4.1.8.3 Bluetooth
Семенов Ю.А. (ГНЦ ИТЭФ)

В некоторых странах используется меньшее число каналов (например, во Франции - 23). Каждый из каналов структурируется с помощью выделения временных слотов (доменов) длительностью 625 мкс (разделение по времени). По мощности передатчики делятся на три класса: 100мВт (для связи до 100м; 20дБм); 2 мВт (до 10м; 4дБм) и 1 мВт (~10см; 0дБм). Коэффициент модуляции при этом лежит в диапазоне (0,28-0,35). Чувствительность приемника должна быть не хуже 70дБм. BER (Bit Error Rate) для приемника должна находиться на уровне <0,1%. Желательно, чтобы приемник имел индикатор мощности входного сигнала (требование является опционным). Для первого класса предусмотрено регулирование мощности. Регулировка осуществляется на основе анализа числа ошибок. Протокол использует коммутацию каналов и пакетов. Передача данных выполняется с использованием алгоритма доступа Time-Division Duplex Multiple Access. Каждый пакет передается с использованием иного частотного канала по отношению к предыдущему. Производится 1600 переключений частоты в секунду. Последовательность переключения частот определяется BD_ADDR мастера. Скачкообразное переключение частоты отводит на переходные процессы 250-260 мксек. Длительность тика часов мастера равна 312,5 мксек, что определяет частоту часов - 3,2 кГц. Допускается временная неопределенность при приеме, равная ±20мксек. Смотри также http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/radio.asp.

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; смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/baseband.asp), управления каналом LMP (Link Management Protocol; смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/lmp.asp) и L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol; смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/l2cap.asp), сетевой и уровень приложений.

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. Взаимодействие протоколов в рамках Bluetooth показано на рис.1

Рис. 1. Взаимодействие сетевых субуровней в протоколе Bluetooth

Соединение между устройствами происходит 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

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.

Рис. 2. Две пикосети, образующие рассеянную сеть (Э. Таненбаум "Компьютерные сети", Питер, 2003)

Таблица 2. Основные и дополнительные профили BlueTooth (смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/profiles.asp)

Профили 5-7 конкурируют с протоколом IEEE 802.11. Профиль удаленного доступа служит для подключения ЭВМ к мобильному телефону, снабженному модемом, без использования проводов. Профайл факс позволяет беспроводным факс-устройствам отсылать и получать факсы посредством мобильного телефона. Профили 8-10 имеют отношение к телефонии, в перспективе мобильный телефон и беспроводная трубка домашнего телефона станут взаимозаменяемы. Профиль 10 представляет собой приложение, позволяющее устройствам hands-free держать связь с базой, что удобно, например, при езде в автомобиле. Профили 11-13 служат для пересылки объектов между беспроводными устройствами. Объектами могут быть изображения, информационные файлы и т.д.

Во главе семейства протоколов находится SDP (Service Description Protocol; смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/sdp.asp), предназначенный для определения услуг, оказываемых удаленным устройствам. С помощью команд данного протокола можно считать данные из локальной БД и определить характеристики удаленного устройства и на основе этой информации выяснить параметры оказываемых услуг. SDP использует модель запрос/отклик, где каждая транзакция включает в себя один запрос и один отклик. С помощью посылки одиночного SDP пакета можно осуществлять простое управление информационным потоком. Такой пакет может не сопровождаться откликом.

Поле данных пакета SDP имеет заголовок, содержащий три поля:

• PDU ID - идентификатор типа поля данных (1 байт)
• TransactionID - идентификатор транзакции (2 байта)
• ParameterLength - длина (в байтах) всех параметров в поле данных (2 байта)

Параметры могут содержать атрибут состояния продолжения (continuation state). Некоторые запросы могут потребовать такого большого отклика, который не поместится в одно поле данных. Тогда SDP-сервер генерирует частичный отклик с параметром состояния продолжения. Аналогичный атрибут должен присутствовать в очередном запросе клиента, требующего следующую порцию данных отклика. Такой запрос имеет только два поля InfoLength (1 байт) и Continuation Information (InfoLength байт).

Сервис (service) является единственной сущностью (entity), которая предоставляет информацию для выполнения каких-либо действий. Сервис может реализоваться аппаратно или программно. Информация о сервисах содержится в записях, которые представляют собой списки атрибутов. Каждый атрибут описывает одну характеристику сервиса. SDP имеет следующие атрибуты сервиса:

• ServiceRecordHandle
• ServiceClassIDList
• ServiceRecordState
• ServiceID
• ProtocolDescriptionList
• BrowseGroupList
• LanguageBaseAttributeIDList
• ServiceInfoTimeToLive
• BluetoothProfileDescriptorList
• DocumentationURL
• ClientExecutableURL
• IconURL
• ServiceName
• ServiceDescription
• ProviderName

Некоторые атрибуты являются общими для всех записей сервиса, но сервис-провайдеры могут определить свои собственные атрибуты услуг в зарезервированных полях.

Атрибут содержит два компонента: идентификатор (ID) и значение атрибута

• ID атрибута представляет собой 16-битовое число без знака, которое должно быть уникальным для данной сервисной записи. Идентификатор определяет и семантику значения атрибута.
• Значение атрибута представляет собой поле переменной длины, чей смысл определяется идентификатором и ассоциированным с ним классом записи услуг

Различные виды сервиса группируются в классы. Все атрибуты, содержащиеся в записи сервиса, относятся к одному классу. Каждому классу присвоен уникальный идентификатор UUID. UUID представляет собой 128-битовый код, но возможны псевдонимы (16- и 32-битовой длины).

Клиент может, зная значение UUID, получить указатель на соответствующую запись сервиса. Можно провести поиск и по идентификатору класса.

Значение атрибута имеет вид информационного элемента, который содержит два поля: заголовок и данные. Заголовок включает в себя две части: дескриптор типа и дескриптор размера.

Взаимодействующие приборы в Bluetooth могут выполнять роль локального устройства (LocDev) или удаленного устройства (RemDev). LocDev - прибор, который может инициировать процедуру выявления доступной услуги. Такой прибор должен содержать по крайней мере клиентскую часть архитектуры SDP. RemDev может быть любым прибором, который участвует в процессе выявления доступных услуг, посылая отклик на запрос LocDev. RemDev должен содержать по крайней мере серверную часть архитектуры SDP. RemDev имеет базу данных сервисных записей.

Прежде чем два устройства Bluetooth начнут взаимодействовать, каждое из них должно:

1. Быть включенным и инициализированным. При инициализации может потребоваться PIN для формирования ключа соединения (link key).
2. Должно быть сформировано Bluetooth соединение, которое может потребовать BD_ADDR других устройств.

Выявление услуг (Service Discovery) поддерживает следующие прикладные примитивы для взаимодействия с другими устройствами:

• serviceSearch();
• serviceBrowse();
• enumerateRemDev();
• terminatePrimitive();

Менеджер канала служит для аутентификации, установления и конфигурации соединения, а также шифрования. Данные управления укладываются в однослотовые кадры. Для транспортировки протокольных данных используются пакеты DM1 (в случае SCO - пакеты РМ1). Заголовки этих пакетов содержат всегда 1 байт. Менеджер канала (LM) обнаруживает другие LM и взаимодействует с ними через посредство протокола LMP. Чтобы выполнить роль провайдера LM использует ниже расположенный контроллер канала (LC). LMP-протокол регламентирует структуру управляющих данных (PDU). Приложение должно поддерживать часть типов PDU, остальные являются опционными.

В рамках протокола определена структура интерфейса HCI (Host Controller Interface; смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/hci.asp). Этот интерфейс осуществляет интеграцию низкоуровневых интерфейсов baseband и программного обеспечения клиента. Спецификация поддерживает работу с интерфейсами RS232, UART и USB. HCI предлагает командный метод доступа к аппаратным возможностям Bluetooth. Канальные команды HCI позволяют управлять канальным уровнем соединения с другими устройствами. В перечень входят команды менеджера канала (LM - Link Manager) предназначенные для обмена LMP-командами с удаленными устройствами. Данные для канала LM транспортируются кадрами DM. Команды HCI Policy используются для воздействия на локальный и удаленный LM. Команды Host Controller, Baseband, Informational и Status предоставляют доступ к различным регистрам интерфейса.

Эмуляция последовательных портов (в частности RS-232) посредством L2CAP осуществляется транспортным протоколом RFCOMM (смотри http://www.palowireless.com/infotooth/tutorial/rfcomm.asp). Протокол базируется на стандарте ETSI TS 07.10. RFCOMM поддерживает до 60 одновременных соединений между приборами. Это могут быть модемы, принтеры или ЭВМ.

Транспортный уровень контроллера устройства обеспечивает обмен специфической HCI-информацией. Спецификация HCI определяет формат команд, событий и данных в рамках обмена между устройством и контроллером. Протокол HCI специфицирует 32 различного рода события (Inquiry Complete Event, Page Scan Repetition Mode Change Event и т.д.).

На рис. 3 показан формат заголовка кадра протокола Bluetooth. Структура заголовка регламентируется уровнем baseband.

Рис. 3. Формат кадров

Предусмотрено три типа кодов доступа: CAC (Channel Access Code - код доступа к каналу), DAC (Device Access Code) и IAC (Inquiry Access Code). Код доступа к каналу CAC идентифицирует пикосеть, в то время как DAC используется для запросов соединения и для их откликов (paging). IAC служит для информационных запросов. Поле код синхронизации (64 бита) состоит из 24-битового адреса узла - инициатора соединения (paging). Алгоритм его вычисления обеспечивает достаточно большое расстояние Хэмминга между разными синхрокодами, что гарантирует невозможность перепутывания идентификаторов разных устройств даже в случае приема их с ошибками. Поле хвостовик служит для обеспечения балансировки сигнала по постоянному току и синхронизации. 8-битовый заголовок кадра повторяется трижды (18*3=54 бита), он содержит в себе флаги подтверждения и нумерации, а также средства управления потоком. Поле адрес (AM_ADDR - 3 бита - MAC-адрес) задает один из восьми узлов, которому предназначен кадр. Поле тип (4 бита) характеризует тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и число временных интервалов, из которых состоит кадр. Бит FLOW (поток) устанавливается подчиненным узлом и уведомляет о том, что его буфер заполнен. Бит ACK (подтверждение) указывает на подтверждение, посылаемое вместе с кадром. Если этот бит =1 предыдущий пакет успешно доставлен. Бит SEQN (последовательность) служит для нумерации кадров, что помогает обнаруживать повторные передачи. Для каждого очередного пакета этот бит инвертируется. Данный протокол предполагает ожидание, поэтому одного бита оказывается достаточно. Поле HEC представляет собой 8-битовую контрольную сумму. Принимающая сторона анализирует все три копии заголовка бит за битом. Значение бита определяется мажоритарной схемой (2 или 3 совпадающие бита из трех определяют истинное значение).

В кадрах ACL используются разные форматы данных. Возможны три варианта: 80, 160 и 240 бит, оставшиеся место используется для коррекции ошибок. По этой причине вариант с 80 битами самый надежный. При этом данные повторяются три раза (80*3=240). Фактически применяется тот же прием, что и в случае заголовка. Поле данных кадра SCO всегда имеет 240 бит. Так как подчиненные узлы могут использовать только нечетные временные домены, им достается 800 доменов в секунду, столько же получает и главный узел. При 80 битах данных в кадре подчиненный узел может передать 64 кбит/c. Этого вполне достаточно для голосового обмена. При самом ненадежном варианте (240 бит данных на кадр) можно иметь три полнодуплексных голосовой связи. Это и ограничивает максимальное число SCO соединений.

Типы пакетов

Существует 4 категории пакетов Bluetooth. К первой категории относятся пакеты, общие для всех видов соединений (NULL, POLL, FHS, DM1). Три другие описывают пакеты различной длины: ко второй относятся однослотовые кадры, а к четвертой - кадры, занимающие пять временных слотов. Большинство типов пока не определены. ID-кадры имеют длину 64 бита и используются для пейджинга и запросов. NULL-кадры содержат поля лишь кода доступа и заголовка и используются для передачи подтверждений. Кадры POLL похожи на NULL, но требуют от получателя отклика. Пакеты рассматриваются как широковещательные в пикосети, если поле адреса имеет нулевое значение. Прием широковещательных кадров никогда не подтверждается, а для надежности они передаются несколько раз.

Кадры FHS содержат информацию об адресе, классе устройства и о тактовой частоте передатчика. Эти кадры используются при инициализации новой пикосети или при смене схемы переключения несущей частоты. К этой категории следует отнести и кадры DM1, транспортирующие управляющую информацию. Для синхронных соединений определены несколько кадров, различающихся длиной, HV1, HV2 и HV3 с длинами поля данных 10, 20 и 30 байт, соответственно. Тип кадров HV (High quality Voice) предназначен для трансляции голосовых потоков. Тип кадра DV предназначен для передачи как голоса, так и данных. и содержит 80 бит для голоса и 150 бит для данных. Блок данных защищается посредством CRC и в случае ошибки может пересылаться повторно.

Как и для всех радио средств коммуникации для Bluetooth проблема безопасности крайне актуальна. Безопасность протокола обеспечивается с помощью механизма аутентификации и шифрования передаваемых данных. Ключ авторизации имеет 128 бит. Длина ключа шифрования может лежать в пределах 8-128 бит. Кроме того целям безопасности служат ключи соединения (link key), которые могут быть полупостоянными и временными. Первые хранятся в энергонезависимой памяти, вторые - обновляются при каждом соединении. Устройство может генерировать свой ключ (unit key). Возможно формирование совместного ключа (combination key), при его вычислении используются информация от обоих участников будущего обмена. Особое место занимает мастер-ключ (master key), используемый для рассылки данных нескольким узлам одновременно (используется вместо текущего ключа соединения (current link key)). Для выполнения аутентификации устройству нужно получить от партнера случайное число, сформировать на основе него и своего BD_ADDR некоторый код и отослать его партнеру, который проверяет его корректность. Если общий ключ не сгенерирован, формируется инициализационный ключ. Инициатор процедуры посылает партнеру случайное число, которое в сочетании с идентификатором BD_ADDR последнего образует инициализационный ключ.