Компьютерные сети. 6-е изд.

4.5. Bluetooth

В 1994 году шведская компания Ericsson заинтересовалась вопросом беспроводной связи между мобильными телефонами и другими устройствами (например, ноутбуками). Совместно с четырьмя другими компаниями (IBM, Intel, Nokia и Toshiba) в 1998 году была сформирована «Специальная рабочая группа» (SIG, Special Interest Group). Она занялась развитием стандарта беспроводного соединения компьютеров и устройств связи, а также созданием аксессуаров с недорогими маломощными радиоустройствами ближнего действия. Проект был назван Bluetooth («Синий зуб») в честь великого короля викингов по имени Харальд Синезубый II, который объединил (читай: завоевал) Данию и Норвегию (провода ему действительно не пригодились).

Bluetooth 1.0 появился в июле 1999 года, и с тех пор SIG ни разу не пожалела об этом. Сегодня Bluetooth используется в самых разнообразных пользовательских электронных устройствах — от мобильных телефонов и ноутбуков до наушников, принтеров, клавиатур, мышей, игровых приставок, часов, аудио­плееров, навигационных устройств и т.д. Протоколы Bluetooth позволяют этим устройствам находить друг друга и соединяться с помощью сопряжения (pairing), а затем надежно передавать данные.

За прошедшее десятилетие протоколы претерпели значительные изменения. В 2004 году, после стабилизации первоначальных протоколов, был выпущен Bluetooth 2.0 с более высокими скоростями передачи данных. Версия Bluetooth 3.0 2009 года может использоваться для сопряжения устройств в комбинации с 802.11 для высокоскоростной передачи. В версии 4.0, выпущенной в 2010 году, был введен режим пониженного энергопотребления. Он будет полезен всем, кто не хочет регулярно менять батарейки в устройствах по всему дому.

Ниже мы рассмотрим основные аспекты Bluetooth 4.0, поскольку эта версия по-прежнему является наиболее распространенной. Далее мы обсудим версию Bluetooth 5 и ее отличия (в основном незначительные) от предыдущей версии.

4.5.1. Архитектура Bluetooth

Начнем изучение системы Bluetooth с краткого обзора ее компонентов и задач. В основе Bluetooth лежит пикосеть (piconet), состоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, расположенных в радиусе 10 м. В одной и той же комнате, если она достаточно большая, могут располагаться несколько пикосетей. Более того, они могут даже связываться друг с другом посредством моста (специального узла), как показано на илл. 4.30. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet).

Помимо семи активных подчиненных узлов, пикосеть может включать до 255 так называемых запаркованных узлов. Это устройства, переведенные в режим пониженного энергопотребления главным узлом, — за счет этого продлевается ресурс их источников питания. В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от главного узла. Также существует два промежуточных режима энергопотребления — приостановленный и анализирующий.

Такая архитектура оказалась очень простой и дешевой в реализации (микросхема Bluetooth стоила менее $5), а именно этого разработчики и добивались. В результате подчиненные узлы получились довольно примитивными — они лишь выполняют то, что им прикажет главный узел. По сути, пикосеть — это централизованная система TDM, в которой главный узел контролирует временные слоты для передачи данных и распределяет их между подчиненными узлами. Обмен происходит только между подчиненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Илл. 4.30. Две пикосети могут объединиться в рассеянную сеть

4.5.2. Применение Bluetooth

Большинство сетевых протоколов просто предоставляют каналы для обмена данными между сущностями и оставляют их прикладное использование на усмотрение разработчиков. Например, в стандарте 802.11 не говорится, что пользователи должны использовать свои ноутбуки для чтения электронной почты, работы в интернете и т.п. Bluetooth SIG, напротив, специфицирует отдельные сценарии применения и для каждого из них предоставляет свой набор протоколов. На момент написания данного раздела было 25 таких сценариев, называемых профилями (profiles). К сожалению, это значительно усложняет систему. Мы опустим детали и кратко рассмотрим профили, чтобы понять, чего пыталась достичь с их помощью группа Bluetooth SIG.

Шесть профилей предназначены для различного использования аудио и видео. К примеру, профиль Intercom (ICP) позволяет двум телефонам соединяться друг с другом по принципу рации. Профили Headset (HSP) и Hands-free (HFP) обеспечивают голосовую связь беспроводной гарнитуры с базовой станцией. Это позволяет, например, совершать звонки за рулем автомобиля. Существуют профили для потоковой передачи стереозвука и видео, например, с портативного аудиоплеера на наушники или с цифровой камеры на телевизор.

Профиль HID (human interface device — человеко-машинный интерфейс) предназначен для подключения клавиатуры и мыши к компьютеру. Другие профили позволяют мобильному телефону или другому устройству получать изображение с камеры или отправлять их на принтер. Пожалуй, более интересен профиль, с помощью которого можно использовать мобильный телефон в качестве пульта дистанционного управления для телевизора с поддержкой Bluetooth.

Следующая группа профилей имеет отношение к сетям. Профиль доступа к персональной сети (PAN) позволяет устройствам Bluetooth сформировать произвольную сеть или удаленно подключиться через точку доступа к другой сети, например к 802.11 LAN. Профиль удаленного доступа (dial-up networking, DUN) представляет собой то, ради чего изначально был задуман весь проект: с его помощью ноутбук может установить беспроводное соединение с мобильным телефоном, имеющим встроенный модем.

Также были определены профили для обмена информацией на более высоком уровне. В частности, профиль синхронизации предназначен для загрузки данных в мобильный телефон, когда его владелец выходит из дома, и извлечения их после возвращения.

Мы опустим остальные профили, заметим только, что некоторые из них служат основой для профилей, упомянутых выше. Профиль общего доступа (на котором строятся все остальные) устанавливает и обслуживает защищенные соединения (каналы) между главным и подчиненным узлами. Другие базовые профили задают основы обмена объектами и передачи аудио и видео. Служебные профили широко используются, например, для эмуляции последовательной шины данных, что особенно полезно при работе со многими устаревшими приложениями.

Неужели действительно так необходимо подробно описывать в стандарте все сценарии применения и предоставлять наборы протоколов для каждого из них? Вероятно, нет. Однако было создано множество рабочих групп, которые рассматривали различные стороны стандарта. Каждая группа разработала свой профиль. Считайте это демонстрацией закона Конвея в действии. (В апреле 1968 года в журнале Datamation была опубликована статья Мелвина Конвея (Melvin Conway), в которой утверждалось, что если поручить написание компилятора n программистам, то получится n-проходный компилятор. В более общем виде эта мысль звучит так: структура программного обеспечения отражает структуру группы разработчиков.) Наверное, можно было обойтись двумя наборами протоколов (вместо 25) — один для передачи файлов и один для обмена данными в реальном времени.

4.5.3. Стек протоколов Bluetooth

Стандарт Bluetooth содержит множество протоколов, условно разбитых на уровни, как показано на илл. 4.31. Сразу можно заметить, что структура не соответствует ни OSI, ни TCP/IP, ни 802, ни какой-либо другой известной модели.

Илл. 4.31. Архитектура протоколов Bluetooth

Внизу находится физический уровень радиосвязи (что вполне соответствует моделям OSI и 802), на котором описывается радиопередача и методы модуляции. Многое здесь направлено на то, чтобы удешевить систему, сделав ее доступной для массового покупателя.

Уровень управления каналом связи (немодулированной передачи) чем-то напоминает подуровень MAC, но содержит и некоторые элементы физического уровня. Здесь описывается, как главный узел контролирует временные слоты и как они группируются во фреймы.

Далее следуют два протокола, использующие протокол управления каналом связи. Протокол управления соединениями устанавливает логические каналы между устройствами, контролирует энергопотребление, сопряжение и шифрование, а также QoS. Он находится ниже линии интерфейса хост-контроллера. Этот интерфейс нужен для удобства реализации: как правило, протоколы ниже линии выполняются на чипе Bluetooth, а выше — на устройстве Bluetooth, где чип размещен.

Над линией находится протокол канального уровня — L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol — протокол управления логическими связями и сопоставлениями). Он формирует сообщения переменной длины и при необходимости обеспечивает надежность передачи. L2CAP используется множеством протоколов, в том числе и двумя описанными ранее служебными протоколами. Протокол обнаружения служб используется для определения их местонахождения в пределах сети. Протокол RFcomm (Radio Frequency communication — радиочастотная передача) эмулирует работу стандартного последовательного порта ПК, к которому обычно подключаются клавиатура, мышь, модем и другие устройства.

На самом верхнем уровне находятся приложения. Профили представлены вертикальными прямоугольниками, потому что каждый из них определяет часть стека протокола для конкретной цели. Специфические профили, например профили для гарнитур, используют только те протоколы, которые необходимы для их работы. Например, профили могут включать L2CAP, если у них есть пакеты для отправки, но пропустить его, если имеется только постоянный поток звуковых сэмплов.

В следующих разделах мы рассмотрим уровень радиосвязи и различные протоколы канального уровня Bluetooth, поскольку они пусть грубо, но все-таки соответствуют физическому уровню и подуровню MAC в других изученных нами стеках протоколов.

4.5.4. Bluetooth: уровень радиосвязи

Уровень радиосвязи переносит информацию бит за битом от главного узла к подчиненным и обратно. Это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в ISM-диапазоне 2,4 ГГц, как и 802.11. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. Чтобы обеспечить сосуществование с другими сетями в ISM-диапазоне, применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты. Возможны до 1600 скачков частоты в секунду, то есть минимальный временной слот для передачи равен 625 мкс. Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновременно, в соответствии с синхронизацией слотов и псевдослучайной последовательностью скачков, генерируемой главным узлом.

К сожалению, оказалось, что ранние версии Bluetooth и 802.11 интерферируют настолько, что нарушают передачи друг друга. По этой причине некоторые компании полностью отказались от Bluetooth, но в конечном итоге техническое решение было найдено. Оно заключалось в том, чтобы адаптировать последовательность скачков для исключения каналов, на которых есть другие радиосигналы. Этот процесс, названный адаптивной перестройкой рабочей частоты (adaptive frequency hopping), снижает помехи.

Для отправки битов по каналу используются три формы модуляции. В базовой схеме применяется кодирование со сдвигом частоты, чтобы отправлять 1-битный символ каждую микросекунду. Это дает общую скорость передачи данных 1 Мбит/с. Начиная с версии Bluetooth 2.0, скорость увеличилась благодаря кодированию со сдвигом фазы. Общая скорость передачи достигает 2 или 3 Мбит/с за счет отправки 2 или 3 бит за символ. Увеличенная скорость применяется только для фреймов данных.

4.5.5. Bluetooth: канальный уровень

Уровень управления каналом связи (немодулированной передачи) — это наиболее близкий к MAC-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток битов во фреймы и определяет некоторые ключевые форматы. В самом простом варианте главный узел каждой пикосети задает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных слотах, а со стороны подчиненных узлов — в нечетных. Эта схема, по сути, представляет собой традиционный TDM, где главный узел получает одну половину слотов, а подчиненные делят между собой вторую. Фреймы могут быть длиной 1, 3 или 5 слотов. В каждом из них 126 служебных битов отведено на код доступа и заголовок. Время установления сигнала занимает 250–260 мкс на скачок частоты, чтобы позволить дешевым радиоустройствам стабилизироваться. Полезные данные фрейма могут быть зашифрованы в целях конфиденциальности. Ключ шифрования выбирается, когда ведущее устройство соединяется с ведомым. Переключение частоты происходит только между фреймами, но не в момент передачи. В результате передача пятислотового фрейма намного более эффективна, чем однослотового, потому что при тех же затратах отправляется больше данных.

Протокол управления соединениями устанавливает логические каналы — соединения (links). В них происходит обмен фреймами между обнаружившими друг друга устройствами (главным и подчиненным). Прежде чем использовать соединение, два устройства проходят процедуру сопряжения. Первоначальный метод сопряжения заключается в настройке обоих устройств с помощью одного и того же четырехзначного PIN-кода (Personal Identification Number — личный идентификационный номер). Совпадение PIN-кода показывает, что соединение установлено с нужным удаленным устройством. Но лишенные воображения пользователи и заданные по умолчанию коды типа «0000» или «1234» делают этот метод небезопасным на практике.

Новый метод, безопасное простое сопряжение (secure simple pairing), позволяет пользователям подтвердить, что оба устройства показывают один и тот же ключ, или увидеть ключ на одном устройстве и ввести его на втором. Этот метод более надежный, поскольку пользователи не должны выбирать или устанавливать PIN. Они просто подтверждают ключ, более длинный и сгенерированный самим устройством. Конечно, этот метод не может использоваться на некоторых устройствах с ограниченным вводом/выводом, таких как беспроводные гарнитуры.

Когда сопряжение завершено, протокол устанавливает соединения. Для передачи полезной нагрузки (пользовательских данных) используются два основных типа соединений. Первый тип — синхронный с установлением связи (Synchronous Connection Oriented, SCO). Он предназначен для передачи данных в реальном времени, например при телефонных разговорах. Такой тип канала получает фиксированный временной слот для передачи в каждом направлении. У подчиненного узла может быть до трех соединений SCO с главным узлом; каждое из них представляет собой аудиоканал PCM с пропускной способностью 64 000 бит/с. Из-за ограниченного времени передачи фреймы, переданные по каналу SCO, никогда не отправляются заново. Вместо этого для повышения надежности может быть использована FEC.

Другой тип соединения — асинхронный без установления связи (Asynchronous Connectionless, ACL). Он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных усилий без гарантий. Фреймы могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только одно ACL-соединение с главным узлом.

Данные, отправляемые по ACL-каналу, приходят с уровня L2CAP. Этот уровень выполняет четыре основные функции. Во-первых, он принимает пакеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на фреймы для передачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень используется для обратного действия — объединения фреймов в пакеты. Во-вторых, он мультиплексирует и демультиплексирует многочисленные источники пакетов. После сборки пакета L2CAP определяет, куда его следует направить (например, протоколу RFcomm или протоколу обнаружения служб). В-третьих, он обеспечивает контроль ошибок и повторную передачу фреймов. L2CAP выявляет ошибки и заново отправляет неподтвержденные пакеты. Наконец, L2CAP следит за соблюдением требований QoS между несколькими соединениями.

4.5.6 Bluetooth: структура фрейма

Существует несколько форматов фреймов Bluetooth, наиболее важный из них показан в двух вариантах на илл. 4.32. В начале фрейма указывается Access code (Код доступа), который обычно служит идентификатором главного узла. С его помощью подчиненные узлы, находящиеся в радиусе действия двух главных, различают, кому из них предназначаются данные. Затем следует Header (Заголовок) из 54 бит, в котором содержатся поля, характерные для подуровня MAC. Если фрейм отправляется с базовой скоростью, далее расположено поле данных. Его размер ограничен 2744 битами (для передачи за пять слотов). Если фрейм соответствует одному слоту, то формат остается таким же, но поле данных в этом случае составляет 240 бит.

При увеличенной скорости блок данных, Data, может быть в 2 или 3 раза больше, потому что каждый символ переносит 2 или 3 бита вместо одного. Данным предшествуют охранное поле Guard и паттерн синхронизации Sync, для переключения на более высокую скорость передачи. Таким образом, код доступа и заголовок передаются на базовой скорости, и только полезные данные передаются на большей скорости. Такие фреймы заканчиваются коротким полем Trailer.

Рассмотрим, из чего состоит обычный заголовок фрейма. Поле Address указывает на одно из восьми активных устройств, которому предназначена информация. Поле Type определяет тип передаваемого фрейма (ACL, SCO, опрос или пустой фрейм), метод коррекции ошибок и количество слотов, из которых состоит фрейм. Бит потока F (Flow) добавляется подчиненным узлом — так он сообщает о том, что его буфер заполнен. Этот бит обеспечивает примитивную форму управления потоком. Бит подтверждения A (Acknowledgement) используется для отправки вместе с фреймом вложенного подтверждения (ACK). Бит последовательности S (Sequence) применяется для нумерации фреймов, чтобы обнаруживать повторные передачи. Это протокол с ожиданием, поэтому одного бита действительно оказывается достаточно. Далее следует Checksum — 8-битная контрольная сумма заголовка. Весь 18-битный заголовок фрейма повторяется трижды, что в итоге составляет 54 бита, как показано на илл. 4.32. На принимающей стороне простая схема анализирует все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается. В противном случае все решает большинство.

Илл. 4.32. Типичный информационный фрейм Bluetooth. (а) На базовой скорости. (б) На увеличенной скорости

Таким образом, на передачу 10 бит заголовка тратится 54 бита пропускной способности. Причина проста: за передачу данных с помощью дешевых, маломощных устройств (2,5 мВт) с низкой вычислительной способностью приходится платить большой избыточностью.

Для ACL- и SCO-фреймов применяются различные форматы поля данных. Самый простой пример — SCO-фрейм с базовой скоростью: длина его поля данных всегда равна 240 бит. Возможны три варианта: 80, 160 или 240 бит полезной информации. При этом оставшиеся биты поля данных используются для коррекции ошибок. В самой надежной версии (80 бит полезной информации) одно и то же содержимое повторяется три раза (что и составляет 240 бит), как и в заголовке фрейма.

Пропускная способность вычисляется следующим образом. Подчиненный узел может использовать только нечетные временные слоты, поэтому ему достается 800 слотов в секунду. Столько же получает и главный узел. При 80 битах полезных данных, передающихся в одном фрейме, емкость канала подчиненного узла (так же, как и главного) равна 64 000 бит/с. Этого как раз хватает для организации полнодуплексного PCM-канала голосовой связи (именно поэтому 1600 скачков в секунду было выбрано в качестве скорости перестройки частот). Другими словами, несмотря на изначальную пропускную способность в 1 Мбит/с, полнодуплексный несжатый голосовой канал может вызвать перегрузку пикосети. Эффективность 13 % — результат затрат 41 % емкости на стабилизацию, 20 % на заголовки и 26 % на повторное кодирование. Этот недостаток подчеркивает значение ускорения и фреймов, содержащих более одного слота.

4.5.7. Bluetooth 5

В июне 2016 года группа Bluetooth SIG опубликовала версию Bluetooth 5. В январе 2019 года был выпущен Bluetooth 5.1. Это довольно небольшие изменения по сравнению c Bluetooth 4. И все же между Bluetooth 4 и Bluetooth 5 имеется ряд различий. Вот список ключевых обновлений в версии Bluetooth 5.0:

1. Поддержка IoT.

2. Скорость возросла с 1 до 2 Мбит/с.

3. Размер сообщений увеличился с 31 до 255 байт.

4. Радиус действия в помещениях увеличился с 10 до 40 м.

5. Немного уменьшилось потребление энергии.

6. Слегка увеличился радиус действия маяков.

7. Несколько повысился уровень безопасности.

Нельзя назвать это существенными переменами, но их и не следовало ожидать, учитывая необходимость в обеспечении обратной совместимости. Стандарт Bluetooth 5.1 внес еще несколько небольших обновлений, касающихся отслеживания устройств, кэширования и некоторых других незначительных моментов.