Bluetooth – передовой стандарт для сетей индивидуального применения

Беспроводные стандарты позволяют человеку, находясь практически в любом месте получить доступ к глобальным ресурсам знаний - его корпоративной сети, домашним ресурсам, просто персональному компьютеру или всепоглощающей сети интернет. Именно такие устройства приближают нас к концепции единого разума. При правильном их сочетании мы получаем доступ к любым знаниям и любым мировым библиотекам.

Линии связи изначально строились на проводных каналах, но это очень осложняет мобильность и универсальность их применения пользователем. С выявления радиоволн человек старается все более эффективно их покорить и использовать в своих целях. Первым на пути к сегодняшним стандартам беспроводной передачи информации был интерфейс IrDA с открытой оптической средой. Он получил сейчас распространение в виде двух стандартов, первый инфракрасный порт (CIR для удаленного управления) и второй высокоскоростной инфракрасный порт для передачи данных (SIR с поддержкой 115,2Кб/с). Но по ряду причин он менее универсален, чем пришедшая ему на смену более перспективная и надежная схема обмена информацией в радиодиапазоне.

Одним из первых стандартов беспроводной передачи данных, довольно перспективно развивающимся и сейчас, в сетях малого радиуса действия (персонализированных сетях передачи данных), является Bluetooth. «Голубой зуб» получил народное название «синезуб», «блютуз». Став детищем консорциума фирм-производителей мобильной электроники таких именитых компаний как Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba, Infineon и National Semiconductor и получив широкую поддержку потребителя, данный стандарт обрел имя IEEE.802.15.1. Впоследствии была организована группа Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую вошло довольно много компаний, среди которых были Palm, Microsoft, Motorola, Handspring, Qualcomm и Lucent.

Являясь первым массовым стандартом для индивидуальных сетей, архитектура Bluetooth может осуществлять как подключение двух устройств, так и многих клиентов к одному главному устройству. При производстве каждое изделие Bluetooth получает уникальный 48-разрядный адрес, с помощью которого организовывается соединение, названное разработчиками как пикосеть.

В такой сети могут присутствовать до 255 клиентов и одна базовая станция пикосети с одновременной активностью семи конечных устройств. Есть возможность соединения таких пикосетей в группы когда контроллер одной из них становится клиентом другой пикосети. Занимаемый этим стандартом ISM-радиодиапазон (англ. Industry, Science and Medicine), используемый в различных бытовых приборах и беспроводных сетях находится в частотах 2,4–2,4835 ГГц. В большинстве стран, кроме Испании и Франции (частично занят военными нуждами), данный диапазон частот является не лицензированным. При работе пикосети весь этот диапазон делится на 79 каналов и после передачи каждого пакета происходит перенастройка на другой канал с частотой таких переходов до 1600 Гц – принцип расширения спектра посредством частотных скачков (FHSS), еще его называют псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Очередь смены каналов задается псевдослучайной последовательностью (ПСП), единой для пикосети. ПСП генерируется на основе адреса контроллера, поэтому для каждой пикосети последовательность переключения между каналами разная. Такая схема работы позволяет Bluetooth устройствам создавать лишь незначительные шумовые помехи, в моменты совпадения рабочей частоты с другими радиопередатчиками и при сбое передачи пакета повторная трансляция будет происходить уже на другом канале. Инициатором действий в пикосетях является исключительно контроллер. Возможность дуплексного обмена пакетами основана на временном разделении, а значит в один момент перестройки частот длительностью 625 мкс (тайм-слота) передача происходит только от одного устройства сети или от ее контроллера, затем следующее устройство и т.д. Одно сообщение может занимать несколько тайм-слотов и передавать может только тот клиент, которому разрешил это в предыдущем тайм-слоте контроллер. Есть возможность работы в синхронном и асинхронном режимах. Синхронный режим достигается при радиальном соединении контроллера с конечным устройством без контроля передачи. Такой режим позволяет организовывать до трех каналов передачи голосовой информации во всех направлениях по 64 Кбит/с. Асинхронный отличается высокой надежностью передачи c квотированием пакетов данных и повторе сбойного пакета. Такой подход позволяет достичь скорости в 723,2 / 57,6 Кбит/с в прямом/обратном каналах в асимметричном режиме и до 433,9 Кбит/с в каждом направлении при симметричном обмене. Все вышесказанное описывает работу и скоростные режимы стандарта базовой спецификации Bluetooth 1.1, принятой в феврале 2001 года.

Но вышедшая 5 ноября 2003 года новая версия спецификации Bluetooth 1.2 содержит ряд изменений:

• повышает скорость соединения;
• обладает адаптивной схемой переключения каналов, можно задавать меньше, чем 79, но не менее 20 каналов, между которыми происходит переключение при FHSS);
• расширяет возможности синхронных соединений (появился режим расширения синхронных соединений eSCO, в котором за выделенным окном для синхронного соединения следует дополнительное окно для повторной передачи);
• усовершенствованы алгоритмы обнаружения ошибок, контроля потоков и улучшены схемы синхронизации.

По прошествии года появилась версия Bluetooth 2.0 + EDR состоящая из обновленной спецификации 2.0 (не содержащей принципиальных отличий от 1.2) и расширенного набора скоростей передачи данных EDR (Enhanced Data Rate). Присутствие возможности работы в режиме EDR позволяет транслировать пакеты как на базовой скорости в 1 Мбит/с, так и осуществлять обмен данными на скоростях 2 и 3 Мбит/с. Такой прирост в скорости получен за счет изменения методов модуляции. Был осуществлен переход от базовой версии с фильтром Гаусса (GFSK) на режим EDR с применением дифференциальной фазовой модуляции.

• Фильтр Гаусса (GFSK) - на один модуляционный символ приходится один бит и скорость модуляции при этом равна скорости потока данных и составляет 1 Мбит/с.

• Дифференциальная фазовая модуляция - 4- и 8-позиционные p/4-DQPSK и 8-DPSK, один модуляционный символ представляет соответственно два и три бита и изменение фазы происходит относительно предыдущего символа.

Такой переход на EDR с возможностью работы в асинхронном режиме и в расширенном синхронном (eSCO) позволил повысить передачу данных до 2 и 3 Мбит/с при той же скорости модуляции.

На сегодняшний день самой последней спецификацией является Bluetooth 2.1 EDR, которая хотя и не несет таких глобальных перемен как 2.0 + EDR по отношению к 1.2, но довольно сильно улучшает характеристики обладающих ею устройств. Во-первых, такие устройства в пять раз дольше могут проработать от одного аккумулятора благодаря использованию новой функции Sniff Subrating. Во-вторых, Bluetooth SIG внедрила поддержку технологии Near Field Communication, которая позволяет существенно упростить и ускорить процесс установления связи между Bluetooth-устройствами. В-третьих, был проведен комплекс изменений, которые решили многие проблемы безопасности и внедрена система защиты «Man in the Middle», предотвращающая перехват сигнала между двумя устройствами третьим лицом. Отмечается, что в версии 2.1 даже 6-значная цифровая комбинация оказывается эффективнее 16-значного цифробуквенного PIN-кода. Однако, нельзя утверждать, что все нововведения не привнесли появление новых дыр в безопасность спецификации 2.1.

Классы Bluetooth. На критерии выбора Bluetooth устройств может сильно повлиять дальность их работы и потребляемая мощность. Прямая зависимость этих показателей приведена в таблице.

Разрабатывается и 4 класс - способный передавать данные на расстояние до 30-40 километров.

Но самое главное в Bluetooth SIG  - это разработка стандартизированных алгоритмов и способов организации соединений для различных потребительских нужд.

Advanced Audio Distribution Profile (A2DP)
A2DP данная разработка используется при передаче двухканального стерео или аудио музыкального потока к беспроводной гарнитуре или любому другому устройству. В нем реализована поддержка кодека Sub Band Codec (SBC) и как опция есть поддержка MPEG-1,2 аудио, MPEG-2,4 AAC и ATRAC. А также Bluetooth может поддерживать другие кодеки, предложенные производителем.

Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP)
Этот стандарт поддерживает управление стандартными функциями телевизоров, Hi-Fi оборудования и т.д. Его можно применить в устройствах с функциями дистанционного управления.

Basic Imaging Profile (BIP)
Данная спецификация используется при пересылке изображений между устройствами. С предусмотренной возможностью изменения размера изображения и его конвертации в поддерживаемый формат принимающего устройства.

Basic Printing Profile (BPP)
С помощью этого профиля, возможно осуществить пересылку текста, e-mail, vCard и других данных на принтер. Выгодной его особенностью является отсутствие необходимости применения для принтера специфических драйверов, в отличии от HCRP.

Common ISDN Access Profile (CIP)
Профиль оптимизированный для беспроводного доступа к ISDN устройствам.

Cordless Telephony Profile (CTP)
Профиль для обслуживания функций беспроводной телефонии.

Device ID Profile (DID)
Отвечает за определение класса устройства, кода производителя, версию продукта.

Dial-up Networking Profile (DUN)
Профиль, который обеспечивает подключение по стандартному протоколу к корпоративной сети, интернет или другому телефонному сервису через Bleutooth. За основу здесь был взят SPP, с поддержкой PPP и AT команд определенных в спецификации ETSI 07.07.

Fax Profile (FAX)
Данный стандартный профиль обеспечивает соединение между аппаратом (мобильным или стационарным телефоном) и ПК с установленным программным обеспечением для факсов. Есть поддержка ITU T.31 и/или ITU T.32 набора AT команд. Но стоит учесть невозможность работы данного профиля с голосовым звонком и передачей данных.

File Transfer Profile (FTP)
Обеспечивает доступ к файлам устройства, поддерживая стандартный набор команд FTP со всеми его преимуществами. Транспортом здесь стал OBEX, основанный на GOEP.

General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP)
Является основой для профилей A2DP и VDP.

Generic Access Profile (GAP)
Базовая основа для всех остальных профилей.

Generic Object Exchange Profile (GOEP)
Базовая основа для всех остальных профилей передачи данных, базируется на OBEX.

Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP)
Данная спецификация предназначена для простой замены кабельного соединения между устройством и принтером. Но большим ее недостатком, в отличие от BPP, является необходимость в специфических драйверах под конкретную модель принтера, что сильно уменьшает ее универсальность.

Hands-Free Profile (HFP)
Предоставляет передачу монозвука по одному каналу, что обеспечивает работу беспроводной гарнитуры и телефона.

Human Interface Device Profile (HID)
Отвечает за работу с устройствами управления: такими как мышки, джойстики, клавиатуры и проч. Благодаря использованию медленного канала передачи, работа происходит на пониженной мощности.

Headset Profile (HSP)
Обеспечивает связь между беспроводной гарнитурой и телефоном. Поддерживая минимальный набор AT команд спецификации GSM 07.07, позволяет совершать звонки, отвечать на звонки, завершать звонок, настраивать громкость.

Intercom Profile (ICP)
Дает возможность совершать голосовые звонки между Bluetooth совместимыми устройствами.

Object Push Profile (OPP)
Основа позволяющая пересылать изображения, виртуальные визитные карточки и др. Инициатором передачи данных является отправитель (клиент), а не получатель (сервер).

Personal Area Networking Profile (PAN)
Обеспечивает использование протокола Bluetooth Network Encapsulation как транспорт через Bleutooth соединение.

Phone Book Access Profile (PBAP)
Предоставляет сервис синхронизации, передачи записей телефонных книг между устройствами.

Serial Port Profile (SPP)
Заменяет собой стандартное соединение по RS-232 последовательному порту беспроводным каналом передачи данных. При этом используется спецификация ETSI TS07.10 и протокол RFCOMM. Дает основу для работы DUN, FAX, HSP и AVRCP.

Service Discovery Application Profile (SDAP)
Предоставляет информацию о службах и сервисах, запущенных на устройстве, выполняющем роль сервера.

SIM Access Profile (SAP, SIM)
Обеспечивает доступ к SIM-карте телефона, благодаря чему появляется возможность использования одной SIM-карты для ряда устройств.

Synchronisation Profile (SYNCH)
Профиль, который предназначен для синхронизации личных данных (PIM). Впервые такой принцип работы был реализован для спецификации инфракрасной связи и адаптирован группой Bluetooth SIG.

Video Distribution Profile (VDP)
Создавался для передачи потокового видео. Обеспечивает поддержку H.263, а стандарты MPEG-4 Visual Simple Profile, H.263 profiles 3, profile 8 являются дополнительными и не описаны в стандартной спецификации.

Wireless Application Protocol Bearer (WAPB)
Предназначен для организации PPP (Point-to-Point) соединений через Bluetooth.

Безопасность. В основе безопасности для Bluetooth соединений применен алгоритм аутентификации и генерации ключа SAFER+. При его использовании инициализационный и главный ключи генерируются по алгоритму E22. Поточный шифр E0 используется для закрытия передаваемых данных. Такой подход к безопасности, хотя полностью и не исключает возможность взлома, но в целом делает более трудоемким прослушивание устройств, связанных по Bluetooth.

Энергопотребление в сравнении с Wi-Fi. Очень выразительным приобретением, появившимися в стандарте Bluetooth 2.0 и переданным по наследству Bluetooth 2.1 EDR, стал скоростной интерфейс с поддержкой QoS. Очень выгодно изменяет функционал спецификации и  возможности поддержки в одном окружении уже не 8, а 256 устройств, с необязательным выбором из них "главного", которое управляет работой сети. Такой принцип уже давно используется в построении сети на технологии Wi-Fi, но все же Bluetooth не успевает справляться со скоростными требованиями построения сложных компьютерных сетей, что стало серьезным преимуществом стандарта Wi-Fi. Но отметим и тот факт, что при значительном росте скорости у спецификаций Bluetooth 2.0 и Bluetooth 2.1 EDR энергопотребление увеличилось лишь на несколько процентов, т.е. на передачу конкретного количества данных уходит в несколько раз меньше энергии, чем раньше. Данные передаются быстрее, и адаптер переходит в режим энергосбережения, оставляя Wi-Fi еще дальше позади по параметру энергосбережения.

В заключение можно отметить, что в виду общей простоты технологии «Голубого зуба» и активного участия больших корпораций в ее продвижении, ценовой порог на такие устройства на данный момент существенно понизился и Bluetooth стал действительно массовым стандартом с универсальными возможностями частной сети.

Автор: Валерий Паровышник