Информационни технологии & Интернет

автор: Владислав Николаев Стоянов

Bluetooth. Тази безсмислена като превод дума (буквалния й превод е “син зъб”) все по-често се среща в материалите, посветени на компютрите. Най-вероятно вие знаете, че става дума за технология, чрез която се изграждат безжични мрежи, в които могат да участват не само компютри, но и други устройства – например мобилни телефони или дори апарати от домашния ни интериор – печки, хладилиници…

Технологии за безжично свързване са били разработвани и преди Bluetooth, но по една или друга причина нито една от тях не е получила широко разпространение. От друга страна, има причини, който не позволяват на Bluetоoth да увеличи своя дял при текущо използваните интерфейси. Ето някои от тях:

• висока (засега) производствена цена на необходимата за функционирането на интерфейса елементна база
• липса на добра поддръжка на ниво операционна система (може да бъде решено с написване на драйвери)
• липса на интерес от страна на производителите да предлагат устройства с Bluetooth интерфейс
• нерешени проблеми със запазването на неприкосновеността на обменяните между устройствата данни (лесно се прихващат и декодират от разстояние)
• ниска скорост на предаване на данни
• малък обхват на устройствата

От друга страна, има предимства, които може би ще помогнат на тази технология да си изгради добро бъдеще (на Bluetooth в сегашния му вид или на негов наследник, изчистен от недостатъците на предшественика):

• добре обмислена структура
• неотклонно намаляваща цена на хардуерния модул (едночипово решение)
• поддръжка от страна на консорциум, основан през 1998 г, със свободно безплатно членство, в който членуват над 2000 компании, между които IBM, Intel, Nokia, Ericsson, Toshiba, 3COM, Lucent, Microsoft.

Конструкция и основни параметри на Bluetooth

Конструктивно, най-грубо погледнато, Bluetooth-устройството представлява хардуерен модул (обособен или интегриран, изпълняващ функциите на радиопредавател/приемник под управлението на драйвер. Приемо-предавателят според спецификациите трябва да работи в честотния диапазон от 2400 – 2483,5 MHz ISM , който е свободен за използване в повечето държави и не изисква лицензиране. Съществуват държави като Франция и Япония, в които част от този диапазон се използва и за други цели, там диапазонът за тези устройства е стеснен до 2445-2475 MHz (Испания), 2446,5-2483,5 (Франция).

Bluetooth (увеличен)

Разстояние, на което могат да се отдалечат две устройства е около 20-30 метра (типичното разстояние обикновено не надвишава 10 метра), но се работи по удължаването му. В замяна на това, няколко Bluetooth устройства могат да се свържат в мрежа и през стена (стени) или на няколко етажа в една сграда, без да има необходимост от пряка видимост или външна антена, по същия начин, по който могат да се свързват IEEE 802.11 устройствата, разгледани по-подробно в материала за безжичните комуникационни устройства.

Широчината на канала е 723,2 Kb/sec. за устройства, работещи в асинхронен режим, и 433,9 Kb/sec. за работещите в синхронен режим.

Когато по канала е се предават данни, могат да бъдат предавани 3 аудиоканала, като всеки едни от тях поддържа 64 Kb/sec. синхронен пренос. Допуска се съставен сигнал от данни и аудио.

Bluetooth има и друга, отличваща го от останалите технологии особеност: различните Bluetooth устройства влизат в контакт едно с друго автоматично, веднага след като попаднат в обсега на приемо-предавателя, а за установяването на връзката, аутентификацията и др. се грижи програмното осигуряване.

Принцип на действие

Едно от големите предимства на Bluetooth е, че устройството, поддържащо стандарта, влизайки в обхват може да установи връзка не с едно, а с множество други, поддържащи тази технология, като не е задължително те да си взаимодействат активно.

Устройство, обменящо активно информация с други устройства, според терминологията на Bluetooth се нарича master, a устройствата, с които то комуникира активно се наричат slave, като максималния брой slave устройства може да бъде 7. Освен това може да съществуват още неограничен брой неактивни slave устройства, които са установили връзка с него, макар, че са синхронизирани с master, не обменят данни с последния, очаквайки освобождаване на свободно място, за да осъществят преноса на данни. Такъв тип връзка между устройствата се нарича piconet. В рамките на една piconet връзка може да има само едно master устройство, но когато е необходимо, свързаното с него slave може да смени статуса си на master, образувайки своя pinocet структура. Този тип сложна съставна структура носи наименованието scatternet, в която всяко едно устройство може да бъде едновременно и master и slave, в зависимост от конкртената ситуация и мястото му в структурата.

Bluetooth протокола използва комбинация от обиколно и пакетно превключване. Слотовете могат да бъдат резервирани за синхронни пакети. Bluetooth може да поддържа асинхронен даннов канал, най-много до три едновременни гласови канала или един канал, който едновременно поддържа асинхронни данни и синхронен глас. Всеки гласов канал поддържа 64 kb/s синхронен (гласов) канал във всяка посока. Асинхронния канал може да поддържа максимално 723 kb/s асиметричен или 433 kb/s симетричен.
Bluetooth системата е съставена от радио блок, блок за контрол на връзката и поддръжка на блок за управление на връзката и host terminal interface functions. Тази част описва спецификацията на Bluetooth контролера на връзката, който носи baseband протоколи и други low-level link routines. Bluetooth системата осигурява връзка от типа точка-точка (включва само две Bluetooth устройства) или точка-много точки, показани на фиг.1.2. Във връзката точка-много точки, каналът е споделен между няколко Bluetooth блока. Два или повече блока споделили един общ канал образуват пиконет (piconet). Едно Bluetooth устройство участва като главно (master) за пиконета, докато другите са подчинени. Най-много седем подчинени устройства могат да бъдат активни в пиконета. В допълнение на това, много повече подчинени могат да съществуват включени към главния в т.н. затворено състояние (parked state). Тези затворени подчинени устройства не могат да бъдат активни по канала, но остават синхронизирани към главния. Достъпа до каналът за активни и затворени подчинени се контролира от главния.
Няколко пиконета с припокриване в общия ефирен ресурс формират един скатернет (scatternet). Всеки пиконет може да има само едно главно устройство. Подчинените устройства могат да бъдат раздлени в различни пиконети на принципа на времеразделното мултиплексиране. Главно устройство в един пиконет може да бъде подчинено в друг пиконет. Пиконетите не трябва да са синхронизирани по честота. Всеки пиконет има свой собствен диапазон в канала.

По този начин една scatternet мрежа от Bluetooth устройства е един, образно казано, динамично променящ се организъм, преобразуващ структурата си според текущите нужди (в зависимост от това, към кои точки от мрежата се комутират новите устройства).

Разбира се, за да се избегне дублирането на устройствата и други нежелани отклонения, всяко устройство, освен уникалното си име, взаимодейства с другите, използвайки различен канал за връзка, на различна честота и с различен от другите параметър hopping, характеризиращ hopping channel (хопинг-канал). Хопинг (hopping)-това е периодична промяна на честотата, определяна от параметъра hopping sequence. По спецификация, пълният вариант на която можете да намерите на www.bluetooth.com, включваща 10 варианта на hopping sequence. При всеки от тези десет варианта честотата се променя 1 600 hops/sec.

Ето какво представлява най-просто казано процеса установяване на връзка на ново устройство, попаднало в обхвата на друго (други) Bluetooth устройства. Първоначално всяко Bluetooth устройство, попадайки в някакво пространствено положение, извършва претърсване на каналите за свързване, търсейки други устройства. Този режим носи името Device Discovery, и, в зависимост от това, в кой от описаните режими се намират евентуално откритите устройства, се установява или не връзка. Тези устройства може да се намират в няколко режима:

• discovery mode-устройствата, работещи при този режим се намират в готовност да приемат установяващите връзка процедури.
• limited diskoverable mode-при този режим устройствата приемат връзката само при спазване на някои условия (например ограничено време).
• non-discoverable mode-този режим се използва когат устройствата не трябва да приемат нови запитвания.

Освен всичко това, устройствата, намиращи се в някои от първите два режима могат да пребивават и в connectable или non-connectable mode. Ако устройството е в първия mode, устройствата разменят служебна информация, настройвайки специфични параметри на връзката помежду им.

От друга страна при положение, че устройството е във втория mode, то може да бъде открито от участници в сеанса, но не позволява установяване на някои параметри на връзката и респективно, приемането и предаването на данни.

На следващия етап се извършва прочитането на имената на всички достъпни Bluetooth устройства. Според спецификациите, освен, че разполага с уникален мрежов адрес, всяко устройство на ниво потребител оперира със собствено име. Името на устройството може да бъде с дължина до 248 байта, като не задължително то да бъде уникално в рамките на една мрежа от Bluetooth устройства.

Bluetooth устройствата имат много ценно свойство, определено от спецификациите, което му позволява автоматично, при установена връзка с друго устройство, автоматично да се включи към списъка с предоставените от последното (или последните) услуги. За това се “грижи” протоколът Service Discovery Protocol (SDP).

Физичен канал

Дефиниция за канал

Каналът е представен от псевдо-случайна hopping честота променяща се през 79-ти или 23-ти RF канали. Hopping честотата е уникална за пиконет и е определена от адреса на Bluetooth устройството. Каналът е разделен на времеви слотове, където всеки слот кореспондира към RF честотния диапазон/hop frequency/. Номиналната стойност е 1600 hops/s.

Времеви слотове

Каналът е разделен на времеви слотове, всеки с дължина 625 s. Тези слотове са номерирани според Bluetooth честотата на главното устройство. Номерирането на слотовете започва от 0 до и е цикличен с дължина . Във времевия слот главното и подчиненото устройство могат да предават пакети.
Времеразделящата схема се използва когато главното и подчиненото устройство предават данни алтернативно. Главното устройство ще започне предаването в четно-номериран времеви слот, а подчиненото в слот с нечетен номер. Началото стартовия пакет е изравнено с началото на слота. Пакетното предаване от главния възел или от подчинения, може да се разтегли върху пет слота.

Физично свързване

Обща информация

Дефинирани са два различни вида свързване между главно и подчинено, подчинени устройства:
- Синхронно Свързване (SCO)
- Асинхронно Свързване (ACL)
SCO свързването е свързване от типа точка-точка, между главно и подчинено устройство в един пиконет. Главното поддържа SCO връзката използвайки запазени слотове през равни интервали. ACL свързването е свързване от типа точка-много точки, между главното и подчинените устройства, които участват в един пиконет.

SCО свързване

SCO свързването е симетрично, точка-точка свързване между главното и специфично подчинено устройство. SCO свързването запазва слотове и затова може да се разглежда като кръгово-превключващо се свързване между главното и подчиненото устройство. SCO връзката типично поддържа времево-ограничена информация като глас. Главното устройство може да поддържа най-много до три SCO връзки към същият подчинен или към различни подчинени. Едно подчинено устройство може да поддържа най-много до три SCO връзки от същото главно устройство или две SCO връзки, ако те са създадени от различни главни устройства. SCO пакетите никога не се препредават.
Главното устройство ще изпраща SCO пакети през равни интервали, т.н. SCO интервал TSCO (преброен в слотове), към подчиненото в резервиран главно-към-подчинено слот. SCO подчиненото е винаги готово да отговори с SCO пакет в следващия подчинено-към-главно слот, освен ако друго подчинено устройство не е адресирано с предишния главно-към-подчинено слот. Ако SCO подчиненото не успее да декодира адреса на подчиненото устройство в заглавието на пакета, то все още е позволено да се върне SCO пакет в резервирания SCO слот.
SCO свързването се установява от главното устройство изпращайки SCO настройващо съобщение през LM протокола. Това съобщение съдържа временни параметри като SCO интервал TSCO и началото DSCO за определяне на резервирания слот.
За да се предотврати clock wrap-around problems, инициализиращ флаг в LMP настройващото съобщение индицира дали инициализираща процедура 1 или 2 се използва. Подчиненото устройство ще приеме инициализиращият метод като индицира от инициализиращият флаг. Главното устройства използват инициализация 1, когато MSB на текущата честота на главното устройство (CLK27) e 0 и ползва инициализация 2, когато MSB на текущата честота на главното устройство (CLK27) e 1. SCO слотът главно-към-подчинено резервиран от главното устройство и подчиненото ще се инициализира върху слота, за който честотата отговаря на следното уравнение:

за инициализация 1
за инициализация 2

SCO слотът подчинено-към-главно директно ще следва резервираните SCO слотове главно-към-подчинено. След инициализация, стойността на честотата за следващия главно-към-подчинено SCO слот се намира като се прибави фиксирания интервал към стойността на честотата на текущият главно-към-подчинено SCO слот

ACL свързване

В слотовете, които не са резервирани за SCO свързване, главното устройство може да обменя пакети с всяко подчинено устройство on per-slot basis. ACL свързването осигурява пакетно-превключващо свързване между главното и всички активни подчинени устройства, които участват в пиконета. Поддържат се както асинхронно, така и синхронно обслужване. Между главно и подчинено устройство може да съществува само една ACL връзка. За повечето ACL пакети се използва пакетно препращане, за да осигури целостта на данните.
На подчинените устройства е позволено да връщат ACL пакети в подчинено-към-главно слот и то само ако е бил адресиран в предишен главно-към-подчинено слот. Ако подчиненото не успее да декодира адреса на подчиненото устройство в пакетното заглавие, то не му се разрешава да предава данни.
ACL пакетите, които не са адресирани към специфично подчинено устройство се приемат и четат от всички подчинени устройства.

Защита:

1. Security mode 1 (non secure) – устройството няма право да активира защитни механизми.
2. Security mode 2 (service level enforced security) – устройството не активира защитни механизми, докато не бъде свързано с друго, след което механизмът за защита се активира в съответствия с типа и изискванията на използваните служби.
3. Security mode 3 (link level enforced security) – защитният механизъм се активира още по време на установаване на връзката, като ако някое от устройствата не отговаря на изискванията, то няма да може да се свърже.

Security mode 2 и 3 могат да се използват съвместно, което още увеличава нивото на защита, като основата за най-високата степен на защита в Security mode 3 е сеансовият ключ, или Bond. Сеансовият ключ се генерира в процеса на свързване на двете устройства, и се използва за идентифициране и криптиране на данните. Макар че системата за защита на стандарта Bluetooth използва множество известни и специфични методи за защита, очебийно е това, че съществува възможност за прихващане на трафика и разшифроването на данните впоследствие – нещо, което е един сериозен недостатък на безжичните комуникации и кето трябва да се има предвид.

Сходни статии:

1. Хард дискове, харддискови устройства и интерфейси Хард дискът е устройството, което съхранява по-голяма част от данните на потребителя. Тъй като данните все пак са най-ценното във вашата система, разумно е да се предположи, че харддискът е,...
2. Интерфейсни микропроцесорни устройства Интерфейсните устройства осъществяват връзката между микропроцесора и широк кръг от външни, периферни устройства. Те са необходими компоненти за една действаща микропроцесорна система. Входните периферни устройства внасят данни в микропроцесора, изходните...
3. Микропроцесор Intel I80386 Микропроцесор Intel I80386 е първият 32-разреден микропроцесор от фамилията Интел. Той беше обявен през 1985г. Преализиран чрез CHMOS III технология с норми 1, 5 микрометри и съдържа над 275 000...
4. Памет и процесор Организация на памет. Описание на интерфейса между паметта и процесора. Паметта изглежда като матрица, където броят на редовете определя броят различни адреси от паметта, а броят на колоните определя броят...
5. Конструиране на обекти с помощта на компютър Етапи и задачи на конструирането на обекти с помощта на компютър. Формализиране на дейностите. Конструирането е процес чиято крайна цел е създаване на техническа документация за проектния обект, за да...