом от главного узла к под­чиненным и обратно. В реальности это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в диапазоне радиоволн 2400 – 2483,5 МГц. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. В качестве метода модуляции применяется частотная манипуляция с 1 битом на герц, что дает сум­марную скорость 1 Мбит/с. Однако большая часть спектра занята служебной ин­формацией. Для распределения каналов применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (1600 скачков частоты в секунду, время пребывания – 625 мкс). Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновремен­но. Последовательность частот генерируется главным узлом.

Несмотря на то, что сети 802.11 и Bluetooth работают в одном и том же диапазоне частот на одних и тех же 79 каналах, оба этих стан­дарта могут быть использованы на одной площадке (причем даже без су­щественного снижения производи­тельности) благодаря разным схемам модуляции и использования. Однако Bluetooth развивается гораздо стремительнее 802.11, и, скорее всего, он вытеснит сети 802.11.

Уровень немодулированной передачи – это наиболее близкий к МАС-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. Это, 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. Тактирование со скачкообразным изменением частоты отводит на успокое­ние системы 250–260 мкс при каждом скачке. В кадре, состоящем из одного такта, после успокоения системы остается время на передачу 366 из 625 бит. Из них 126 бит уходит на код доступа и заголовок. Остается 240 бит полезной информации на кадр. Если совместить пять временных интервалов в один кадр, то понадобится всего один период успокоения системы, поэтому длинные кад­ры эффективнее однотактовых.

Все кадры передаются между главным и подчиненными узлами по логическо­му каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений. Пер­вый называется ACL (Asynchronous ConnectionLess – асинхронный без установ­ления связи) и он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Такие данные появляются с уровня L2CAP на передающей стороне и доставляются на тот же уровень на принимаю­щей стороне. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных прилагае­мых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только од­но ACL-соединение со своим главным узлом. Второй вид соединения называется SCO (Synchronous Connection Oriented – синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в ре­альном масштабе времени – это требуется, например, при телефонных разгово­рах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для пере­дачи в каждом из направлений. Кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются зано­во. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечи­вающая более надежное соединение.

Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями L2CAP выполняет три основные функции. Во-первых, он принимает па­кеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на кадры для пере­дачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень прото­колов используется для обратного действия – объединения кадров в пакеты.

Во-вторых, L2CAP занимается мультиплексированием и демультиплексиро­ванием множества источников пакетов. После сборки пакета он определяет, куда следует направить пакет. В-третьих, L2CAP отвечает за качество обслуживания как во время передачи, так и во время ожидания. Во время установления соединения он договаривается о максимально разрешенном количестве передаваемой полезной информации, что позволяет избежать «заваливания» данными того устройства, которому приходится работать с относительно маленькими пакетами.

Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирования, то есть в одном вре­менном слоте передает одно устрой­ство, а в следующем – другое. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.

Установление соединения между двумя устройствами происходит в два этапа. На первом этапе, называемом «Опрос» (Inquiry), главный узел выяс­няет, какие узлы находятся в ра­диусе его действия и каковы их адреса. На втором этапе – «Персональный Вызов» (Page), главный узел устанавливает связь с конкретным узлом. Все процедуры опроса и вызова выполняются только главным узлом. Для первоначальной процедуры ус­тановления связи используются корот­кие пакеты длиной 68 бит, а скорость переключения частот увеличивается вдвое (до 3200 раз в секунду). После получения ответа происходят синхро­низация схем переключения частот (подчиненный узел получает ее от главного узла) и обмен пробными пакетами, после чего соединение считается установ­ленным.

На одном и том же пространстве мо­гут располагаться несколько пикосетей. В каждой из них имеется свой главный узел, поэтому они имеют различные независимые схемы пере­ключения частот. Чем больше пикосетей расположено на одной площаде, тем выше вероятность столкновений и, следовательно, снижения производи­тельности. Если несколько пикосетей располо­жены на одной и той же площади, то они могут быть объединены в распре­деленную сеть. Объединение проис­ходит на основе временного мульти­плексирования, то есть одновременно в двух пикосетях никакой узел работать не может. Для перехода из одной пикосети в другую узел должен поменять схему смены частот. При этом один и то же узел мо­жет быть главным в «своей» пикосе­ти и подчиненным в «чужой» При подклю­чении новых узлов допускается смена роли узла – с главного на подчиненного, вследствие чего ассоции­рованная с ним пикосеть разваливает­ся и ее приходится собирать вновь под управлением нового главного узла. Поскольку пикосети, объединен­ные в распределенную сеть, использу­ют разные схемы смены частот, то производительность каждой из них не снижается, однако возрастает вероят­ность возникнове­ния взаимных помех.

Технология Bluetooth имеет хорошую перспективу. Она совместима с большинством популярных протоколов и систем связи. Стоимость устройств Bluetooth относительно невысока, так как эта технология изначально задумывалась как общедоступная. При этом Bluetooth позволяет обеспечить высокое качество передачи информации и высокую степень её защиты.

Резюме

Стан­дарты межсетевого взаимодействия IEEE 802.x характеризуют базовые сетевые технологии, содержат рекомендации по проектированию сетей и сетевых устройств, описывают взаимодействие между собой различных технологий и построение более сложных сетей на основе базовых технологий.

Канальный уровень протоколов 802.x разбит на подуровни, включающие подуровень управления доступом к среде передачи данных и подуровень управления логическим соединением, задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов 802.x невидимыми для сетевого уровня.

На сегодняшний день самой популярной и распространенной технологией построения локальных сетей является технология Ethernet. За время своего развития сети Ethernet прошли несколько этапов эволюции скоростей передачи данных: 10 Мбит/с в первоначальном стандарте Ethernet, 100 Мбит/с – в стандарте Fast Ethernet, 1 Гбит/с – в стандарте Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с – в стандарте 10Gigabit Ethernet. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных – множественный доступ с контролем несущей частоты и избежанием коллизий (протокол CSMA/CD).

Технология локальных сетей Token Ring и другие подобные ей технологии к настоящему времени практически не распространены, однако знакомство с ними представляет методический интерес с точки зрения рассмотрения возможных решений по организации вычислительных сетей, отличных от технологии Ethernet. В Token Ring используется метод доступа с передачей специального пакета – маркера, непрерывно циркулирующего по сетевому кольцу. Теоретически передача маркера более эффективна, чем механизм CSMA/CD, так как обеспечивает всем станциям равные возможности для передачи данных, не создавая коллизий и не снижая производительности сети при высоких уровнях нагрузки.

Альтернативу кабельным сетям представляют беспроводные вычислительные сети, которые на современном уровне своего развития уже способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями.

Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11, определяющие методы передачи данных в инфракрасном диапазоне и нескольких радиодиапазонах электромагнитных волн со скоростями от 1–2 Мбит/с до 54 Мбит/с. Стандарты 802.11 поддерживают два способа работы. Способ «распреде­ленной координации» DCF не имеет никаких средств централизованного управле­ния, а в способе «сосредоточенной координации» PCF базовая станция берет на себя функции управления активностью всех станций данной соты. В DCF 802.11 используется протокол множественного доступа с контролем несущей частоты и избежанием коллизий CSMA/CA.

В соответствии со стандартом 802.11 все совместимые беспроводные ЛВС должны предоставлять две катего­рии сервисов. Сервисы распределения связаны с управлени­ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак­тивностью внутри одной соты.

Технологии организации и функционирования беспроводных региональных (широкополосных) сетей стандартизованы в спецификации IEEE 802.16. В каждой ячейке (соте) региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке сети стандарта 802.11, и при этом каждому поль­зователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Из-за потенциально большого числа пользователей и связанной с этим значительной нагрузкой, сети 802.16, как правило, рабо­тают в высокочастотном диапазоне 10–66 ГГц. В зависимости от удаления абонент­ской станции обеспечиваются скорости передачи данных от 150 Мбит/с на близком расстоянии от базовой станции до 50 Мбит/с – на дальнем.

В стандарте 802.16 определены сервис с постоянной битовой скоростью, сервис с переменной битовой скоростью (работающий в реальном масштабе времени), сервис с переменной битовой скоростью (работающий не в реальном масштабе времени), сервис с обязательством приложения максимальных усилий для установления связи.

В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth. Основу Bluetooth составляет пикосеть, со­стоящая из одного главного узла и нескольких подчиненных узлов. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального мостов. Функционирование пикосетей базируется на принципах централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирова-ния. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.

Технология Bluetooth экономически эффективна и совместима с большинством популярных систем связи, она способна обеспечить качественную и хорошо защищенную передачу информации.