Projekt 3

Opis technologii sieciowej

Szymon Donajski

Wojciech Bączkowski

Spis treści

1. Ogólna charakterystyka technologii Bluetooth………………………………………3

1. Nazwa………………………………………………………………………………………….3

2. Historia powstania technologii Bluetooth…………………………………….3

3. Charakterystyka technologii Bluetooth…………………………………………3

2. Architektura systemu Bluetooth…………………………………………………………….4

1. Zasięg……………………………………………………………………………………………6

2. Przepustowość………………………………………………………………………………6

3. Warstwy protokołu w systemie Bluetooth…………………………………….7

4. Struktura ramki…………………………………………………………………………….8

5. Adres urządzenia Bluetooth………………………………………………………….9

3. Pozycja Bluetooth na dzisiejszym rynku………………………………………………….9

1. Ogólna charakterystyka technologii Bluetooth

1. Nazwa

Nazwa technologii pochodzi od przydomka króla duńskiego Haralda Sinozębego (Blåtand), który ok. roku 970 podporządkował sobie Norwegię i tym samym przyczynił się do zjednoczenia rywalizujących plemion z Danii i Norwegii. Podobnie Bluetooth, który został zaprojektowany, aby "zjednoczyć" różne technologie jak: komputery, telefonię komórkową, drukarki, aparaty cyfrowe.

Logo Bluetooth łączy znaki alfabetu runicznego Haglaz i Berkanan, będące odpowiednikami liter alfabetu łacińskiego H i B.

2. Historia powstania technologii Bluetooth

Kiedy w 1994 roku firma L. M. Ericsson zainteresowała się możliwością łączenia telefonów komórkowych z innymi urządzeniami bez użycia kabla, wspólnie z czterema innymi firmami (IBM, Intel, Nokia i Toshiba) uformowała SIG (ang. Special Interest Group) celem standaryzacji bezprzewodowej technologii cechującej się niewielkim zasięgiem, małym poborem prądu, niskim poziomem mocy promieniowanej oraz niską ceną. W lipcu 1999 roku Bluetooth SIG opublikowało 1500-stronicową specyfikację pierwszej wersji technologii Bluetooth (Bluetooth V1.0). Wkrótce potem grupa standaryzacyjna IEEE zajmująca się bezprzewodowymi sieciami osobistymi 802.15 przyjęła dokument organizacji SIG jako podstawę dalszych prac.

3. Charakterystyka technologii Bluetooth

Bluetooth jest otwartą specyfikacją standardu sieci, która umożliwia bezprzewodową, szybką komunikację na małe odległości między różnymi urządzeniami elektronicznymi
(np. telefon komórkowy, PDA, piloty telewizyjne, laptopy, urządzenia peryferyjne) . Specyfikacja ta powstała, aby wyeliminować połączenia kablowe pomiędzy urządzeniami. Głównymi zaletami Bluetooth jest otwartość, elastyczność, mały pobór prądu i bardzo niska cena. Standard Bluetooth od samego początku był tak projektowany, aby można było dzięki niemu przesyłać nie tylko dane, ale również mowę z gwarancją odpowiedniej jakości. Zaimplementowano więc standard QoS (ang. Quality of Service), który miał umożliwić wykorzystanie sieci w kontekście telefonii i konferencji wideo na małą odległość.

2. Architektura systemu Bluetooth

System Bluetooth ma budowę warstwową. W systemie Bluetooth możliwe jest utworzenie łącza dwu- lub wielo punktowego. Co najmniej dwa urządzenia pracujące w tym samym kanale tworzą podsieć (ang. piconet). Jedno urządzenie w takiej podsieci pełni funkcję jednostki nadrzędnej (ang. master), pozostałe są urządzeniami podrzędnymi (ang. slave). Kilka podsieci działających na wspólnym obszarze tworzy sieć rozproszoną (ang. scatternet). W takiej sieci jednostki podrzędne mogą zmieniać podsieci, natomiast jednostka nadrzędna w jednej podsieci może być jednostką nadrzędną w innej. Poszczególne podsieci nie są ze sobą zsynchronizowane i pracują na różnych kanałach. W chwili gdy dwa urządzenia Bluetooth zestawiają połączenie, jedno z nich przyjmuje rolę urządzenia nadrzędnego (master), a drugie podrzędnego (slave). Zgodnie ze specyfikacją, dowolne urządzenie może pełnić którąkolwiek z ról. Może też pełnić funkcję urządzenia master w jednym połączeniu i slave w innym. Wszystkie urządzenia slave zmieniają częstotliwość zgodnie z urządzeniem master. W zasadzie rolę urządzenia master przyjmuje urządzenie inicjujące połączenie. Dane urządzenie master może komunikować się z wieloma urządzeniami slave, gdzie ilość aktywnych urządzeń slave nie może przekraczać siedmiu, a zaparkowanych - 255. Wszystkie jednostki slave komunikujące się z pojedynczym urządzeniem master tworzą tzw. pikosieć. W pojedynczej pikosieci może znajdować się tylko jedno urządzenie typu master. Gdy dwa urządzenia znajdą się w swoim obszarze działania są w stanie automatycznie nawiązać połączenie. Taka komunikacja nie musi zachodzić za każdym razem, gdy dane urządzenia się wykryją, mogą być one tak skonfigurowane, by akceptowały w paśmie podstawowym jedynie pewne rodzaje połączeń lub nie akceptowały żadnego z nich.

Rys.1 Struktura standardu Bluetooth

Rys.2 Topologia sieci w systemie Bluetooth

Wszystkie informacje w systemie Bluetooth są przesyłane w ramkach, typy których są zależne od rodzaju łącza. Dla każdego rodzaju łącza można określić 12 typów ramek.

Każda ramka zawiera kod dostępu (używany w celu synchronizacji i identyfikacji). Nagłówek ramki chroniony jest 8-bitową sumą CRC. Zależnie od stosowanego typu ramki można uzyskać różne prędkości transmisji. Przed nawiązaniem połączenia wszystkie stacje podsieci prowadzą nasłuch łącza. Połączenie jest inicjowane przez stację, która staje się stacją nadrzędną. Po ukończeniu transmisji stacja nadrzędna zleca stacjom podrzędnym przejść w tryb wstrzymywania.

1. Zasięg

Zasięg urządzenia determinowany jest przez klasę mocy:

klasa 1 (100 mW) ma największy zasięg, do 100 m

klasa 2 (2,5 mW) jest najpowszechniejsza w użyciu, zasięg do 10 m

klasa 3 (1 mW) rzadko używana, z zasięgiem do 1 m

2. Przepustowość

Bluetooth 1.0 - 21 kb/s

Bluetooth 1.1 - 124 kb/s

Bluetooth 1.2 - 328 kb/s

Bluetooth 2.0 - transfer maksymalny przesyłania danych na poziomie 2,1 Mb/s, wprowadzenie Enhanced Data Rate wzmocniło transfer do 3,1 Mb/s

Bluetooth 3.0 + HS (High Speed) - 24 Mb/s (3 MB/s)

Bluetooth 3.1 + HS (High Speed) - 40 Mb/s(5 MB/s)

Rodzaj pliku	Przykładowa wielkość	Bluetooth 1.1/1.2	Bluetooth 2.0	Bluetooth 2.1 EDR
Tapeta jpg (rozmiar 208x208)	42 kB	0,58 s	0,20 s	0,14 s
Efekt dźwiękowy mp3 (4 sek.)	107 kB	1,48 s	0,51 s	0,36 s
Dzwonek mp3 (24 sek.)	381 kB	5,28 s	1,81 s	1,27 s
Gra Java	750 kB	10,4 s	3,6 s	2,5 s
Trailer filmu AVI w formacie komórkowym	1,6 Mb	22,2 s	7,6 s	5,3 s

3. Warstwy protokołu w systemie Bluetooth

Standard Bluetooth określa wiele protokołów, pogrupowanych w warstwy. Struktura warstw nie odpowiada żadnemu znanemu modelowi (OSI, TCP/IP, 802). IEEE prowadzi prace nad zmodyfikowaniem systemu Bluetooth, aby dopasować go do modelu określonego standardem 802.

Rys.3 Architektura warst system Bluetooth

Najniższa warstwa - fizyczna warstwa radiowa - odpowiada warstwie fizycznej łącza danych. Określa ona transmisje radiową oraz modulację stosowaną w systemie. Warstwa druga - baseband layer - jest zbliżona do podwarstwy MAC modelu OSI, ale zawiera także elementy warstwy fizycznej. Określa ona w jaki sposób urządzenie master kontroluje sloty czasowe i jak sloty są grupowane w ramki. Kolejna warstwa grupuje powiązane ze sobą protokoły. Link manager zajmuje się ustanowieniem logicznych kanałów między urządzeniami, zarządzaniem energią oraz jakością usługi(QoS). Link control adaptation protocol, często nazywany L2CAP, zajmuje się szczegółowymi parametrami transmisji, uwalniając w ten sposób wyższe warstwy od tego obowiązku. Protokół ten jest analogiczny do podwarstwy LLC standardu 802, ale technicznie jest zupełnie inny. Jak wskazują nazwy, protokoły audio i control zajmują się dźwiękiem oraz kontrolą. Aplikacje mogą z nich korzystać pomijając protokół L2CAP. Kolejna warstwa jest warstwą przejściową, zawierającą mieszaninę różnych protokołów. Podwarstwa LLC standardu 802, została wstawiona tu przez IEEE, w celu zapewnienia kompatybilności z sieciami 802. RFcomm (Radio Frequency communication) jest protokołem, który emuluje standardowy port szeregowy do podłączenia klawiatury, myszy, modemu oraz innych urządzeń. Protokół telephony jest protokołem czasu rzeczywistego, używanym w profilach zorientowanych na rozmowy. Zarządza również zestawieniem i rozłączeniem połączenia. Protokół discovery service jest używany do umiejscowienia usługi wewnątrz sieci. W ostatniej warstwie umiejscowione są aplikacje oraz profile. Używają one protokołów warstw niższych. Każda aplikacja ma swój podzbiór używanych protokołów, zazwyczaj korzysta tylko z nich i pomija inne.

4. Struktura ramki
   

Rys. 4 Struktura ramki w Bluetooth

Istnieje kilka formatów ramki w systemie Bluetooth, jednak najważniejszą i najczęściej stosowaną jest ta przedstawiona na rysunku nr 4. Zaczyna się ona kodem dostępu, który identyfikuje mastera, tak aby slave znajdujący się w zasięgu dwóch urządzeń master mógł określić, do którego odbywa się transmisja. Następne 54 bity stanowią nagłówek ramki, który zawiera standardowe pola podwarstwy MAC. Na końcu pojawia się maksymalnie do 2744 (dla ramki składającej się z 5 slotów) bitów zawierających dane. Dla transmisji jednoslotowej ramka zawiera 240 bitów pola danych.

Pole adres nagłówka identyfikuje jedno z ośmiu aktywnych urządzeń, dla którego przeznaczona jest ramka. Pole typ określa typ ramki (ACL, SCO, pool albo null), rodzaj korekcji błędów używany w polu danych oraz liczbę slotów w ramce. Pole Flow jest ustawiane przez slave, gdy jego bufory są pełne i nie może on przyjąć więcej danych. Bit Acknowledgement jest potwierdzeniem transmisji. Bit Sequence jest używany w celu numeracji ramek aby wykryć retransmisje. Ostatnie 8 bitów to suma kontrolna. 18 bitów nagłówka są powtarzane trzy razy dając w efekcie nagłówek 54 bitowy. Po stronie odbiorczej prymitywny układ sprawdza wszystkie trzy kopie każdego bitu. Jeśli wszystkie są takie same, wówczas bit jest zaakceptowany. Jeśli nie, to jeżeli otrzymano dwa zera i jedną jedynkę, wartość końcowa jest zerem, jeśli zaś dwie jedynki i jedno zero, to jedynka.

5. Adres urządzenia Bluetooth

Każde urządzenie Bluetooth, podobnie jak urządzenie sieciowe innych architektur, ma swój unikatowy adres przypisany przez producenta. Adresy te są nadawane przez niezależną jednostkę zarządzająca adresami IEEE i są one unikalne w skali świata. Adres ten jest 48-bitowy i dzieli się na trzy części:

• Nie oznaczona część adresu NAP (ang. Non-significant Address Part),

• Górna część adresu UAP (ang. Upper Address Part),

• Dolna część adresu LAP (ang. Lower Address Part).

Części UAP i NAP (łącznie 24-bity) stanowią łącznie unikatowy adres organizacji OUI (ang. Organizational Unique Identifier). Jest to część adresu przyznana organizacji przez jednostkę zarządzającą adresami. Kolejne 24-bity przydziela organizacja we własnym zakresie trzymając się zasady unikalności adresu.

3. Pozycja Bluetooth na dzisiejszym rynku

Obecnie standard ten jest tak popularny, że odbiornik Bluetooth jest wbudowany w prawie każdego nowego laptopa oraz w telefon komórkowy. Można więc powiedzieć, że zdominował on rynek PAN (ang. Personal Area Network) stając się de facto światowym standardem w komunikacji urządzeń elektronicznych na małą odległość i w ciągu dziesięciu lat wyparł inne rozwiązania tego typu. Jedynym standardem, który jest w stanie w obecnej chwili zagrozić Bluetooth jest testowany właśnie Wireless USB, który będzie korzystał z identycznej warstwy radiowej jak nadal opracowywany standard Bluetooth 3.

10

---