Мир железа Bluetooth

Нашу жизнь сегодня невозможно представить без компьютеров. Они везде: дома и на работе, в кафе и ресторанах, гостиницах и аэропортах…
А где компьютеры, там и провода. Клавиатуры, мыши, мониторы и вообще вся периферия подключаются к компьютеру посредством проводов. А где провода, там и проблемы. Сколько раз, проклиная всё на свете, я распутывал полтора десятка проводов, соединяющих различную периферию с моим электронным другом.

Bluetooth дает новые возможности: вы можете обмениваться информацией, синхронизировать различные устройства, выходить в интернет, присоединяться к локальным сетям, управлять бытовой техникой и даже автомобилем, используя только устройство, оснащённое Bluetooth (например, мобильный телефон или карманный персональный компьютер) и совершенно не используя провода.

Своим оригинальным названием технология Bluetooth обязана датскому королю Гаральду Блетанду (Harald Blatand, англ. — Harold Bluetooth), прозванному так, по одной из версий за темный передний зуб, жившему в 10-ом веке. Гаральд известен тем, что в своё время объединил территории современной Норвегии, Швеции и Дании. Технология Bluetooth также была призвана объединить такие разные отрасли как вычислительная техника, мобильные технологии и автомобильная промышленность. Так было придумано название.

Технология Bluetooth был изобретена инженерами из Ericsson.
20 мая 1998 года была организована специальная группа — SIG (Special Interest Group) — для продвижения спецификации Bluetooth и привлечения к ней как можно больше разработчиков. SIG — это ассоциация производителей, в которую входят лидеры телекоммуникационной, компьютерной и автомобильной промышленности. SIG — частная ассоциация. Кроме основных работников SIG, ключевые роли в ней играют многие специалисты из компаний ассоциации. В SIG входит более 2000 компаний. В их числе такие гиганты телекоммуникационных технологий как 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia, Toshiba и др. Немалую роль в этом сыграла открытость Bluetooth — все члены SIG могут использовать Bluetooth в своих продуктах.
Существует 3 вида членства в SIG, каждый со своими преимуществами: Promoter, Associate и Adopter. Первый вид членства даёт право на разработку спецификации Bluetooth. Второй обеспечивает доступ к спецификациям ещё до их официального опубликования. Этот вид членства платный и делится на два вида: Золотой (Gold) и Серебряный (Silver). Третий вид членства позволяет использовать опубликованные спецификации и торговые марки SIG, но не даёт возможности влиять на развитие технологии и получать спецификации до их опубликования. Для вступления в SIG на правах Associate или Adopter члена нужно лишь заполнить форму и членские соглашения.

Bluetooth — радио-технология ближнего действия, призванная заменить провода, соединяющие переносные и стационарные электронные устройства. Bluetooth разработан для работы в зашумлённых (радио-сигналами) средах. Модули Bluetooth работают в диапазоне частот ISM (Industry, Science and Medicine — промышленный, научный и медицинский; 2400—2483.5 MHz), который в большинстве стран является свободным от лицензрования. Исключение составляют Испания, Франция и Япония, где диапазон частот, разрешённых для Bluetooth, гораздо меньше. Поэтому устройства, произведённые для этих стран, не будут работать с другими устройствами. Хотя с этими государствами ведутся переговоры, и, возможно, в ближайшем будущем, все Bluetooth устройства будут совместимы.
Пропускная способность Bluetooth составляет 723.2 кб/с. Также через Bluetooth можно передавать до 3 аудио-каналов. В настоящее время расстояние, на которое Bluetooth способен передовать данные, составляет от 10 (в большинстве случаев) до 100 метров. Передача возможна даже через объекты (стены и др.), если, конечно, они не экранированы. Энергия, потребляемая модулем Bluetooth, не должна превышать 10 мВт.

Соединение может происходить не только по принципу «точка — точка», но и «точка — много точек». В этом случае устройство, к которому подключаются, называется master, а те, которые подключаются — slave. Master-устройство управляет частотной и пакетной синхронизацией подключённых к нему устройств. К одному master может быть подключено до 7 активных (активно обменивающихся данными) slave, а также множество неактивных, ждущих освобождения канала. Такая структура называется pico-net. В одной pico-net может быть только один master, но каждый slave может быть master в других pico-net, образуя таким образом scatter-net. В scatter-net устройство может быть не только одновременно master и slave для разных pico-net, но и slave для разных pico-net. В случае же необходимости slave-устройство может становится master в этой же pico-net (естесственно, что при этом старый master становится slave). Разные pico-net одной scatter-net должны работать на различных частотах.
Для избежания помех и защиты от перехвата информации используется псевдослучайный механизм переключения частот (1600 скачков в секунду). По сравнению с другими радио-технологиями, действующими на той же частоте, Bluetooth переключает частоты быстрее и использует более короткие пакеты данных.
Применяется до трех уровней защиты (в зависмости от поставленной задачи: 1) без специальной защиты; 2) доступ только к зарегистрированным устройствам, включая ввод пароля пользователем; 3) защита информации ключом эффективной длины от 8 до 128 бит (что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны: в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии) при передаче в одну или обе стороны.

Каждое устройство имеет уникальный 48-битный сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802.11х. Первые 24 бита определяют компанию-производителя чипа.
Для связи с Bluetooth устройствами сначала происходит их поиск (device discovery). Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth устройств, но и от режима в котором находятся эти устройства.
Discoverable Mode. Находящиеся в этом режиме устройства всегда отвечают на все полученные ими запросы.
Limited discoverable mode. В этом режиме находятся устройства которые могут отвечать на запросы только ограниченное время, или должны отвечать только при соблюдении определённых условий.
Non-discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства, как видно из названия режима, не отвечают на новые запросы.
Но даже если удаётся обнаружить устройство, оно может быть в двух режимах: connectable или non-connectable. В non-connectable режиме устройство не позволяет настроить некоторые важные параметры соединения, и, таким образом, оно хоть и может быть обнаружено, обмениваться данными с ним не удастся. Если устройство находится в connectable режиме, то на этом этапе Bluetooth устройства «договариваются» между собой о физических параметрах соединения.
На уровне пользователя обычно вместо уникального адреса устройства используется имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным. Имя Bluetooth устройства может быть длиной до 248 байт, и использовать кодовую страницу Unicode UTF-8 (при использовании UCS-2, имя может быть укорочено до 82 символов). Спецификация предусматривает, что Bluetooth устройства не обязаны принимать больше первых 40 символов имени другого Bluetooth устройства. Если же Bluetooth устройство обладает экраном малого размера, и ограниченной вычислительной мощью, то количество символов, которое оно примет может быть уменьшено до 20.
Ещё одна из важных особенностей Bluetooth — подключение Bluetooth устройств к сервисам, предоставляемым другими Bluetooth устройствами. После того как имеется список имён и адресов, выполняется поиск доступных сервисов (service discovery), предоставляемых доступными устройствами. Получение или предоставление каких либо сервисов — это то, ради чего всё собственно и затевалось, поэтому для поиска возможных сервисов используется специальный протокол, называемый Service Discovery Protocol (SDP).
Также в спецификации предусмотрена технология защиты передаваемых данных. Имеется 3 режима защиты.
Security mode 1 (non secure), устройство не активизирует защитные процедуры.
Security mode 2 (service level enforced security), защитные процедуры активизируются только после установки соединения.
Security mode 3 (link level enforced security), защитные процедуры активизируются на этапе установления и настройки соединения. Если удалённое устройство не может пройти требований защиты, то соединение не устанавливается.
Security mode 2 и 3 могут использоваться совместно для защищённого на всех этапах соединения.
Основа Security mode 3 — сеансовый ключ, или Bond. Сеансовый ключ генерируется в процессе соединения двух устройств, и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных. Для генерации ключа могут использоваться самые различные составляющие, от заранее известных обоим устройствам значений, до физических адресов устройств. Совмещая защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений (где может использоваться абсолютно любая из существующая на сегодня систем защиты данных), можно создавать достаточно надёжно защищённые соединения. Но всё равно, очевидной слабостью Bluetooth соединений с точки зрения построения сетей остаётся возможность перехвата трафика, причём для этого даже не придётся использовать какое либо специфическое оборудование.

Одно из преимуществ Bluetooth перед конкурирующими технологиями в том, что эта технология не подлежит платному 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.
Первоначально конкурентами Bluetooth были HomeRF и IrDA (инфракрасный порт).
Сейчас IrDA отходит на второй план по ряду причин. Основная причина — в соединении могут одновременно участвовать только два устройства, которые должны находиться в прямой видимости друг от друга на расстоянии, не превышающим нескольких метров.
Спецификация HomeRF предназначена для связи бытовых аудио- и видеоустройств и построения домашних радиосетей. Передача данных также осуществляется на частоте 2.4 ГГц, но со скачками 50 раз в секунду. Пропускная способность HomeRF больше, чем у Bluetooth. Правда, количество подключаемых устройств ограничено — 127. Радиус действия — до 50 метров. Но благодаря более быстрой смене частот Bluetooth более устойчив к помехам и перехвату информации.

Реальным конкурентом Bluetooth на данный момент является wi-fi. Wi-fi — высокоскоростная беспроводная технология, действующая в радиусе до 30 метров в помещениях и до 300 метров на открытых пространствах.
Но и у него есть свои недостатки. Один из них — все продукты wi-fi должны проходить платную сертификацию. Продукты Bluetooth лишеты этого «счастья».

В настоящий момент действует спецификация Bluetooth версии 1.1. Но не за горами выход спецификации 1.2. На момент написания статьи как раз завершалось её тестирование. Новая версия полностью совместима с предыдущей и имеет много новых особенностей для увеличения надёжности и улучшения работоспособности беспроводной технологии.
Новая спецификация EDR (Enhanced Data Rate — увеличенная скорость передачи данных) увеличивает скорость передачи данных и сокращает энергопотребление. Скорость передачи данных увеличивается аж в 3 раза — до 2.1 мбит/сек.
Уже к середине 2005 года новый стандарт станет основным стандартом Bluetooth.

Многие задаются вопросом: Зачем вообще нужен Bluetooh, если есть например тот же wi-fi? Как показывает практика, нужен. Bluetooth с неимоверной скоростью проникает во всё новые области промышленности. Появляются устройства с Bluetooth, где он раньше никогда не использовался. От самых банальных (но от этого не менее полезных) беспроводных гарнитур hands-free для мобильных телефонов до Bluetooth чипов в грузовых контейнерах для определения груза, когда грузовик въезжает на склад. А как вам, например, Bluetooth-чип, встроенный в шины машин для передачи информации о их состоянии. А микроволновые печи или холодильник с Bluetooth? А ведь всё это реально существует! И судя по вкладываемым в Bluetooth усилиям и средствам у него большое будущее.



Автор: metton
http://bluejack.ru/article/bluetooth/