| Беспроводной стандарт передачи данных Bluetooth
РЕФЕРАТ
По дисциплине «Информатика»
Проверил, (доцент)
___________//
___________20__г.
Автор работы
Студент группы
____________/ /
___________20__г.
Реферат защищен
с оценкой (прописью, цифрой)
________________
___________20__г.
Аннотация
Цель реферата – изучить ключевые особенности технологии Bluetooth, найти отличия от подобных беспроводных систем.
Задачами реферата я поставил углубленное изучение технологии Bluetooth, столь распространенной на современном рынке и часто используемой миллионами людей в повседневной жизни, а также возможности перспективного развития данной технологии.
Оглавление
Введение. 4
1 История создания.. 5
1.1 Название и логотип. 5
1.2 Декабрьский бум. 6
2 Bluetooth в повседневной жизни.. 7
3 Спецификации.. 9
3.1 Bluetooth 1.0. 9
3.2 Bluetooth 1.1. 10
3.3 Bluetooth 1.2. 10
3.4 Bluetooth 2.0 + EDR.. 11
3.5 Bluetooth 2.1. 12
3.6 Bluetooth 2.1 + EDR.. 12
3.7 Bluetooth 3.0 + HS. 12
3.8 Bluetooth 4.0. 13
4 Инициализация bluetooth-соединения.. 14
5 Аналоги.. 16
5.1 IrDA.. 16
5.2 Wi-Fi 17
6 Перспективы развития.. 18
заключение. 20
Библиографический список.. 20
Введение
Bluetooth — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN).
Bluetooth - это современная технология беспроводной передачи данных, позволяющая соединять друг с другом практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Соединить можно все, что соединяется (то есть имеет встроенный микрочип Bluetooth). Технология стандартизирована, следовательно, проблемы несовместимости устройств от конкурирующих фирм быть не должно.
Bluetooth - это маленький чип, представляющий собой высокочастотный (2.4 - 2.48 ГГц) приёмопередатчик, работающий в диапазоне ISM. Скорость передачи данных, предусматриваемая стандартом, составляет порядка 720 Кбит/с в асимметричном режиме и 420 Кбит/с в полнодуплексном режиме. Обеспечивается передача трех голосовых каналов, но не видеосигнала. Энергопотребление не должно превышать 10 мВт.
Изначально технология предполагала возможность связи на расстоянии не более 10 метров. Сегодня некоторые фирмы предлагают микросхемы Bluetooth, способные поддерживать связь на расстоянии до 100 метров. Радиотехнология Bluetooth способна "огибать" препятствия, поэтому соединяемые устройства могут находиться вне зоны прямой видимости. Соединение происходит автоматически, как только Bluetooth-устройства оказываются в пределах досягаемости, причем не только по принципу точка - точка (два устройства), но и по принципу точка - много точек (одно устройство работает с несколькими другими). Естественно, для реализации технологии Bluetooth на практике необходимо определенное программное обеспечение.
Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), 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.
Разработан двумя специалистами — Джапом Харстеном (Jaap Haartsen) и Свеном Мэтиссном (Sven Mattisson).
Рисунок 1 — Логотип технологии Bluetooth
Слово Bluetooth — сформулированный на английском языке вариант датского «Blåtand», эпитет короля X века Харальда I (Harald I) из Дании и частей Норвегии, который объединил противоречащие датские племена в единое королевство. Смысл состоит в том, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт. По распространённой версии получил прозвище из-за тёмного цвета зубов. Хотя «blå» в современных скандинавских языках означает «синий», во времена викингов оно также могло означать «чёрного цвета». Так исторически правильным перевод старого норвежского Харальд Blátönn скорее является Харальд Blacktooth чем Харальд Bluetooth. По другой версии прозвище он получил из-за пристрастия к чернике.
Логотип Bluetooth является сочетанием двух нордических («скандинавских») рун: «хаглаз»
(Hagall) — аналог латинской H и «беркана» (Berkanan)
— латинская B.
Декабрь 2000 года был богат анонсами устройств с технологией Bluetooth. Так, в середине декабря компании Axis Communications и Lexmark продемонстрировали на конференции "Bluetooth Developers Conference" решение для беспроводной передачи данных с ноутбука на принтер. Ноутбук Toshiba был оснащен Toshiba Bluetooth PC Card, а в лазерный принтер Lexmark был встроен Bluetooth принт-модуль от фирмы Axis. Каждый мог опробовать новинку в действии.
В том же месяце компания TDK представила еще одно устройство для беспроводной связи ноутбуков, карманных компьютеров, принтеров, сотовых телефонов - TDK Bluetooth USB Adapter.
На той же конференции другая компания - IBM представила Bluetooth-часы. Помимо Bluetooth-модуля это устройство оснащено процессором ARM 7, 8 Мб флэш-памяти, Li-Ion аккумулятором и ИК-портом. Для работы потребуется специальный Linux Bluetooth-драйвер под названием BlueDrek. Bluetooth-часы можно носить на руке и использовать для управления ноутбуком, оснащенным Bluetooth-чипом. На конференции было показано, как буквы, набранные на клавиатуре ноутбука, отображались на экране часов, и, наоборот, как PowerPoint-презентация запускалась и останавливалась с помощью Bluetooth-часов.
Японская компания Yazaki представила оригинальное решение автомобильной системы контроля на основе Bluetooth. Bluetooth-устройство подключается к внутренней локальной сети автомобиля (CAN), а открытие и закрытие дверей происходит по команде с ноутбука или мобильного телефона. Ряд компаний уже начал разработку промышленных стандартов для локальных автомобильных сетей, и для беспроводных коммуникаций на малых расстояниях они выбрали именно технологию Bluetooth.
Интересное решение представила Anoto. Совместно с Ericsson она разработала авторучку Chatpen, способную передавать сделанные записи в ноутбук или мобильный телефон. Вы можете делать записи обычной авторучкой, но на специальной сетчатой бумаге. Встроенная в авторучку миниатюрная видеокамера различает множество мелких точек, нанесенных на специальную бумагу, и преобразует изображение в цифровую форму. При помощи Bluetooth-модуля ваши записи передаются в ноутбук или на мобильный телефон. Авторучка имеет 2 Мб памяти, значит, иметь под рукой ноутбук необязательно: данные, сохраняющиеся в ручке, можно передать позже.
Проект дома будущего. Домашняя мебель и бытовая техника оснащены Bluetooth-чипами: входная дверь, лампочки, телевизор, холодильник, кондиционер, микроволновая печь и т.д., а в кармане у вас лежит Bluetooth-пульт, управляющий всеми этими устройствами.
Технологию Bluetooth можно встретить почти в любом современном устройстве
Одними из самых распространённых Bluetooth-устройств являются автомобильные приспособления. Многие новейшие модели автомашин поставляются с встроенной системой беспроводного соединения. Это объясняется тем, что в них встраиваются навигационные системы, которые также беспроводные. Это позволяет пользоваться телефоном в самых высокогорных районах. Для тех, кто часто путешествует посредством автомобиля, эта технология - просто необходимость.
С беспроводными наушниками, которые работают по принципу голосовой активации, человек может звонить, не снимая своих рук с руля. В некоторых новых автомоделях в зеркало заднего вида также встраивается автоматический определитель номера. Вы можете запросить меню телефона, и оно выплывёт, отобразив все имеющиеся у вас контактные номера. Эта функция может быть запрограммирована в телефон и использована в автомобиле.
Handsfree облегчила жизнь водителям и снизила уровень ДТП.
Bluetooth также используется в беспроводных наушниках, мышках, клавиатурах, колонках и многих других устройствах.
Современные телефоны и компьютеры не обходятся без Bluetooth.
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. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART.
Главные улучшения включают следующее:
· Быстрое подключение и обнаружение.
· Адаптивная перестройки частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам.
· Более высокие скорости чем в 1.1 передачи данных, практически до 721 кбит/с.
· Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.
· В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёх-проводного интерфейса UART.
· Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005
· Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.
Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. 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. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радиотехнологий для передачи данных.
Стандартная (или Базовая) 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, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху - 2 и 3 Mбит/с соответственно.
Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных.
Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:
· Увеличение скорости передачи в 3 раза (2.1 Мбит/с) в некоторых случаях.
· Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания.
· Более низкое потребление энергии благодаря уменьшению нагрузки.
2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того, обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными благодаря использованию технологии Near Field Communication.
В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.
3.0 + HS спецификация 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) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.
Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/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), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.
В декабре 2009 года Bluetooth SIG анонсировала стандарт Bluetooth 4.0. Технология, прежде всего, предназначена для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.).
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 типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а обеспечивает необходимый уровень безопасности 128-битное AES-шифрование.
Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.
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 е 2010 году.
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.
Для простоты будем рассматривать ситуацию с двумя устройствами.
Далее соединяющиеся устройства будут обозначаться A и B, более того, одно из устройств при сопряжении становится главным (Master), а второе — ведомым (Slave). Будем считать устройство A главным, а B — ведомым. Создание ключа Kinit начинается сразу после того, как были введены PIN-коды.
Kinit формируется по алгоритму E22, который оперирует следующими величинами:
· BD_ADDR — уникальный MAC адрес BT-устройства. Длина 48 бит (аналог IP-адреса сетевой карты PC)
· PIN-код и его длина
· IN_RAND. Случайная 128-битная величина
На выходе E22 алгоритма получаем 128-битное слово, именуемое Kinit. Число IN_RAND отсылается устройством A в чистом виде. В случае, если PIN неизменяем для этого устройства, то при формировании Kinit используется BD_ADDR, полученное от другого устройства. В случае если у обоих устройств изменяемые PIN-коды, будет использован BD_ADDR(B) — адрес slave-устройства. Первый шаг сопряжения пройден. За ним следует создание Kab. После его формирования Kinit исключается из использования.
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.
Для этого необходимы величины:
· BD_ADDR
· 128-битный LK_RAND (каждое устройство хранит своё и полученное от другого устройства значения)
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.
E1-алгоритм оперирует такими величинами:
· Случайно созданное AU_RAND
· link key Kab
· Свой собственный BD_ADDR
Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный порт — группа стандартов, описывающая протоколы физического и логического уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.
IrDA работает по принципу «point-to-point», в то время как технология Bluetooth способна работать по принципу «point-to-multipoint».
Также ИК-порт имеет узкий угол охвата (конус 30 градусов), радиус действия до одного метра, что естественно уступает параметрам Bluetooth.
Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity — «беспроводная точность») — торговая марка Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей на базе стандарта IEEE 802.11.
1) Область применения
Wi-Fi – стандарт, основным назначением которого является избавление от лишних проводов – в офисных помещениях и дома при построении локальных сетей.
В домашних условиях использование Wi-Fi помогает быстро создать эффективную сеть, в офисе – сократить расходы на построение сети за счет экономии на прокладке проводов.
Bluetooth – создавался как стандарт беспроводной передачи данных между 2-мя устройствами – мобильными телефонами, КПК или компьютерами (в любом сочетании).
2) Эффективный радиус действия
Радиус действия точки доступа Wi-Fi на открытом воздухе составляет около 300 метров, радиус действия у устройств стандарта Bluetooth – около 30 метров.
3) Стандарт
Устройства Wi-fi работают согласно стандартам 802.11 b/g/n/, устройства Bluetooth – согласно собственных стандартов Bluetooth 1.0 и Bluetooth 2.0.
4) Установка и настройка.
Устройства Bluetooth не требуют никакого конфигурирования после установки, так как работа устройств этого стандарта крайне проста, к тому же в отличие от Wi-Fi для установки связи между двумя Bluetooth адаптерами не требуется 3-е звено в виде маршрутизатора. Чтобы начать передачу данных, достаточно расположить 2 устройства стандарта Bluetooth в радиусе действия друг друга.
Wi- Fi же требует наличия обязательного наличия точки доступа или маршрутизатора. К тому же требуется настройка параметров беспроводной сети.
5) Тип сети
Wi-Fi используется для создания беспроводной локальной сети (WLAN), в которой может быть большое количество различных устройств.
В случае же с Bluetooth – вы можете создать лишь так называемую персональную сеть (PAN), ограниченную 2-мя устройствами.
6) Скорость передачи данных
Еще одно различие состоит в том, что устройства Bluetooth имеют более низкую скорость работы, нежели устройства на базе Wi-Fi.
0.8 мегабит в секунду у Bluetooth и до 108 мегабит в секунду у Wi-Fi
Перспективы технологии Bluetooth огромны. При дальнейшем снижении энергопотребления и увеличении скоростей передачи данных Bluetooth можно будет использовать даже в миниатюрных устройствах.
Если вспомнить про декабрьский бум и мечты о доме новейшего типа, в котором все бытовые приборы связанны друг с другом, то можно смело предполагать, что такие дома появятся очень скоро. Например, выходя из дома, вы сможете получить сообщение от вашего холодильника о необходимых покупках, автомобиль можно будет завести до момента выхода из дома и многое другое, что мы пока только представляем.
Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) делает следующий прогноз: к 2011 году более половины мобильных устройств в мире будут иметь поддержку стандарта Bluetooth 3.0+HS, который более чем в десять раз быстрее Bluetooth 2.0 и обеспечивает скорость соединения до 24 Мбит/сек вместо 2,1 Мбит/сек Bluetooth 2.0.
Bluetooth 4.0 станет наиболее востребованной это связано, прежде всего, с низким энергопотреблением этой технологии, позволяющей устройствам работать от батареи годами, пусть даже и с более низкой скоростью по сравнению с Bluetooth 3.0.
Отдельным примером использования Bluetooth 4.0 может стать "умная бижутерия", отслеживающая давление крови или частоту биения сердца. То есть области применения Bluetooth 4.0. самые широкие, и, вероятно, нас немало удивят многочисленные новинки мобильных устройств с применением этой технологии в ближайшие несколько лет.
заключение
Сегодня уже трудно представить современную электронную технику без Bluetooth, с каждым днем применение беспроводной технологии все более совершенствуется и расширяется. Об этом свидетельствуют новинки компаний разных стран, появляющиеся часто и регулярно.
Таким образом, можно с уверенностью сказать, что эра Bluetooth только начинается, и эта технология преподнесет нам еще немало интересных сюрпризов.
Библиографический список
· http://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
· http://www.blytuz.ru/
· Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. В. Олифер, Н. Олифер
· http://www.radioman.ru/mobile/1/bluetooth.php
|