Сколько устройств может входить в пикосеть по стандарту bluetooth

Обновлено: 06.07.2024

Вполне возможно, что именно с этими словами средневекового датского короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) связано его другое прозвище - "объединитель", через 1000 лет ставшее названием нового интерфейса беспроводной связи.

Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.

Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.

Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, коим является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.

Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.

Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (я еще не встречал корректного русского перевода этого термина, но один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master'ом в одной и slave'ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.

Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.

Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.

Часто приходится сталкиваться с мнением, что находящиеся в пределах действия связи Bluetooth-устройства могут просто соединиться и начать обмениваться информацией, которая, возможно, не предназначена для сторонних ушей или глаз. На самом деле автоматический обмен информацией между Bluetooth-устройствами ведется лишь на уровне аппаратного обеспечения, т.е. исключительно для определения самого факта возможности соединения. А вот на уровне приложений пользователь сам решает, ввести или запретить автоматическую установку связи. Таким образом, использование Bluetooth становится не опаснее подключения к Интернету, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.

Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.

Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть ). Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.

Давайте сравним Bluetooth с другим не менее известным интерфейсом беспроводной связи - IEEE 802.11, тем более что оба решения уже доступны на широком рынке. Основные различия между ними можно свести к следующему:

IEEE 802.11	Bluetooth
1. Назначение	Беспроводные домашние/офисные сети	Замена кабельных соединений для компактных коммуникационных средств
2. Рабочая частота	2.4 ГГц	2.4 ГГц
3. Максимальная скорость передачи данных	11 Мбит/сек (IEEE 802.11b), 2Мбит/сек (IEEE 802.11)	721 Кбит/сек
4. Дальность действия	100 м	10 м или 100 м
5. Максимальное количество узлов	128 устройств на сеть	8 устройств на одну пикосеть, макс. 10 пикосетей, т.е. до 71 устройства на один scatternet
6. Голосовые каналы	Нет (опционально)	3 канала
7. Доступность	Сейчас	Сейчас
8. Цена	$100-$400 за узел	Около $5 за узел

Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум.

Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.

Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue. Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:

Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.

дальность действия - до 10 м,
скорость передачи - 300-115200 Кбит,
напряжение питания - 9-30 Вольт.

Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:

Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.

Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.

Есть даже адаптер для Palm V: Palm просто кладется в него, как в стандартную кроватку, после чего можно синхронизироваться с настольным компьютером или выходить в Интернет при помощи мобильного телефона, также снабженного Bluetooth интерфейсом. Данный адаптер питается от батареи самого Palm'а.

На выставке можно было найти даже Bluetooth адаптер для Compact Flash:

Компания Troy XCD представила адаптер для подключения принтера с интерфейсом Centronics к Bluetooth:

Компания обещает выпустить его на рынок в начале лета, примерная стоимость - около 195$.

Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M , представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:

А вот фотография его прототипа в работе:

3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.

Для расширения доступа к серверу могут использоваться малогабаритные точки доступа Red-M 1000AP:

Сервер автоматически определяет и конфигурирует все точки доступа, находящиеся в пределах дальности его действия. Внешние устройства могут быть подсоединены к точке доступа через 10/100 Мбит Ethernet.

Схожую систему представил MiTAC: их Bluetooth Access Point несет на борту 750МГц процессор Transmeta Crusoe TM5400, встроенный NAT и DHCP сервер и, как и предыдущий образец, мощный приемопередатчик дальностью действия до 100 м:

Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:

Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.

Распространенным вариантом является подключение стандартных устройств ввода через Bluetooth, например, вот так:

Sony представила на CeBIT специальный модуль в формате Memory Stick под названием InfoStick:

Очень неплохая идея, особенно учитывая наличие аналогичного устройства для Compact Flash.

Остается только заметить, что лицензирование поддержки Bluetooth бесплатно и необходимо только для заключения соглашения об использовании торговых марок. Так что в скором будущем мы вполне можем ожидать появление Bluetooth в лампочках и утюгах :). А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.

Что такое Bluetooth?

Основными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет применять его даже в малогабаритных устройствах с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования не должны выплачивать лицензионные отчисления за использование интерфейса Bluetooth в своих изделиях. Разумеется, этот фактор также способствовал широкому распространению данного интерфейса.

Для чего нужен Bluetooth?

Основным назначением Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Варианты топологии пикосетей

Сколько устройств можно подключить при помощи Bluetooth?

Посредством Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точкаточка», во втором — по схеме «точкамноготочка». Независимо от применяемой схемы одно из устройств является ведущим (master), остальные — ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств. Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (см. вторую схему). При этом пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Топология распределенной сети, объединяющей несколько пикосетей

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Как осуществляется передача данных?

Передача данных ведется по радиоканалу в частотном диапазоне 2,4-2,4835 ГГц с использованием метода псевдослучайной перестройки рабочей частоты (Frequency-Hopping Spread Spectrum, FHSS). Этот диапазон разбит на 79 каналов, каждый из которых занимает полосу шириной в 1 МГц. В верхней и нижней частях диапазона предусмотрены неиспользуемые (защитные) полосы. Для передачи данных применяется гауссова фазовая модуляция, которая предусматривает изменение несущей частоты во времени в соответствии с гауссовой кривой, что позволяет ограничить спектр излучаемого сигнала.

Обмен данными осуществляется внутри временных интервалов (тайм-слотов) длиной 625 мкс. После передачи каждого слота производится переход на другой частотный канал. На канальном уровне обмен данными осуществляется пакетами, каждый из которых может иметь длину от одного до пяти слотов. Часть слотов может быть зарезервирована для синхронных каналов (которые задействуются для передачи потоковых данных). Таким образом, параллельно с синхронными данными могут передаваться и асинхронные.

Спецификация Bluetooth предусматривает два вида связи: синхронную с установлением соединения (Synchronous Connection-Oriented, SCO) и асинхронную без установления соединения (Asynchronous Connection-Less, ACL). Первый вариант используется для организации канала «точкаточка» между ведущим и ведомыми устройствами. Второй служит для связи по схеме «точкамноготочка» между ведущим и всеми ведомыми устройствами данной пикосети.

Что такое классы Bluetooth?

В зависимости от мощности и эффективного радиуса действия приемопередатчики Bluetooth подразделяются на три класса (см. таблицу). Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройствах и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Чем различаются версии Bluetooth?

Если кратко, то набором поддерживаемых технологий передачи данных, протоколов и профилей, а также максимальной скоростью соединения. По мере развития технологий и расширения функциональности мобильных устройств возникает необходимость во внесении соответствующих изменений и дополнений в спецификацию Bluetooth. Это позволяет реализовать новые функциональные возможности, а также повысить пропускную способность интерфейса.

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. В ходе эксплуатации первых устройств было выявлено немало недостатков, в том числе проблемы перекрестной совместимости продуктов разных производителей.

Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 — в ней были исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с — в другую.

Кроме того, был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет использования механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. В ней была добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства для дополнительной фильтрации списка при сопряжении. Еще одно новшество — энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволила значительно (от 3 до 10 раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами и реализована поддержка NFC-соединений.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed — высокая скорость. Ее главное новшество — реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY (AMP), обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного с невысоким энергопотреблением и высокоскоростного, совмес-тимого со стандартом 802.11. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в тех случаях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

В июне 2010 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 4.0. Ключевая особенность этой версии — использование технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Применение данной технологии обеспечивает до нескольких лет автономной работы устройств, получающих питание от малогабаритной литиевой батарейки.

Необходимо отметить, что спецификация Bluetooth 4.0 ориентирована главным образом на миниатюрные цифровые устройства и различные электронные датчики (температуры, давления, влажности и т.д.), применяемые в медицинских и промышленных системах удаленного мониторинга.

Что такое профили Bluetooth?

Любое устройство, оборудованное интерфейсом Bluetooth, поддерживает заданный его производителем набор профилей. Каждый профиль обеспечивает поддержку определенных функций (например, передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д.), которые могут быть задействованы при подключении двух или более устройств посредством Bluetooth. Таким образом, набор профилей определяет функциональные возможности устройства, доступные через Bluetooth-соединение.

Чтобы задействовать Bluetooth-соединение для выполнения определенной задачи, требуется наличие поддержки соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению список контактов с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и применяемый компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile). Если же Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, но выполнить какоелибо действие (скажем, передать файл) не удается, то вероятной причиной возникновения этой проблемы может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Иерархия профилей Bluetooth

Существует большое количество разнообразных профилей Bluetooth, которые описывают разные варианты и способы использования подключенных устройств.

Каждый профиль Bluetooth обязательно содержит следующую информацию:

зависимость от других профилей;
предлагаемый формат пользовательского интерфейса;
части стека протоколов Bluetooth, применяемые данным профилем.

Всё многообразие профилей можно разделить на две группы: базовые и прикладные. Далее приведена краткая информация о трех базовых профилях:

GAP (Generic Access Profile) — общий профиль доступа Bluetooth. Поддерживается всеми без исключения Bluetooth-устройствами и служит базисом для функционирования всех остальных профилей;
SPP (Serial Port Profile) — профиль эмуляции последовательного порта. Базируется на профиле GAP и описывает механизм обмена данными между двумя устройствами, аналогичный тому, который задействуется при подключении через последовательный проводной интерфейс (RS-232, USB и пр.);
GOEP (Generic Object Exchange Profile) — общий профиль обмена объектами, базирующийся на GAP и SPP. Описывает механизм обмена данными между двумя устройствами с использованием протокола передачи OBEX (OBject EXchange) и требования к передаваемым объектам.

В настоящее время существует большое количество прикладных профилей, обеспечивающих работу самых разных функций. Далее мы рассмотрим лишь те из них, которые получили наибольшее распространение в ПК, периферийных устройствах и современных гаджетах:

В процессе работы физический радиоканал совместно используется (в режиме временного разделения) группой устройств, которые синхронизированы на общие часы и общую последовательность смены частот.

Одно из них, выполняющее функции ведущего устройства, формирует сигналы синхронизации. Все другие устройства являются ведомыми. Группа устройств, синхронизированных таким образом, образует пикосеть. Пикосеть является фундаментальной формой коммуникации в технологии Bluetooth. Пикосеть является сетью категории “Ad Hoc”. Пикосеть может содержать до 7 активных ведомых устройств. Кроме того, в окрестности (зоне уверенного приема) ведущего устройства могут находиться неактивные (так называемые «припаркованные») ведомые устройства, которые также синхронизированы на общие часы и общую последовательность смены частот, но не могут обмениваться данными до тех пор, пока ведущее устройство не активирует их.

А - пикосеть с одним ведомым устройством;
В - пикосеть с несколькими ведомыми устройствами;
С - скаттернет

Адрес устройства Bluetooth (BD_ADDR)

Ведущее устройство пикосети

Устройство в пикосети, значения адреса устройства и часов Bluetooth которого были использованы для синхронизации пикосети (определения общей для пикосети последовательности смены подканалов).

Ведущее устройство пикосети должно находиться в одной окрестности (зоне уверенного приема) с каждым из ведомых устройств, входящих в пикосеть.

Ведущее устройство одной пикосети может входить в другую пикосеть только на правах ведомого устройства.

Ведомое устройство пикосети

Любое устройство в пикосети, которое не является ведущим пикосети, но подключено к ней. Ведомое устройство должно находиться в одной окрестности (зоне уверенного приема) с ведущим устройством пикосети. Ведомое устройство обменивается данными только с ведущим устройством, непосредственный обмен между двумя ведомыми устройствами спецификация Bluetooth не предусматривает.

Сеть категории “Ad Hoc”

Сеть, которая обычно создается самопроизвольным способом. Такая сеть не имеет формальной структуры и ограничена как во времени своего существования, так и в занимаемом ею пространстве.

Активное ведомое устройство пикосети

Активное ведомое устройство имеет свой временный номер (от 1 до 7), под которым оно функционирует в пикосети. Если активное ведомое устройство деактивируется (паркуется), то оно отдает свой временный номер другому ведомому устройству. При последующей активации оно может получить и другой временный номер.

Доступное устройство Bluetooth – устройство пикосети (ведущее или активное ведомое), которое имеет возможность осуществлять связь, в соответствии со спецификацией Bluetooth.

Устройство, работающее в основном режиме пикосети, то есть, синхронизированное с ведущим устройством, но не имеющее временного номера (параметры его логического транспорта сброшены в исходные).

Окрестность (зона уверенного приема)

Физический канал пикосети

Физический канал Bluetooth, смена подканалов на котором определяется псевдослучайной последовательности, сформированной исходя из значений часов и адреса ведущего устройства пикосети.

Устройство – участник множества пикосетей (PMP)

Устройство, которое является одновременно элементом более чем одной пикосети. Это возможно при использовании временного разделения каналов.

Устройство - участник множества пикосетей чередует свою работу на физическом канале каждой пикосети.

Две или более пикосетей, которые включают одно или более устройств, действующих как PMP. Пикосети, входящие в скаттернет, не синхронизированы между собой.

Ethernet — пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей.

Bluetooth — консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия.

Bluetooth сети называют сетями персонального доступа. Иногда при разговоре о таких сетях можно встретить английскую аббревиатуру PAN – то есть Personal Access Network. Такие сети еще называют пикосетями.

Пикосеть – это сеть небольшого размера с незначительным трафиком. В пикосеть может входить несколько устройств, а именно – до 8 (причем, это касается лишь активно взаимодействующих устройств, реально в сеть можно объединить и больше – они могут спокойно "ждать" своей очереди, не мешая другим).
Протокол RTP (англ. Real-time Transport Protocol) работает на транспортном уровне и используется при передаче трафика реального времени.

Потоковый протокол реального времени (Real Time Streaming Protocol, RTSP), разработанный IETF в 1998 году и описанный в RFC 2326, является прикладным протоколом, предназначенным для использования в системах, работающих с мультимедиа данными, и позволяющий клиенту удалённо управлять потоком данных с сервера, предоставляя возможность выполнения команд, таких как «Старт», «Стоп», а также доступа по времени к файлам, расположенным на сервере.

SDP (англ. Session Description Protocol) — сетевой протокол, предназначенный для описания сессии передачи потоковых данных, включая телефонию, Интернет-радио, приложения мультимедиа.

IGMP (англ. Internet Group Management Protocol — протокол управления группами Интернета) — протокол управления групповой (multicast) передачей данных в сетях, основанных на протоколе IP. IGMP используется маршрутизаторами и IP-узлами для организации сетевых устройств в группы.

Стек протоколов TCP/IP — набор сетевых протоколов передачи данных, используемых в сетях, включая сеть Интернет.

SNMP (англ. Simple Network Management Protocol — простой протокол сетевого управления) — стандартный интернет-протокол для управления устройствами в IP-сетях на основе архитектур UDP/TCP.

Режим Standby по умолчанию является режимом с пониженным энергопотреблением, при этом работает только внутренний задающий генератор.

Интерфейс HCI (Host Controller Interface) осуществляет интеграцию низкоуровневых интерфейсов baseband и программного обеспечения клиента.

Bluetooth, история создания

В 1994 году начались работы по изучению возможности использования мобильных, сетевых коммуникаций. Компании IBM, Nokia, Intel и Toshiba создали консорциум для разработки стандарта беспроводной связи между ЭВМ посредством устройств с ограниченным радиусом действия. Проект получил название BlueTooth в честь короля Норвегии и Дании Гарольда Голубой Зуб (Harald Blaatand, 940-981 годы). Проект являлся конкурентом стандарта IEEE 802.11 (оба стандарта используют один и тот же частотный диапазон, одни и те же 79 каналов). Главной его целью являлось удаление любых кабелей из телефонии, а если получится и из локальных сетей. Очевидно, что в нынешнем виде Bluetooth не может вытеснить 802.11 хотя бы из-за ограничений на максимальный размер сети. Но эта технология быстро развивается и трудно предсказать, какое место она займет в самые ближайшие годы. В 1999 году был выдан 1500-страничный документа v1.0. После этого группа стандартизации IEEE взяла этот документ за основу стандарта 802.15 (физический уровень и уровень передачи данных). В 2002 году IEEE утвердил стандарт 802.15.1. Пока стандарт 802.15 и Bluetooth не идентичны, но ожидается их объединение в самом ближайшем будущем. Технология Bluetooth использует не лицензируемый (практически везде кроме России) частотный диапазон 2,4÷2,4835 ГГц. При этом используются широкие защитные полосы: нижняя граница частотного диапазона составляет 2ГГц, а верхняя - 3,5ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кГц. Дрейф частоты в этот интервал не входит. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В оговоренной частотной полосе выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый.
В некоторых странах используется меньшее число каналов (например, во Франции - 23). Каждый из каналов структурируется с помощью выделения временных слотов (доменов) длительностью 625 мксек (разделение по времени). По мощности передатчики делятся на три класса: 100мВт (для связи до 100м; 20дБм); 2 мВт (до 10м; 4дБм) и 1 мВт (

Bluetooth и стандарты 802, OSI, TCP/IP

Структура протоколов Bluetooth не следует моделям OSI, TCP/IP и даже 802 (ведутся работы по адаптации Bluetooth к модели IEEE 802). Физический уровень протокола соответствует базовым принципам моделей OSI и 802. Разработчики потратили много усилий, чтобы сделать протокол как можно дешевле для реализации. В среднем временная привязка мастерных пакетов не должна дрейфовать больше чем на 20 10-6 относительно идеальной временной привязки слота в 625мксек. Временной разброс при этом не должен превышать 1 мксек. В спецификации определено 5 уровней: физический, базовый (baseband), уровень управления каналом LMP (Link Management Protocol) и L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) и уровень приложений.
На уровне baseband протокола определено 13 типов пакетов. Пакеты ID, NULL, POLL, FHS , DM1 ориентированы на каналы SCO и ACL. Пакеты DH1, AUX1, DM3, DH3, DM5 и DH5 предназначены только для каналов ACL. Кодирование данных в пакетах DM1, DM2 и DM3 осуществляется с привлечением битов четности по алгоритму FEC 2/3 (5 бит управления на 10 бит данных). Форматы пакетов HV1, HV2, HV3 и DV определены только для каналов SCO. Максимальный размер поля данных (341 байт) имеют пакеты DH5. Уровень протокола baseband специфицирует пять логических каналов: LC (Control Channel) и LM (Link Manager) используются на канальном уровне, а UA (User Asynchronous), UI (User Isosynchronous) и US (User Synchronous) служат для асинхронной, изосинхронной и синхронной транспортировки пользовательских данных. Контроллер BlueTooth может работать автономно (Standby) или в режиме соединения. Предусмотрено семь субсостояний, которые используются для добавления клиента или подключения к пикосети: page, page scan, inquiry, inquiry scan, master response, slave response и inquiry response.

Состояние Standby по умолчанию является режимом с пониженным энергопотреблением, при этом работает только внутренний задающий генератор. В состоянии соединения главный узел (master) и клиент (slave) могут обмениваться пакетами, используя код доступа к каналу.
В протоколе baseband предусмотрено три типа схем коррекции ошибок: 1/3 FEC, 2/3 FEC и ARQ.

• В 1/3 FEC каждый бит повторяется три раза.
• В 2/3 FEC используется полиномиальный генератор для получения 15-битовых кодов для исходных 10 бит.
• В схеме ARQ пакеты DM, DH и поле данных пакета DV передаются повторно до тех пор, пока не будет получено подтверждение или не произойдет таймаут. При таймауте возможно продолжение со следующего пакета.

Взаимодействие сетевых субуровней в протоколе Bluetooth

Протоколом baseband рекомендуется использование буферов типа FIFO. Если данные не могут быть приняты, контроллер приема (Link Controller) вставляет в заголовок отклика индикатор stop. Когда передачик получает индикатор stop, он блокирует очереди в FIFO. Получатель может возобновить процесс передачи, послав отправителю индикатор go.

Соединение между устройствами присходит следующим образом: если ничего не известно об удаленном устройстве, используются прцедуры inquiry и page. Если некоторая информация о партнере имеется, то достаточно процедуры page.

Этап 1
Процедура inquiry позволяет устройству определить, какие приборы доступны, выяснить адреса и осуществить синхронизацию.
1.1 Посылаются пакеты inquiry и получаются отклики.
1.2 Будем считать, что блок (адресат), получивший пакет inquiry, находится в состоянии inquiry scan (тогда он способен принимать такие пакеты)
1.3 Получатель переходит в состояние inquiry response и посылает отправителю пакет-отклик.

После того как процедура inquiry завершена, соединение может быть установлено с помощью процедуры paging.

Этап 2
Процедура paging реализует соединение. Для осуществления этой процедуры необходим адрес. Устройство, выполняющее процедуру paging, автоматически становится хозяином этого соединения.
2.1 Посылается пакет paging
2.2 Адресат получает этот пакет (находится в состоянии page Scan)
2.3 Получатель посылает отправителю пакет-отклик (находится в состоянии Slave Response)
2.4 Инициатор посылает адресату пакет FHS (находится в состоянии Master Response)
2.5 Получатель посылает отправителю второй пакет-отклик (находится в состоянии Slave Response)
2.6 Получатель и отправитель устанавливают параметры канала заданные инициатором (находятся в состоянии Master Response & Slave Response)

После установления соединения главный узел (master) посылает пакет POLL, чтобы проверить, синхронизовал ли клиент свои часы и настроился ли на коммутацию частот. Клиент при этом может откликнуться любым пакетом.

Протокол L2CAP отвечает за формирование пакетов, деление на кадры и сборку пакетов (вспомним, что нижележащий протокол baseband позволяет иметь пакеты не длиннее 341 байта), которые в данном стандарте могут достигать размера 64 кБ. L2CAP производит мультиплексирование и демультиплексирование для отправителей пакетов, кроме того, протокол ответственен за качество обслуживания как при передаче, так и во время ожидания. На фазе установления соединения L2CAP согласует максимальный размер поля данных, так как не все узлы могут работать с 64-килобайтными пакетами. Этот протокол не используется в случае синхронных коммуникаций. В стандарте Bluetooth предусмотрены обмены как с установлением соединения, так и без. Последний режим называется ASL (Asynchronous Connectionless). Трафик ASL доставляется с использованием принципа максимально возможного сервиса. Никаких гарантий при этом не предоставляется. У подчиненного узла может быть только одно ASL-соединение с главным. Обмен с установлением соединения называется SCO (Synchronous Connection Oriented). Этот вид коммуникаций используется, например, при телефонных переговорах. Здесь для каждого из направлений передачи выделяется фиксированный временной интервал. Повторных передач не производится, вместо этого для случая ошибок применяется их коррекция.

У подчиненного узла может быть до 3 соединений типа SCO с главным узлом, каждое из которых представляет собой PCM-канал с пропускной способностью 64кбит/c. Протокол должен поддерживать протокольное мультиплексирование, так как уровень basband не имеет поля тип, позволяющего идентифицировать протокол более высокого уровня. Протокол L2CAP присваивает виртуальным каналам (точка-точка) идентификаторы CID (Channel Identifier). Для целей управления трафиком он целиком полагается на уровень LM (Link Manager) протокола baseband.

Основу сети BlueTooth составляют пикосети (piconet), состоящие из одного главного узла и до семи клиентских узлов, размещенных в радиусе 10м. Все узлы такой сети работают на одной частоте и разделяют общий канал. В одной достаточно большой комнате могут располагаться несколько пикосетей. Эти сети могут связываться друг с другом через мосты. Пикосети, объединенные вместе составляют рассеянную (scatternet) сеть. Поскольку в каждой пикосети имеется свой master, последовательность и фазы переключения их частот не будут совпадать. Если пикосети взаимодействуют друг с другом, это приводит к понижению пропускной способности. Устройство BlueTooth может выступать в качестве клиента в нескольких пикосетях, но главным узлом (master) может быть только в одной пикосети. Кроме 7 активных клиентских узлов главный узел может поддерживать до 255 пассивных (спящих) узлов (переведенных управляющим узлом в режим пониженного энергопотребления).
Иногда мастер и клиент могут захотеть поменяться ролями. Это может быть выполнено в два этапа.
1. Происходит отключение обоих участников процесса от пикосети и осуществляется переключение TDD (Time Division Duplex) трансиверов.
2. Если требуется, узлы старой пикосети образуют новую пикосеть.
Когда узел получил подтверждение на свой FHS-пакет, он будет использовать параметры новой пикосети, заданные новым мастером. На этом переключение мастер-клиент завершается.
Самым низким уровнем протокола является уровень радиосвязи. На этом уровне данные передаются от главного узла к подчиненному бит за битом. Все узлы пикосети перестраивают частоту одновременно, последовательность частот определяется главным узлом. Главный узел (master) является источником синхронизации для всех клиентов пикосети.
Выше уровня радиосвязи размещен уровень немодулированной передачи. Он преобразует поток бит в кадры и определяет базовые форматы. Передача со стороны главного узла производится в четные такты, а со стороны подчиненных узлов - в нечетные. Кадры могут иметь длину 1, 3 или 5 тактов. Все кадры передаются между главным и подчиненным узлами по логическому каналу, называемому соединением.
Одним из активных состояний узла является paging state. В этом состоянии возможно установление или возобновление соединения. Главный узел в этом состоянии непрерывно посылает в эфир короткие ID-пакеты, содержащие только код доступа устройства (device access code). В рамках одного временного домена посылается два пакета на двух разных частотах. Узел-клиент в состоянии paging прослушивает за время 625 мксек две частоты, проверяя наличие своего кода (ID). Для установления соединения посылается запрос. Отправитель запроса не сообщает ничего кроме своего типа. Узел, который хочет, чтобы о его существовании знали окружающие, периодически (раз в 2,56 сек) прослушивает запросы (состояние inquiry state). Когда пассивное устройство обнаружено главным узлом пикосети (откликнулось пакетом FHS, сообщающем о состоянии внутренних часов, об адресе и т.д.), главный узел формирует и посылает пакет POLL, с целью проверки правильности конфигурационных параметров и готовности к приему данных. Клиент может ответить любым пакетом, но если мастер не получил никакого отклика, он переходит в состояние paging или inquiry. Клиент может подключиться и к другой пикосети, для этого в текущей сети он может запросить перехода в режим park или hold. В режиме sniff клиент имеет несколько свободных временных слотов, чтобы участвовать в обменах с соседними сетями. Терминал, находящийся вне зоны связи, должен пребывать в состоянии page mode. Шлюз-сервер должен выделять достаточно ресурсов для запросов page scanning.
Спецификация Bluetooth v1.1 определяет 13 типов поддерживаемых приложений, которые называются профилями, существует также 12 дополнительных профилей. Профили работают на самом верху иерархии слоев протокола. По существу профили являются регламентациями прикладного уровня.

Читайте также: