個(gè)人局域網(wǎng)的一種實(shí)現(xiàn)技術(shù)--藍(lán)牙技術(shù)

【摘　要】簡(jiǎn)單介紹了最近發(fā)展起來(lái)的個(gè)人局域網(wǎng)，詳細(xì)論述了藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)、功能單元及其協(xié)議體系，最后對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。
?? 關(guān)鍵詞：個(gè)人局域網(wǎng) 藍(lán)牙技術(shù) 功能單元 協(xié)議體系
　
1　個(gè)人局域網(wǎng)（PAN）簡(jiǎn)介
?　隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，一種新的小型無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)正在悄然興起，這就是業(yè)界稱之為個(gè)人局域網(wǎng)（PersonalArea Network）的一種特殊的小型局域網(wǎng)。PAN的基本思想是：以無(wú)線方式實(shí)現(xiàn)個(gè)人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個(gè)人化的家用或辦公用信息網(wǎng)絡(luò)。
　 PAN主要用于家庭及小型辦工場(chǎng)合，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信、數(shù)據(jù)通信、信息家電和辦公用具的互連及信息的自動(dòng)交換、Internet接入服務(wù)等功能，是構(gòu)建未來(lái)信息化家居和辦公環(huán)境的新興技術(shù)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及信息家電的發(fā)展，其發(fā)展前景廣闊。
　 PAN主要適用于室內(nèi)短距離通信，相對(duì)應(yīng)地，PAN具有其自身的一些特點(diǎn)，例如設(shè)備體積小、便于攜帶、收發(fā)功率小、工作頻段較高、通信環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定、可低成本實(shí)現(xiàn)較高的QoS等。
　 PAN的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有多種，主要有Bluetooth、IrDA、Home RF及UWB（Ultra－Wideband Radio）這四種技術(shù)。其中藍(lán)牙技術(shù)作為主流技術(shù)之一，得到了象Ericsson、Nokia、Intel、IBM等廠商的支持，其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，成為PAN技術(shù)苑中一朵絢麗的奇葩。鑒于此 ，下面將對(duì)其作初步介紹。
2　藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展概況及特點(diǎn)
　 藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)短距離無(wú)線傳輸?shù)男屡d技術(shù)，支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的通信。該技術(shù)由Ericsson、Nokia、Intel、IBM和Toshiba等公司提出并推廣。自1998年以來(lái)，先后有Bluetooth1．0A和Bluetooth1．0B標(biāo)準(zhǔn)被相繼推出，Bluetooth2. 0標(biāo)準(zhǔn)也即將推出。這極大地推動(dòng)了PAN技術(shù)的發(fā)展，IEEE專門成立了IEEE 802．15小組負(fù)責(zé)研究基于藍(lán)牙技術(shù)的PAN技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
?。?）將設(shè)備無(wú)線互聯(lián)組成小型PAN，并可為其提供接入數(shù)據(jù)網(wǎng)的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)與Interne t互聯(lián)。　　
? （2）工作于2．4GHz的ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)頻率許可證。
?。?）采用1600hop／s的快速跳頻技術(shù)，提供了一定程度的物理層安全保證。
?。?）采用正向糾錯(cuò)編碼（FEC）技術(shù)降低了誤碼率，保證通信質(zhì)量。
? （5）采用FM調(diào)制方式，設(shè)備簡(jiǎn)單。
　（6）支持點(diǎn)到多點(diǎn)通信，具有自動(dòng)查詢?cè)O(shè)備及服務(wù)類型的功能。
?。?）協(xié)議體系完備，充分支持現(xiàn)有高層協(xié)議，具有多種工作模式。
? （8）支持多通道傳輸，可實(shí)現(xiàn)非對(duì)稱連接。
? （9）支持電路交換和分組交換兩種交換形式。?
? （10）設(shè)備體積小，便于攜帶或移動(dòng)，成本低廉。
3　藍(lán)牙系統(tǒng)的構(gòu)成及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
　 支持藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備以特定的方式構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，我們將其稱之為微微網(wǎng)(Piconet)。微微網(wǎng)最多由八個(gè)設(shè)備組成，所有藍(lán)牙設(shè)備都是對(duì)等的，以同樣的方式工作。但當(dāng)微微網(wǎng)建立時(shí)，只有一臺(tái)設(shè)備的時(shí)鐘和跳頻序列用來(lái)使其他設(shè)備同步，該設(shè)備稱為主設(shè)備(Master unit)，其他被同步的設(shè)備稱為從設(shè)備（Slave unit）。微微網(wǎng)中的設(shè)備具有唯一的MAC地址（MACadress），用于相互區(qū)分和標(biāo)識(shí)，該地址以3個(gè)bit表示。微微網(wǎng)中的設(shè)備可處于休眠狀態(tài)（Parketstate）、監(jiān)聽(tīng)（Sniffstate）狀態(tài)或保持（Hodestate）狀態(tài) ，當(dāng)處于休眠狀態(tài)時(shí)設(shè)備無(wú)MAC地址。由若干獨(dú)立的非同步的微微網(wǎng)構(gòu)成分布式網(wǎng)絡(luò)(Scatter Network)，PAN因而可認(rèn)為是一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)。圖1示出了其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
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4　藍(lán)牙功能單元
4．1　無(wú)線射頻單元
　 藍(lán)牙系統(tǒng)采用全向天線，支持點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，使得多臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備可以分享LAN資源；支持終端的移動(dòng)性，更容易查詢和發(fā)現(xiàn)設(shè)備。信號(hào)傳輸不受視距的影響，易于組網(wǎng)。天線的發(fā)射功率按0dBm設(shè)計(jì)，符合FCC關(guān)于ISM波段的要求。發(fā)射功率可達(dá)100mW，系統(tǒng)在2．402GHz到2．480GHz之間，采用79個(gè)1MHz的頻點(diǎn)進(jìn)行跳頻。其設(shè)計(jì)通信距離為10厘米到10米，增大發(fā)射功率可以達(dá)到100米。
4．2　基帶控制單元
　 藍(lán)牙基帶控制單元實(shí)現(xiàn)基帶協(xié)議和其他底層連接協(xié)議，具體完成三方面功能：網(wǎng)絡(luò)建立、差錯(cuò)控制、驗(yàn)證和加密。
　（1）網(wǎng)絡(luò)建立微 微網(wǎng)建立之前，所有藍(lán)牙設(shè)備均處于等待狀態(tài)，在此狀態(tài)下設(shè)備每隔1.28s監(jiān)聽(tīng)一次信息，設(shè)備一旦被喚醒將在預(yù)先設(shè)定的32個(gè)跳頻頻率上監(jiān)聽(tīng)信息。連接進(jìn)程由主設(shè)備初始化，若一個(gè)設(shè)備的MAC已知，就用尋呼信息建立連接；若MAC未知，則用尋呼查詢信息建立連接。在初始尋呼狀態(tài)，主設(shè)備在16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送一串相同的尋呼信息給從設(shè)備，若未收到應(yīng)答，主設(shè)備就在其他的16個(gè)跳頻頻率上發(fā)送尋呼信息。當(dāng)所需從設(shè)備應(yīng)答后即建立連接，網(wǎng)絡(luò)便建立起來(lái)了。藍(lán)牙基帶技術(shù)支持兩種連接方式：
　 ·面向連接（SCO）的同步傳輸方式：主要用于話音傳輸。
　 ·面向無(wú)連接（ACL）的異步傳輸方式：主要用于分組數(shù)據(jù)的傳輸。
　 應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是在同一微微網(wǎng)中，不同的主從設(shè)備可以采用不同的連接方式，而且在一次通信中，連接方式可以改變。每一連接方式支持16種不同的分組類型，其中控制分組四種，為SCO和ACL通用的分組。兩種連接方式均采用時(shí)分雙工（TDD）通信。SCO為對(duì)稱連接，支持實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸，主從設(shè)備無(wú)需輪詢即可發(fā)送數(shù)據(jù)。SCO的分組既可以是語(yǔ)音也可以是數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)生中斷時(shí)，只有數(shù)據(jù)部分需要重傳。ACL是面向分組的連接，支持對(duì)稱和非對(duì)稱兩種傳輸流量，同時(shí)還支持廣播信息。在ACL方式下，主設(shè)備控制鏈路帶寬并負(fù)責(zé)從設(shè)備帶寬的分配，從設(shè)備按輪詢發(fā)送數(shù)據(jù)。
? （2）差錯(cuò)控制　基帶控制器采用三種糾錯(cuò)方式：1／3正向糾錯(cuò)編碼（FEC）、2／3正向糾錯(cuò)編碼、和自動(dòng)請(qǐng)求重傳（ARQ）。采用FEC編碼的目的是減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)，但在無(wú)差錯(cuò)環(huán)境下，F(xiàn)EC校驗(yàn)位失去作用而且降低了數(shù)據(jù)吞吐量，因此業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是否加FEC校驗(yàn)應(yīng)視具體情況而定。對(duì)于含有重要連接信息和糾錯(cuò)信息的分組報(bào)頭應(yīng)始終采用1／3FEC校驗(yàn)碼進(jìn)行保護(hù)傳輸。對(duì)于需在發(fā)送后的下一時(shí)隙給出確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸，使用ARQ方式?；厮虯CK意味著頭信息校驗(yàn)及CRC校驗(yàn)均正確；否則，回送NACK。
　（3）驗(yàn)證與加密　物理層提供驗(yàn)證與加密服務(wù)，驗(yàn)證與加密采用口令／應(yīng)答方式，在連接過(guò)程中，可能需要一次驗(yàn)證或兩次驗(yàn)證，也可能無(wú)需驗(yàn)證。驗(yàn)證對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)而言是一個(gè)重要的組成部分，它允許用戶自行添加可信任的藍(lán)牙設(shè)備。藍(lán)牙系統(tǒng)采用流密碼加密技術(shù)，便于硬件實(shí)現(xiàn)，密鑰長(zhǎng)度可以是0、40、64、128位，藍(lán)牙設(shè)備在每次建立鏈路時(shí)都要核對(duì)密鑰，通信時(shí)該密鑰用于鑒權(quán)和加密。密鑰由高層軟件管理。藍(lán)牙驗(yàn)證與加密的目的是提供適當(dāng)級(jí)別的保護(hù)，如果用戶有更高級(jí)別的保密要求，需使用傳輸層和應(yīng)用層安全機(jī)制。
4．3　鏈路管理單元
　 鏈路管理單元實(shí)現(xiàn)通信鏈路的建立、驗(yàn)證、鏈路配置、及其他協(xié)議。鏈路管理器可發(fā)現(xiàn)其他鏈路管理器，并通過(guò)鏈路管理協(xié)議（LMP）建立通信聯(lián)系，鏈路管理器利用鏈路控制器（LC ）提供的服務(wù)實(shí)現(xiàn)上述功能。LC實(shí)現(xiàn)的功能有：接收和發(fā)送數(shù)據(jù)、設(shè)備號(hào)請(qǐng)求、鏈路地址查詢、建立連接、驗(yàn)證、協(xié)商建立連接的方式、確定分組的幀類型、設(shè)置設(shè)備的工作方式（監(jiān)聽(tīng)、休眠或保持）。
4．4　軟件功能單元
?　藍(lán)牙計(jì)劃的目的是確保任何藍(lán)牙設(shè)備實(shí)現(xiàn)互通，因此藍(lán)牙設(shè)備必須能夠彼此識(shí)別，并通過(guò)安裝合適的軟件識(shí)別出彼此支持的高層功能。互通性要求采用相同的應(yīng)用層協(xié)議。軟件的互通性指鏈路級(jí)協(xié)議的多路傳輸、設(shè)備和服務(wù)的發(fā)現(xiàn)以及分組的分段和重組。這些功能由藍(lán)牙手機(jī)、手持設(shè)備、及筆記本電腦來(lái)完成。藍(lán)牙軟件結(jié)構(gòu)單元利用現(xiàn)有規(guī)范，像OBEX、vCard／ vCalendar、HID、WAP、PPP及TCP／IP等協(xié)議規(guī)范，而不去開(kāi)發(fā)新的協(xié)議。軟件單元主要實(shí)現(xiàn)的功能有：藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、與外圍設(shè)備的通信、音頻通信及呼叫控制、交換名片和電話號(hào)碼等。
5　藍(lán)牙技術(shù)的協(xié)議體系
　 藍(lán)牙協(xié)議棧如圖2所示。完整的藍(lán)牙協(xié)議包括藍(lán)牙專用協(xié)議（如LMP和L2CAP）和非專用協(xié)議（如對(duì)象交換協(xié)議OBEX和傳輸控制協(xié)議TCP）。協(xié)議和協(xié)議棧的設(shè)計(jì)原則是充分利用現(xiàn)有的高層協(xié)議，保證現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙技術(shù)相融合及各種應(yīng)用之間的互通性，充分利用兼容藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的軟硬件系統(tǒng)。
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? ?藍(lán)牙協(xié)議體系可分為兩大類：核心協(xié)議和應(yīng)用協(xié)議。核心協(xié)議包括基帶協(xié)議（Baseband）鏈路管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）。
5．1　核心協(xié)議
? （1）基帶協(xié)議（Baseband）
　 基帶協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)建立之初發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備，并同鏈路控制層一起保證微微網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備單元之間建立無(wú)線連接。語(yǔ)音編碼數(shù)據(jù)直接通過(guò)基帶協(xié)議傳輸，呼叫控制命令（TCS BIN和AT Commands）建立在虛擬串口協(xié)議RFCOMM基礎(chǔ)上，通過(guò)L2CP處理后進(jìn)入基帶傳輸。
? （2）鏈路管理協(xié)議（LMP）
　 鏈路管理協(xié)議負(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備間無(wú)線連接的建立與控制。通過(guò)連接的發(fā)起、交換、核實(shí)，進(jìn)行身份驗(yàn)證和加密，通過(guò)協(xié)商確定基帶數(shù)據(jù)分組的大?。豢刂茻o(wú)線設(shè)備的電源模式和工作周期，以及微微網(wǎng)中設(shè)備單元的連接狀態(tài)。
? （3）邏輯鏈路控制和適配協(xié)議（L2CAP）　
?　當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不經(jīng)過(guò)LMP時(shí)，L2CAP為上層提供服務(wù)，L2CAP采用了多路技術(shù)、分割和重組技術(shù)、群提取技術(shù)，允許高層協(xié)議以64K字節(jié)收發(fā)數(shù)據(jù)分組。不過(guò)L2CAP僅支持ACL連接。
? （4）服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（SDP）
　 服務(wù)發(fā)現(xiàn)是所有用戶模式的基礎(chǔ)，使用SDP可以提供設(shè)備的信息和服務(wù)類型，從而在藍(lán)牙設(shè)備間建立連接。?
5．2　應(yīng)用協(xié)議
　 藍(lán)牙的應(yīng)用包括基于OBEX的對(duì)象交換、基于PPP的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和話音通信應(yīng)用三種。相應(yīng)的應(yīng)用協(xié)議有：
　 ·電纜替代協(xié)議? 在藍(lán)牙基帶協(xié)議上仿真RS－232控制數(shù)據(jù)信號(hào)，為使用串行線傳送數(shù)據(jù)的上層協(xié)議提供服務(wù)。
　 ·二元電話控制協(xié)議和AT命令集電話控制協(xié)議? 定義了藍(lán)牙設(shè)備間建立語(yǔ)音和數(shù)據(jù)呼叫的控制命令及控制多用戶模式下移動(dòng)電話、調(diào)制解調(diào)器等的命令集。
　 ·基于OBEX的對(duì)象交換協(xié)議? 類似于HTTP協(xié)議，采用客戶機(jī)－服務(wù)器模式和獨(dú)立于傳輸機(jī)制和傳輸應(yīng)用程序的接口，完成電子名片交換（vCard）、電子日歷及其交換（vCal）、電子筆記本（vNot e）、電子信息（vMessage）等。
　 可選用的應(yīng)用協(xié)議TCP／UDP／IP用于完成藍(lán)牙設(shè)備與Internet進(jìn)行互聯(lián)通信。WAP將互聯(lián)網(wǎng)信息和電話傳送的業(yè)務(wù)傳送到數(shù)字蜂窩電話或其他無(wú)線終端上。建立在L2CAP基礎(chǔ)上，采用不同的協(xié)議棧組構(gòu)成相應(yīng)的協(xié)議?？蓪?shí)現(xiàn)不同的用戶模式，如文件傳輸模式、同步模式、局域網(wǎng)訪問(wèn)模式、一機(jī)三用電話模式、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)橋模式等。
6　結(jié)束語(yǔ)
　 回顧網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展可以看出，局域網(wǎng)的發(fā)展是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的基礎(chǔ)和中堅(jiān)。就網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍而言，廣域網(wǎng)將無(wú)數(shù)計(jì)算機(jī)終端連接成為包含極其豐富信息資源的信息網(wǎng)，使整個(gè)地球正在逐漸變成名副其實(shí)的地球村，極大地改變了人們的生活方式。傳統(tǒng)廣域網(wǎng)的組網(wǎng)、傳輸?shù)燃夹g(shù)已較為成熟，其研究熱點(diǎn)正轉(zhuǎn)向全光網(wǎng)的研究，以提高傳輸速率，消除帶寬的瓶頸。與此同時(shí)，局域網(wǎng)也正向微型化方向發(fā)展，這便是所謂的個(gè)人局域網(wǎng)。個(gè)人局域網(wǎng)的發(fā)展采用了無(wú)線技術(shù)，將個(gè)人的家居設(shè)備或辦公設(shè)備互連，形成小型的局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化并作為一個(gè)整體接入互聯(lián)網(wǎng)，使網(wǎng)絡(luò)真正深入家庭或辦公室，進(jìn)一步擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
　 藍(lán)牙技術(shù)是個(gè)人局域網(wǎng)的主流技術(shù)，雖然其數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，而且還有其他一些應(yīng)用上的技術(shù)問(wèn)題如硬件兼容性、相同設(shè)備的識(shí)別等有待解決，但其優(yōu)點(diǎn)十分突出，并且很多廠商生產(chǎn)的設(shè)備支持藍(lán)牙技術(shù)，因此藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展前景十分廣闊，相信其會(huì)占據(jù)未來(lái)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的主導(dǎo)地位。因此，我們必須充分重視這項(xiàng)新興技術(shù)，加強(qiáng)研究與開(kāi)發(fā)工作，推動(dòng)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。

1　Bluetooth SIG．Specification of the Bluetooth SystemCore，version 1．0B．http://www.b luetooth．com，December 1st 1999
2　Bluetooth SIG．Specification of the Bluetooth SystemProfiles，version 1．0B．h ttp://www．bluetooth．com，December 1st 1999
3　Riku Mettala．Bluetooth Protocol Architecture．http://www．bluetooth．com， July 15th 1999
4　Riku Mettala．Bluetooth Security Architecture．http://www．bluetooth．com， July 15th 1999
5　Riku Mettala．Bluetooth PC Card Transport Layer．http://www．bluetooth．com ，July 15th 1999
6　郭峰，曾興雯等．無(wú)線局域網(wǎng)．北京：電子工業(yè)出版社，1997