Bluetooth

Bluetooth переводится как синий зуб, названа в честь датского короля Харальда I Синезубого - производственная спецификация беспроводных персональных сетей (WPAN).

Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.

Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе до 10-100 метров друг от друга (дальность очень сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Харальд Синезубый, король Дании и части Норвегии, который объединил противоречащие датские племена в единое королевство. Смысл названия в том, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт

Логотип Bluetooth является сочетанием двух нордических рун: «хаглаз» (Hagall) - аналог латинской H и «беркана» (Berkanan) - латинская B.

Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG)[1][6], которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стало частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году.

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты[9] (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «точка-точка», но и соединение «точка-многоточка».

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов.

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка EDR (Enhanced Data Rate) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с.

Стандартная скорость передачи данных использует Гауссово Кодирование со сдвигом частот (GFSK) модуляцию радиосигнала, при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляцию с двумя вариантами.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0 + HS спецификация [12] была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Асимметричная Мультипроцессорная Обработка).

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мб/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие - по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), т.е. не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0

В декабре 2009 года Bluetooth SIG анонсировала стандарт Bluetooth 4.0. Эта технология предназначена прежде всего для различных беспроводных датчиков.

В Bluetooth 4.0 достигается низкое энергопотребление за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт.

Первый чип с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. Массовый выпуск Bluetooth-модулей ожидается в I квартале 2010 года.

Профиль — набор функций или возможностей, доступных для определённого устройства Bluetooth. Для совместной работы Bluetooth-устройств необходимо, чтобы все они поддерживали общий профиль. Разработано несколько десятков профилей Bluetoothдля подключения различных типов устройств, таких как наушники, сетевые адаптеры, принтеры и т.п.

Инициализацией, касательно bluetooth, принято называть процесс установки связи. Её можно разделить на три этапа:

Генерация ключа Kinit

Генерация ключа связи (он носит название link key и обозначается, как Kab)

Аутентификация

Первые два пункта входят в так называемую процедуру паринга.

Паринг (PAIRING) — или сопряжение. Процесс связи двух (или более) устройств с целью создания единой секретной величины Kinit, которую они будут в дальнейшем использовать при общении. В некоторых переводах официальных документов по bluetooth можно также встретить термин «подгонка пары».

Перед началом процедуры сопряжения на обеих сторонах необходимо ввести PIN-код. Обычная ситуация: два человека хотят связать свои телефоны и заранее договариваются о PIN-коде.

Kinit формируется по алгоритму E22, который оперирует следующими величинами:

BD_ADDR — уникальный адрес BT-устройства. Длина 48 бит (аналог MAC-адреса сетевой карты PC)

PIN-код и его длина

IN_RAND. Случайная 128-битная величина

Для создания ключа связи Kab устройства обмениваются 128-битными словами LK_RAND(A) и LK_RAND(B), генерируемыми случайным образом. Далее следует побитовый XOR с ключом инициализации Kinit. И снова обмен полученным значением. Затем следует вычисление ключа по алгоритму E21.

На данном этапе pairing заканчивается и начинается последний этап инициализации bluetooth — Mutual authentication или взаимная аутентификация. Основана она на схеме «запрос-ответ». Одно из устройств становится верификатором, генерирует случайную величину AU_RAND(A) и засылает его соседнему устройству (в plain text), называемому предъявителем (claimant — в оригинальной документации). Как только предъявитель получает это «слово», начинается вычисление величины SRES по алгоритму E1, и она отправляется верификатору. Соседнее устройство производит аналогичные вычисления и проверяет ответ предъявителя. Если SRES совпали, то, значит, всё хорошо, и теперь устройства меняются ролями, таким образом процесс повторяется заново.

При прослушивании эфира возможно перехватить общение устройств и расшифровать код, таким образом, BT-соединение не является безопасным.

В большинстве устройств безопасность на уровне служб, доступных через bluetooth, не обеспечивается на должном уровне. Большинство разработчиков делает ставку именно на безопасность установления сопряжения. Поэтому последствия действий злоумышленника могут быть различными: от кражи записной книжки телефона до установления исходящего вызова с телефона жертвы и использования его как прослушивающего устройства.

Радиус работы устройств BT2 не превышает 15 метров, для BT1 до 100 м (класс А). Эти числа декларируются стандартом для прямой видимости, в реальности не стоит ожидать работу на расстоянии более 10-20 метров. Применение BTдля подключения, например, ноутбука или КПК к домашней сети возможно, но скорость и качество связи значительно уступаютWi-Fi. НишаBT– беспроводные гарнитуры и наушники телефонов, подключение различных датчиков (например,GPS-приёмника) и т.п. связь короткого действия. Из этой нишиBTпрактически вытеснилIrDA– передачу данных при помощи инфракрасного излучения. СейчасIrDAвстречается в основном в пультах дистанционного управления бытовой техникой, но и там тоже внедряетсяBT, не требующий точного позиционирования пульта и позволяющий двусторонний обмен данными.

Мультиплексирование в сетях цифровой связи.

Мультиплексирование – это передача по одной физической линии нескольких логических потоков. Возникло оно в голосовой телефонии по причине того, что в стоимости создания линии основную часть составляют работы по собственно прокладке, а цена оконечных устройств относительно мала. Это позволяет при прокладке одной дорогой высокоскоростной линии затратить существенно меньше средств, чем на прокладку Nнизкоскоротных.

Принцип действия мультиплексора прост: пропускная способность высокоскоростной линии делится на Nнизкоскоростных.

поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.

В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.

Синхронное мультиплексирование.

Характеристики каналов плезиохронной (PDH) и синхронной (SDH) иерархий.

Принцип действия мультиплексора прост: поступающие по нескольким входящим низкоскоростным линиям сигналы передаются в отведенном для каждого из них частотном диапазоне или интервале времени по высокоскоростной исходящей линии. На противоположном конце высокоскоростной линии эти сигналы вычленяются, или демультиплексируются.

В соответствии со способом уплотнения технологии мультиплексирования можно разделить на две основные категории: мультиплексирование с разделением по частоте (Frequency Division Multiplexing, FDM) и мультиплексирование с разделением по времени (Time Division Multiplexing, TDM). При частотном мультиплексировании частотный спектр делится на логические каналы, причем каждый пользователь получает этот канал в свое распоряжение на время разговора. При временном мультиплексировании пользователям периодически выделяется вся полоса, но только на краткий период времени.

Как известно, человеческая речь может быть адекватно передана частотами в диапазоне от 300 до 3400 Гц, т. е. необходимый частотный интервал составляет 3100 Гц. Однако при мультиплексировании нескольких голосовых каналов каждому из них выделяется диапазон в 4000 Гц, чтобы они не перекрывались. Частота каждого канала увеличивается каждая на свою величину, кратную 4 кГц, затем каналы комбинируются. В результате каналы разносятся по всему спектру частот данной линии. Каналы отделены друг от друга так называемыми защитными интервалами.

ИКМ

Прежде чем человеческую речь можно будет передавать по цифровой сети, ее надо преобразовать в дискретную форму. Это достигается с помощью импульсно-кодовой модуляции (Pulse-Code Modulation). Поэтому в современных цифровых телефонных сетях связи временное мультиплексирование тесно связано с импульсно-кодовой модуляцией.

Частота дискретизации должна вдвое превышать максимальную частоту спектра частот аналогового сигнала для его корректного воспроизведения, таким образом, измерения амплитуды должны производиться 8000 раз в секунду в случае человеческой речи. Значение амплитуды приближается 8-разрядным двоичным числом, поэтому скорость передачи должна составлять 64 кбит/с. Как следствие, в цифровых сетях информационный канал на 64 кбит/с - базовый для исчисления скорости всех более емких каналов связи.

При мультиплексировании с разделением по времени каждое устройство или входящий канал получают в свое распоряжение всю пропускную способность линии, но только на строго определенный промежуток времени. Последнее значение соответствует циклу дискретизации, так как при ИКМ каждую 1/8000 долю секунды необходимо производить измерение амплитуды аналогового сигнала. Время передачи восьмиразрядного значения мгновенной амплитуды называется квантом времени (time slot) и равно длительности передачи восьми импульсов (один для каждого бита). Последовательность квантов времени, следующих с вышеуказанным интервалом, образует временной канал. Совокупность каналов за один цикл дискретизации составляет кадр.

В Европе, как и в остальном мире, за исключением США и Японии, стандартной системой является ИКМ-32/30 (или E-1) с 32 временными каналами по 64 кбит/с, в которой 30 каналов используются в качестве информационных для передачи голоса, данных и т. д., а два - в качестве служебных, причем один из служебных каналов предназначен для сигнализации (служебных сигналов установления связи), другой - для синхронизации. Как нетрудно подсчитать, общая емкость системы составляет 2,048 Мбит/с.

Система E-1 образует так называемую первичную группу. Вторичную группу E-2 образуют 4 канала E-1 общей емкостью 8,448 Мбит/с, третичную систему E-3 - четыре канала E-2 (или шестнадцать каналов E-1) общей емкостью 34,368 Мбит/с, а четверичную группу - четыре канала E-3 общей емкостью 139,264 Мбит/с. Эти системы образуют европейскую плезиохронную цифровую иерархию.

Необходимость принятия единого стандарта для систем связи в Европе и Америке, а также потребность в повышении максимальной скорости передачи и встроенных средствах управления сетью связи привели к разработке синхронной цифровой иерархии SDH (к сожалению, североамериканский вариант этого стандарта под названием SONET несколько отличается от европейского, хотя эти различия не столь существенны, как в случае, например, иерархии каналов T-1, T-2... и E-1, E-2...).

В SDH синхронный транспортный модуль (STM-1) образует нижний уровень иерархии. Он эквивалентен синхронному транспортному сигналу STS-3c в иерархии SONET с емкостью 155,52 Мбит/с. Четыре модуля STM-1 мультиплексируются в STM-4 (=STS-12c) c емкостью 622,08 Мбит/с, а четыре модуля STM-4 - в STM-12 (=STS-48c) с емкостью 2,488 Гбит/с. Иерархия определяет и более высокие уровни.

Мультиплексирование осуществляется побайтно, а не побитно, т. е., например, когда четыре потока данных STM-1 объединяются в STM-4, мультиплексор сначала отправляет один байт из первого потока, затем один байт из второго и т. д. по кругу.

Одно из наиболее важных отличий синхронной от плезиохронной иерархии - это возможность выделения нужного канала вплоть до уровня E-1 без демультиплексирования всего транспортного сигнала. Это привело к появлению принципиально иного типа мультиплексоров - мультиплексоров с добавлением и выделением отдельных каналов (в английской терминологии - add-drop multiplexer, а в русской технической литературе их кратко называют мультиплексорами ввода/вывода).

Кроме того, многие мультиплексоры стали выполнять и функции кроссовой коммутации (впрочем, может быть и наоборот, но это уже спор о курице и яйце). Мультиплексоры с кроссовой коммутацией (cross-connect multiplexor) позволяют осуществлять концентрацию и разделение потоков (функции мультиплексирования и демультиплексирования) наряду с переключением цифровых сигналов с одного канала на другой в соответствии с определенными правилами (функции коммутации).

Плезиохронная цифровая иерархия (PDH,PlesiochronousDigitalHierarchy) — цифровой метод передачи данных и голоса, основанный на временном разделении канала и технологии представления сигнала с помощью импульсно-кодовой модуляции (ИКМ).

Синхронная цифровая иерархия (СЦИ: англ. SDH—SynchronousDigitalHierarchy) — это система передачи данных, основанная на синхронизации по времени передающего и принимающего устройства.

В начале 80-х годов было разработано 3 разных системы PDH, американская, европейская и японская. Несмотря на одинаковые принципы, в системах использовались различные коэффициенты мультиплексирования на разных уровнях иерархий.

В PDHиспользуется поэтапное мультиплексирование потоков, потоки более высокого уровня собираются методом чередования бит. То есть, например, чтобы вставить первичный поток в третичный, необходимо сначала демультиплексировать третичный до вторичных, затем вторичный до первичных, и только после этого будет возможность произвести сборку потоков заново. Если учесть, что при сборке потоков более высокого уровня добавляются дополнительные биты выравнивания скоростей, служебные каналы связи и прочая неполезная нагрузка, то процесс терминирования потоков низкого уровня превращается в весьма сложную процедуру, требующую сложных аппаратных решений.

Один из типичных применений PDH– цифровой потокE1, широко используемый в телефонии.

Цикл потока Е1 состоит из 32 канальных интервалов, нумеруемых от 0 до 31. Тридцать канальных интервалов (1—15 и 17—31) используются для передачи трафика (например голоса), а два — нулевой и шестнадцатый — для передачи служебной информации, таких как синхронизации и сигнальные сообщения вызовов.

Система SDH обеспечивает стандартные уровни информационных структур, то есть набор стандартных скоростей. Базовый уровень скорости — STM-1 155,52 Mбит/с. Цифровые скорости более высоких уровней определяются умножением скорости потока STM-1, соответственно, на 4, 16, 64 и т. д., до 40 гигабит.

Вся информация в системе SDH передается в контейнерах. Контейнер представляет собой структурированные данные, передаваемые в системе. Если система PDH генерирует трафик, который нужно передать по системе SDH, то данные SDH сначала структурируются в контейнеры, а затем к контейнеру добавляется заголовок и указатели, в результате образуется синхронный транспортный модуль STM-1. По сети контейнеры STM-1 передаются в системе SDH разных уровней (STM-n), но во всех случаях раз сформированный STM-1 может только складываться с другим транспортным модулем, т.е. имеет место мультиплексирование транспортных модулей.

Еще одно важное понятие, непосредственно связанное с общим пониманием технологии SDH - это понятие виртуального контейнера VC.В результате добавления к контейнеру трактового(маршрутного) заголовка получается виртуальный контейнер. Виртуальные контейнеры находятся в идеологической и технологической связи с контейнерами, так что контейнеру C-12 соответствует виртуальный контейнер VC-12 (передача потока E1), C-3 - VC-3 (передача потока E3), C-4 - контейнер VC-4 (передача потока STM-1).

Cеть передачи SDH и существующая сеть PDH могут работать совместно, пока идет установление сети передачи SDH. Сеть SDH может быть использована для передачи услуг PDH, а также сигналов других иерархий, таких как ATM, Ethernet [1] и FDDI.

Низкоскоростной сигнал PDH (например, 2Мбит/с) может быть напрямую добавлен или извлечен из сигнала SDH. Это устраняет необходимость использования большого количества оборудования мультиплексирования/демультиплексирования, повышает надежность и уменьшает вероятность ухудшения качества сигнала, снижает стоимость, потребление мощности и сложность оборудования.