Око за око, зуб за зуб

Андрей Сокольников, 

Проспект беспроводной технологии Bluetooth (Голубой зуб). История и основные черты стандарта. Сравнение с конкурирующими технологиями.

Гарольд и другие

Иногда очень изводит традиционная необходимость подключать устройства с использованием кабелей. Разъемы, штепсели и провода, провода, провода… Особенно сложно в этом плане с ноутбуками. Конечно, инфракрасный порт в какой-то степени помогает, но он — далеко не панацея. Для облегчения жизни пользователям мобильных устройств и создана спецификация Bluetooth, о которой пойдет речь. Наверняка читатели слышали об этой технологии, в последнее время она получает все более широкое распространение. Несмотря на это, многие до сих пор не знают, каким образом она работает. Попробуем восполнить пробел.

Что же такое Bluetooth? Так называется технология обеспечения радиосвязи между мобильными и стационарными PC, мобильными телефонами, принтерами и прочими периферийными устройствами. Странное кодовое название является английской транскрипцией прозвища датского короля (короля викингов) Гарольда II (X век). Предположительно, оно состояло из двух стародатских слов: blå (означает «смуглый») и tan («великий человек», «предводитель»). Harold II Bluetooth управлял Данией и Норвегией и заставил датчан принять христианство.

Рунический камень

Стилизованный рунический камень,
посвященный датскому королю.

Обратить все компьютерное сообщество в новую беспроводную религию в начале 1998 года собрались киты среди телекоммуникационных и компьютерных компаний — Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Через три месяца, 20 мая 1998 года, было официально объявлено о создании объединенной рабочей группы SIG (Special Interest Group), которая занялась разработкой спецификации. Вскоре к ней присоединились 3Com, Motorola, Compaq, Dell и другие. Сейчас группа, призванная способствовать скорейшему и беспрепятственному внедрению технологии, объединяет почти тысячу девятьсот (на начало ноября было 1883) компаний.

При разработке спецификации во главу угла ставились экономичность (как в плане стоимости, так и в плане энергосбережения), сохранение маленького форм-фактора и предельная простота эксплуатации. Для конечного пользователя это означает быстрое и легкое подключение периферии или соединение компьютеров без каких бы то ни было кабелей. К тому же технология дает возможность связать больше двух устройств, используя единое радиосоединение. Справедливости ради, стоит отметить, что Bluetooth-интерфейс остается пока довольно дорогим удовольствием.

Концепт-часы Ericsson c логотипом Bluetooth

Концепт-часы компании Ericsson
с логотипом Bluetooth. 

Сама спецификация является открытой и абсолютно бесплатной, она доступна всем желающим и лежит на официальном сайте SIG. Некоторые части технологии запатентованы, компаниям необходимо подписать лицензионное соглашение для использования Bluetooth в своих продуктах. Однако цена лицензии — нулевая, лицензирование нужно только для сохранения интеллектуальной собственности разработчиков.

Когда Bluetooth еще находилась на стадии разработки, многие пророчили ей будущее стандарта de facto. Сейчас с ней конкурируют HomeRF (спецификация, используемая видео/аудиотехникой) и IEEE 802.11b (стандарт беспроводных локальных сетей), пока, правда, не нашедшие широкого распространения. Серьезной соперницей Bluetooth является технология инфракрасной связи IrDA, но она не предназначена для построения беспроводных локальных сетей и работает только по принципу точка-точка в зоне прямой видимости.

Сравнительные характеристики беспроводных интерфейсов.


Bluetooth

HomeRF

IrDA

Тип модуляции

метод частотных скачков

метод частотных скачков

амплитудная

Частотный диапазон

2,4 ГГц

2,4 ГГц

излучение в оптическом диапазоне
850-900 нанометров

Число скачков в секунду

1600

50

Мощность передатчика, мВт

100

100

20–80

Скорость передачи данных, Мбит/с

0,7

1-2 (max 10)

4

Способ модуляции

двухуровневая частотная

двух- или четырехуровневая частотная

двухуровневая импульсная

Количество устройств в сети

не ограничено

до 127

2

Защита информации

40- и 64-битное шифрование

Blowfish data security

нет1

Радиус действия, м

10-100

50

1


1   В связи с этим в европейских странах получил распространение новый вид мошенничества: например, вы приходите в кафе и, ни о чем не подозревая, кладете сотовый телефон рядом с собой, на стол. Мошенник с ноутбуком садится неподалеку от вас и, если ваш телефон оборудован ИК-портом, с легкостью дозванивается до, к примеру, провайдера за ваш счет. Не исключен и перехват сигнала, правда, с возможными ошибками и искажениями.

Неводы и сети

К делу! Посмотрим, что же являет собой технология Bluetooth и каковы основные принципы ее работы. Ясно, что главными действующими лицами выступают Bluetooth-устройства, с них мы и начнем. Такое устройство в терминологии спецификации называется Bluetooth-системой. Система состоит из модуля, обеспечивающего радиосвязь, и присоединенного к нему хоста, в качестве которого может выступать компьютер или периферийное устройство. Bluetooth-модули обычно встраиваются в устройство или подключаются через доступный порт либо PC-карту. Поскольку все модули физически и функционально равноценны, от природы хоста можно абстрагироваться. Модуль состоит из менеджера соединений (link manager), контроллера соединений и приемопередатчика с антенной. Модули могут соединяться как по схеме точка-точка, так и обеспечивать многоточечные соединения.

Bluetooth-модуль компании Ericsson

Bluetooth-модуль компании Ericsson.

Связанные по радио модули образуют пиконет (piconet). Эта сеть возникает при соединении двух модулей, а затем уже могут подключиться и другие. С самого начала соединения один из модулей играет роль ведущего (master), второй — ведомого (slave). Это распределение ролей не может быть изменено в ходе соединения (во время существования пиконета), поскольку если в пиконет входит больше двух устройств, они не соединяются между собой, а поддерживают связь только с ведущим.

В пиконете не может быть больше восьми модулей: адрес активного участника пиконета (в спецификации он фигурирует под названием AM_ADDR), используемый для идентификации, является трехбитным, то есть уникальный адрес могут иметь семь ведомых модулей (ведущий не имеет адреса), а нулевой адрес зарезервирован для широковещательных (broadcast) сообщений. Но это не означает, что с помощью Bluetooth нельзя объединить больше восьми устройств. Для этого в спецификацию вводится понятие скэттернет (scatternet, рассеянная сеть). Скэттернет формируется из нескольких независимых пиконетов. Установить связь с модулем, подключенным к другому пиконету, может любой модуль сети, в том числе и ведущий.

 

Как слышите? Прием!

Теперь перейдем к родному и реальному, к пространству и времени, к материи, к электромагнитным волнам. Оптимальный радиус действия модуля — от 10 см до 10 м, но при увеличении излучаемой мощности он может превысить 100 м. Диапазон рабочих частот Bluetooth-модулей (2,402-2,483,5 ГГц) почти во всем мире (за исключением России, ряда развивающихся стран и, удивительное дело, Израиля) является не лицензируемым, это полоса ISM (Industry-Science-Medicine), предназначенная для нужд промышленности, науки и медицины. Во Франции, Испании и Японии использовались нестандартные ISM-диапазоны, но, судя по замечаниям в спецификации, в скором времени положение будет исправлено. Пока же для них рекомендовано выпускать адаптированные версии Bluetooth-устройств, которые, к сожалению, несовместимы со стандартными.

Работа в не лицензируемом диапазоне — одновременно и главное преимущество, и главный недостаток Bluetooth.

С одной стороны, для технологии, претендующей на мировой стандарт, предпочтительно использование общепринятых свободных диапазонов. С другой — не одна SIG выделяется такой сообразительностью, в этом диапазоне работает много устройств, начиная с беспроводных сетей IEEE 802.11b и заканчивая, например, беспроводными телефонами и автоматическими гаражными дверями. Кроме того, этот же диапазон использует HomeRF.

 

Передайте-ка мне этот пакетик

Коммуникационный канал Bluetooth имеет пиковую пропускную способность 721 кбит/с. Для уменьшения потерь от интерференции и обеспечения сосуществования нескольких пиконетов частота в Bluetooth перестраивается скачкообразно (1600 скачков/с). Используются псевдослучайные последовательности скачков по семидесяти девяти (для большинства стран) или двадцати трем (для Японии, Франции и Испании) радиочастотным каналам, разделенным полосой в один мегагерц. Каждый пиконет имеет собственную последовательность скачков, зависящую от адреса ведущего модуля (у каждого модуля есть уникальный 48-битный сетевой адрес в соответствии со стандартом IEEE 802) и позиции его таймера. Канал разделен на временные слоты (интервалы) длиной 625 мс (время между скачками), в каждый из них устройство может передавать информационный пакет. Для полнодуплексной передачи используется схема TDD (Time-Division Duplex, дуплексный режим с разделением времени). По четным значениям таймера начинает передавать ведущее устройство, по нечетным — ведомое.

Помимо полезных данных пакет содержит код доступа и заголовок. Один временной слот предназначен для одного пакета, но пакет может быть расширен и на большее количество слотов (до пяти). Но не все йогурты одинаковы. Имеется три вида пакетов: предназначенные только для голоса (обычно 64 Кбайт/с), только для данных и комбинированные. Для передачи разных пакетов предусмотрены два типа связей: ACL (Asynchronous Connection-Less) и SCO (Synchronous Connection-Oriented). Разные пары ведущий-ведомый в пределах пиконета могут использовать различные типы связи. Более того, тип связи может безо всяких ограничений меняться в течение сеанса связи.

Синхронный тип соединений обычно используется для голоса. Это соединения типа точка-точка между ведущим и одним из ведомых модулей. Синхронность сохраняется путем резервирования слотов через равные интервалы времени. Для данных в пакете при этом типе связи не вычисляется контрольная сумма, они никогда не передаются дважды. Исключение — специальный синхронно-асинхронный тип пакетов: в этом случае передаются данные и голос, для данных присутствует контрольная сумма, и возможна повторная передача.

Асинхронная связь — многоточечная между ведущим и всеми ведомыми модулями пиконета. ACL-связь гарантирует точную передачу пакетов, а если пакет не принят или принят неправильно, он передается снова. Модули обмениваются пакетами в течение временных прмежутков (слотов), не зарезервированных для синхронных связей. Ведущий модуль может посылать широковещательные пакеты, предназначенные для всех ведомых модулей.

 

Верной дорогой идете, товарищи!

На прошлогодней выставке «Comdex» технология Bluetooth была признана одной из самых перспективных. Похоже, это действительно так: некоторые исследования показывают, что к середине десятилетия рынок Bluetooth-устройств доберется до 3 млрд. долларов, а их количество подойдет к 670-миллионной отметке. Область применения Bluetooth значительно расширилась по сравнению с первоначальной — соединением ноутбуков, PDA и сотовых телефонов. Разработчики спецификации заложили в свое детище универсальность, помогающую адаптировать технологию к нестандартным применениям.

Bluetooth-модуль с USB-интерфейсом

Bluetooth-модуль с USB-интерфейсом.
Голубой огонек — фирменная особенность
современных Bluetooth-устройств.

К примеру, на недавней выставке «CEATEC Japan 2000» (Bluetooth была на ней «хитом сезона») были представлены самые разнообразные применения Bluetooth — от камеры в сотовом телефоне, передающей изображение прямо на принтер, до беспроводных проекторов и наушников. Всесторонняя поддержка технологии ведущими производителями электроники, безусловно, положительно сказывается на расширении рынка Bluetooth-устройств. Очень хочется надеяться, что в самое ближайшее время технология по-настоящему сойдет с выставочных стендов, Bluetooth-модули значительно подешевеют и станут привычными и даже необходимыми, в том числе и в нашей стране.

 

Режим работы

Прежде чем устройство сможет войти в пиконет, оно должно периодически (каждые 1,28 с) прислушиваться к эфиру на 32 определенных для каждого конкретного устройства частотах. Это ждущий (standby) режим. Если какое-либо устройство собирается инициировать соединение, оно передает сообщение «inquiry» для поиска устройств, адрес которых неизвестен. Затем следует сообщение «page» на 16 частотах, определяемых адресом ведомого устройства. Если ответа не последовало, ведущий модуль передает «page» на оставшихся 16 частотах. То есть максимальная задержка перед соединением составляет 2,56 секунды (удвоенное время прослушивания эфира) без учета предварительного сообщения «inquiry», которое передается, только если не известен адрес вызываемого устройства.

После того как из ждущего режима через промежуточные режимы «page» и «inquiry» устройство переходит в активный, оно может передавать и получать данные. Однако если устройство простаивает, оно может войти в один из специальных режимов, предназначенных для энергосбережения или экономии адресов активных участников пиконета. Вход в эти режимы возможен только при установленном асинхронном соединении по приказу ведущего или по запросу ведомого модуля. Режим сниффинга (sniff) используется, когда устройство должно прислушиваться к пиконету только периодически, через заданные промежутки времени. Режим задержки (hold) позволяет приостановить прием/передачу на определенный промежуток времени. Оба режима используются для экономии энергии. Наконец, в режиме парковки ведомый полностью сохраняет синхронизацию с ведущим (то есть этот режим не является энергосберегающим), но не имеет собственного AM_ADDR, вместо него устройству присваивается специальный PM_ADDR, устройство не имеет права отправлять пакеты.

Поймите меня правильно

Во избежание повторной передачи и для увеличения полезной загрузки канала в технологии Bluetooth предусмотрена схема коррекции ошибок FEC (Forward Error Correction). Для защиты заголовка пакета применяется FEC 1/3 (скорость передачи полезных данных в три раза ниже максимальной), где каждый бит просто повторяется трижды. Для защиты данных может быть использована схема FEC 2/3 (скорость передачи на треть ниже максимальной), где данные передаются специальными 15-битными кодовыми словами, из которых восстанавливается 10 бит изначальных данных. Этот режим позволяет находить две битовых ошибки на кодовое слово и исправлять однобитные ошибки. Поскольку в среде с редкими ошибками FEC малополезна и уменьшает производительность, данные могут передаваться и без нее, но заголовок пакета защищается всегда.

Как уже говорилось, на диапазоне ISM работает не только Bluetooth. Например, при совместной работе с IEEE 802.11b оказываются испорченными около 20% пакетов. Поскольку одной FEC здесь недостаточно, может использоваться (и, как правило, используется) схема ARQ (Automatic Repeat reQuest, автоматический запрос повтора). Она работает только с данными, то есть не защищает голосовые передачи. Пакет передается до тех пор, пока от получателя не получено сообщение об удачном приеме.

HomeRF

HomeRF Consortium, в свою очередь, разрабатывает технологию на базе протокола беспроводного доступа SWAP (Shared Wireless Access Protocol). Как следует из названия организации, протокол предназначен для построения домашних радиосетей или связи бытовых аудио- и видеоустройств, а также (это уже не следует из названия) для обеспечения «последней мили» при организации доступа в Интернет. Базовая пропускная способность HomeRF до недавнего времени была ограничена 1-2 Мбит/с (FCC не разрешала увеличить диапазон, доступный для этого протокола). Передача осуществляется на частоте 2,4 ГГц, так же как и в случае Bluetooth, — шумообразным сигналом, но со скачками несущей 50 раз в секунду. Каждое устройство представляется в сети уникальным 48-битным идентификатором. Весь трафик дополнительно шифруется по алгоритму Blowfish. HomeRF поддерживает сети численностью до 127 устройств, а также до шести полнодуплексных голосовых каналов.

Спецификация предусматривает четыре способа подключения устройств:

  1. Точка доступа, которая поддерживает голосовой сервис и передачу данных.

  2. Точка доступа, которая поддерживает только голосовой сервис (временное уплотнение сигнала) для связи с базовой станцией.

  3. Точка доступа с частотным уплотнением сигнала для связи с базовой станцией или другой точкой доступа.

  4. Точка доступа, которая поддерживает режимы 2 и 3.

В конце лета FCC разрешила HomeRF расширить рабочий диапазон. Bluetooth SIG давно выступала против решения FCC, но сейчас дело сделано, посмотрим, как покажет себя Bluetooth в условиях жесткой конкуренции.

В результате расширения частотных каналов, в которых передаются данные, скорость передачи возрастет до 10 Мбит/с, оптимальный радиус действия останется прежним (до 50 м). То есть HomeRF становится технологически даже более привлекательной, чем Bluetooth. В частности, скорость передачи данных в Bluetooh составляет 721 кбит/с, а радиус действия — до 10 м. Правда, области применения стандартов несколько иные, но и Bluetooth когда-то предназначался исключительно для связи сотовых телефонов и мобильных компьютеров.

IrDA

Стандарт IrDA 1.0 (Infra red Data Association) был принят в июне 1994 года Ассоциацией по инфракрасной передаче данных. В настоящее время действует версия 1.1 этого стандарта.

IrDA использует инфракрасный диапазон в промежутке 850-900 нанометров и позволяет организовывать полудуплексные соединения типа точка-точка (есть еще так называемый режим NDM — Normal Disconnect Mode, в котором данные передаются широковещательно, но без установления соединения с каждым из участников, а следовательно, с возможной потерей данных) на расстоянии до 1 метра. Полнодуплексные соединения, как правило, невозможны из-за того, что часть излучения передатчика неизбежно попадает и в приемник того же устройства, а частотного разделения приема и передачи сигнала в IrDA не предусмотрено, поскольку он задумывался как недорогой и маломощный интерфейс. Основой IrDA 1.0 является асинхронный приемопередатчик UART (применяется также в COM-портах), который обеспечивает скорость передачи данных в диапазоне 2400-115200 бод.

Перед началом каждого сеанса связи устройство предварительно проверяет занятость диапазона: в случае занятости устройство возвращает код ошибки, который потом обрабатывается программно, если же диапазон свободен, то между устройствами инициализируется соединение (по умолчанию на скорости 9600 бод), и для каждого устройства генерируется случайный 32-разрядный адрес. При осуществлении связи выделяется ведущий и ведомый, ведущий — это обычно компьютер, ведомый — периферийное устройство.

 

Автор
Андрей Сокольников

Комментарии