Персональные сети и технология Bluetooth

Особенности персональных сетей

Персональные сети (Personal Area Network, PAN) предназначены для взаимодействия устройств, принадлежащих одному владельцу, на небольшом расстоянии, обычно в радиусе 10м. Такими устройствами могут быть ноутбук, мобильный телефон, принтер, карманный компьютер (Personal Digital Assistant, PDA), телевизор, а также многочисленные бытовые приборы, например, холодильник.

Персональные сети предназначены для соединения устройств, принадлежащих, как правило, одному пользователю, на небольших расстояниях. Типичным примером PAN является беспроводное соединение компьютера с периферийными устройствами, такими как принтер, наушники, мышь, клавиатура и т. п. Мобильные телефоны также используют технологию PAN для соединения со своей периферией (чаще всего это наушники), а также с компьютером своего владельца. Некоторые марки наручных часов стали поддерживать технологию PAN, превращаясь в универсальные устройства с функциями PDA.

Персональные сети должны обеспечивать как фиксированный доступ, например, в преде­лах дома, так и мобильный, когда владелец устройств PAN перемещается вместе с ними между помещениями или городами.

Персональные сети во многом похожи на локальные, но у них есть и свои особенности.

§ Многие из устройств, которые могут входить в персональную сеть, гораздо проще, чем традиционный узел LAN — компьютер. Кроме того, такие устройства обычно имеют не­большие габариты и стоимость. Поэтому стандарты PAN должны учитывать, что их реа­лизация должна приводить к недорогим решениям, потребляющим небольшую энергию.

§ Область покрытия PAN меньше области покрытия LAN, узлы PAN часто находятся на расстоянии нескольких метров друг от друга.

§ Высокие требования к безопасности. Персональные устройства, путешествуя вместе со своим владельцем, попадают в различное окружение. Иногда они должны взаимо­действовать с устройствами других персональных сетей, например, если их владелец встретил на улице своего знакомого и решил переписать из его устройства PDA в свое несколько адресов общих знакомых. В других случаях такое взаимодействие явно нежелательно, так как может привести к утечке конфиденциальной информации. Поэтому протоколы PAN должны обеспечивать разнообразные методы аутентификации устройств и шифрования данных в мобильной обстановке.

§ При соединении малогабаритных устройств между собой желание избавиться от кабелей проявляется гораздо сильнее, чем при соединении компьютера с принтером или концентратором. Из-за этого персональные сети в гораздо большей степени, чем локальные, тяготеют к беспроводным решениям.

§ Если человек постоянно носит устройство PAN с собой и на себе, то оно не должно причинять вред его здоровью. Поэтому такое устройство должно излучать сигналы не­большой мощности, желательно не более 100 мВт (обычный сотовый телефон излучает сигналы мощностью от 600 мВт до 3 Вт).

Сегодня самой популярной технологией PAN является Bluetooth, которая обеспечивает взаимодействие 8 устройств в разделяемой среде диапазона 2,4 МГц со скоростью передачи данных до 723 Кбит/с.

Архитектура Bluetooth

Стандарт Bluetooth разработан группой Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), которая была организована по инициативе компании Ericsson. Стандарт Bluetooth также адаптирован рабочей группой IEEE 802.15.1 в соответствии с общей структурой стандартов IEEE 802.

В технологии Bluetooth используется концепция пикосети. Название подчеркивает не­большую область покрытия, от 10 до 100 м, в зависимости от мощности излучения пере­датчика устройства. В пикосеть может входить до 255 устройств, но только 8 из них могут в каждый момент бремени быть активными и обмениваться данными. Одно из устройств в пикосети является главным, остальные — подчиненными (рис. 12.21).

Активное подчиненное устройство может обмениваться данными только с главным устрой­ством, прямой обмен между подчиненными устройствами невозможен. Все подчиненные устройства данной пикосети, кроме семи активных, должны находиться в режиме пони­женного энергопотребления, в котором они только периодически прослушивают команду главного устройства для перехода в активное состояние.

Рис. 12.21. Пикосеть и рассредоточенная сеть

 

Главное устройство отвечает за доступ к разделяемой среде пикосети, которая представляет собой нелицензируемые частоты диапазона 2,4 ГГц. Разделяемая среда передает данные со скоростью до 3 Мбит/с, но из-за накладных расходов на заголовки пакетов и смену частот полезная скорость передачи данных в среде не превышает 2,1 Мбит/с. Пропускная способ­ность среды делится главным устройством между семью подчиненными устройствами на основе техники TDM.

Такая архитектура позволяет применять более простые протоколы в устройствах, выпол­няющих функции подчиненных (например, в радионаушниках), и отдает более сложные функции управления пикосетью компьютеру, который, скорее всего, и будет главным устройством этой сети.

Присоединение к пикосети происходит динамически. Главное устройство пикосети, ис­пользуя процедуру опроса, собирает информацию об устройствах, которые попадают в зону его пикосети. После обнаружения нового устройства главное устройство проводит с ним переговоры. Если желание подчиненного устройства присоединиться к пикосети совпадает с решением главного устройства (подчиненное устройство прошло проверку аутентич­ности и оказалось в списке разрешенных устройств), то новое подчиненное устройство присоединяется к сети.

ПРИМЕЧАНИЕ

Безопасность сетей Bluetooth обеспечивается за счет аутентификации устройств и шифрования передаваемого трафика. Протоколы Bluetooth обеспечивают более высокий уровень защиты, чем протокол WEP стандарта IEEE 802.11.

Несколько пикосетей, которые обмениваются между собой данными, образуют рассредоточен* ную сеть. Взаимодействие в пределах рассредоточенной сети осуществляется за счет того, что один узел (называемый мостом) одновременно является членом нескольких пикосетей, причем этот узел может исполнять роль главного устройства одной пикосети и подчиненного устройства другой/

Сеть Bluetooth использует технику расширения спектра FHSS. Для того чтобы сигналы разных пикосетей не интерферировали, каждое главное устройство задействует собствен­ную последовательность псевдослучайной перестройки частоты. Наличие различающихся последовательностей псевдослучайной перестройки частоты затрудняет общение пикосе­тей между собой. Для преодоления этой проблемы устройство, играющее роль моста, долж­но при подключении к каждой из пикосетей соответствующим образом менять частоту.

Коллизии, хотя и с очень небольшой вероятностью, все же могут происходить, когда два или более устройства из разных пикосетей выберут для работы один и тот же частотный канал.

Для надежной передачи данных в технологии Bluetooth может выполняться прямая кор­рекция ошибок (FEC), а получение кадра подтверждается с помощью квитанций.

В сетях Bluetooth для передачи информации двух типов используются разные методы.

§ Для чувствительного к задержкам трафика (например, голоса) сеть поддерживает син­хронный канал, ориентированный на соединение (Synchronous Connection-Oriented link, SCO). Этот канал работает на скорости 64 Кбит/с. Для канала SCO пропускная способность резервируется на все время соединения.

§ Для эластичного трафика (например, компьютерных данных) используется работаю­щий с переменной скоростью асинхронный канал, не ориентированный на соединение (Asynchronous Connection-Less link, ACL). Для канала ACL пропускная способность вы­деляется по запросу подчиненного устройства или по потребности главного устройства.

Стек протоколов Bluetooth

Bluetooth является законченной оригинальной технологией, рассчитанной на самостоя­тельное применение в электронных персональных устройствах. Поэтому эта технология поддерживает полный стек протоколов, включая собственные прикладные протоколы. В этом заключается ее отличие от рассмотренных ранее технологий, таких как Ethernet или IEEE 802.11, которые лишь выполняют функции физического и канального уровней.

Создание для технологии Bluetooth собственных прикладных протоколов объясняется стремлением разработчиков реализовывать ее в разнообразных простых устройствах, которым не под силу, да и не к чему, поддерживать стек протоколов TCP/IP. Кстати, техно­логия Bluetooth появилась в результате попыток разработать стандарт для взаимодействия мобильного телефона с беспроводными наушниками. Понятно, что для решения такой простой задачи не нужен ни протокол передачи файлов (FTP), ни протокол передачи ги­пертекста (HTTP). В результате для технологии Bluetooth был создан оригинальный стек протоколов, в дополнение к которому появилось большое количество профилей.

Стек протоколов Bluetooth постоянно совершенствуется. Версия 1.0 стандартов стека была принята в 1999 году, версия 1.2 — в 2003, версия 2.0 — в 2004, версия 2.1 — в 2007, а версия 3.0 — в апреле 2009 года.

Профили определяют конкретный набор протоколов для решения той или иной задачи. Напри­мер, существует профиль для взаимодействия компьютера или мобильного телефона с бес проводными наушниками. Имеется также профиль для тех устройств, которые могут передавать файлы (наушникам он, скорее всего, не потребуется, хотя будущее предвидеть сложно), профиль эмуляции последовательного порта RS-232 и т. д.

Рис. 12.22. Соответствие протоколов Bluetooth модели OSI и стандартам IEEE 802

 

При приведении стандартов Bluetooth в соответствие с архитектурой стандартов IEEE 802

рабочая группа 802.15.1 ограничилась только так называемыми протоколами ядра Bluetooth,

которые соответствуют функциям физического уровня и уровня MAC (рис. 12.22).

§ Уровень физических радиосигналов описывает частоты и мощности сигналов, ис­пользуемых для передачи информации.

§ Уровень базового диапазона частот отвечает за организацию каналов передачи данных в радиосреде. В его обязанности входят выбор последовательности псевдослучайной перестройки частоты, синхронизация устройств в пикосети, формирование и переда­ча кадров по установленным каналам SCO и ACL. Кадр Bluetooth имеет переменную длину, поле данных может содержать от 0 до 2744 бит (343 байт). Для передачи голоса используются кадры фиксированного размера с полем данных 240 бит (30 байт).

§ Диспетчер каналов отвечает за аутентификацию устройств и шифрование трафика, а также управляет статусом устройств, то есть может сделать подчиненное устройство главным, и наоборот.

§ Уровень протокола адаптации для управления логическим каналом (Logical Link Control Adaptation Protocol, L2CAP) является верхним уровнем протоколов ядра Bluetooth. Этот протокол используется только в тех случаях, когда устройство пере­дает данные; голосовой трафик обходит этот протокол и обращается непосредственно к уровню базового диапазона частот. Уровень L2CAP принимает от протоколов верх­него уровня сегменты данных размером до 64 Кбайт и делит их на небольшие кадры для уровня базового диапазона частот. При приеме уровень L2CAP собирает кадры в исходный сегмент и передает протоколу верхнего уровня,

§ Аудиоуровень обеспечивает передачу голоса по каналам SCO. На этом уровне при­меняется импульсно-кодовая модуляция (РСМ), что определяет скорость голосового канала в 64 Кбит/с.

§ Уровень управления передает внешнему блоку информацию о состоянии соединений и принимает от внешнего блока команды, изменяющие конфигурацию и состояние соединений.

Кадры Bluetooth

Разделяемая среда представляет собой последовательность частотных каналов технологии FHSS в диапазоне 2,4 ГГц. Каждый частотный канал имеет ширину 1 МГц, количество ка­налов равно 79 (в США и большинстве других стран мира) или 23 (в Испании, Франции, Японии).

Чиповая скорость равна 1600 Гц, поэтому период чипа составляет 625 мкс. Главное устройство разделяет общую среду на основе временного мультиплексирования (TDM), используя в качестве тайм-слота время пребывания системы на одном частотном канале, то есть 625 мкс. В версии протоколов 1.0 информация кодируется с тактовой частотой 1 МГц путем двоичной частотной манипуляции (BFSK), в результате битовая скорость составляет

Мбит/с. В течение одного тайм-слота пикосеть Bluetooth передает 625 бит, но не все они используются для передачи полезной информации. При смене частоты устройствам сети требуется некоторое время для синхронизации, поэтому из 625 бит только 366 передают кадр данных.

В версии 2.0 был введен режим улучшенной скорости передачи данных (Enhanced Data Rate, EDR), в котором для кодирования данных используется комбинация методов ча­стотной (BFSK) и фазовой (PSK) модуляции; за счет этого удалось повысить битовую скорость до 3 Мбит/с, а полезную скорость передачи данных — до 2,1 Мбит/с. Режим EDR дополняет основной режим передачи данных со скоростью 1 Мбит/с.

Кадр данных может занимать 1,3 или 5 слотов. В том случае, когда кадр занимает больше одного слота, частота канала остается неизменной в течение всего времени передачи ка­дра. В этом случае накладные расходы на синхронизацию меньше, так что размер кадра, состоящего, например, из 5 последовательных слотов, равен 2870 бит (с полем данных до 2744 бит).

ВНИМАНИЕ

Составными могут быть только кадры данных (то есть кадры канала ACL), а кадры, переносящие голос (кадры канала SCO), всегда состоят из одного слота.

Рассмотрим формат кадра, состоящего из одного слота — 366 бит (рис. 12.23):

§ Поле данных занимает 240 бит.

§ Код доступа (72 бита) служит для идентификации пикосети. Каждое устройство Bluetooth имеет глобально уникальный 6-байтовый адрес, поэтому для идентифика- ции пикосети требуется три младших байта уникального адреса главного устройства. Каждое устройство при формировании кадра помещает эти байты в поле кода доступа, дополняя их битами 1/3 для прямой коррекции ошибок (сокращение 1/3 говорит о том, что 1 бит информации преобразуется в 3 бита кода). Если главное или подчиненное устройство получает кадр, содержащий неверный код доступа, то оно отбрасывает этот кадр, считая, что он, скорее всего, получен из другой пикосети.

§ Заголовок кадра (54 бита) содержит МАС-адрес, однобитный признак подтверждения приема кадра, идентификатор типа кадра, а также ряд других признаков. МАС-адрес состоит из трех битов и является временным адресом одного их семи подчиненных устройств, при этом адрес ООО является широковещательным. Информация заголовка также передается с помощью битов 1/3 алгоритма FEC.

Рис. 12.23. Формат кадра Bluetooth, состоящего из одного слота

 

Формат кадра, состоящего из 3-х или 5-ти слотов, отличается только размером поля дан­ных. Информация, помещаемая в поле данных, может кодироваться с помощью битов 1/3 или 2/3 алгоритма FEC либо передаваться вообще без прямой коррекции ошибок.