Технология Bluetooth

В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth («Синий зуб»). Начало разработки этой технологии было положено в 1994 году компанией Ericsson. В 1998 г. Компании Nokia, IBM, Toshiba, Intel подключились к этой разработке для совместных усилий по унификации и продвижению технологии Bluetooth на рынок. В 2000 году была опубликована версия 1.1 спецификации Bluetooth, а в 2002 году IEEE был одобрен новый стандарт беспроводных коммуникаций, который был создан на основе спецификации Bluetooth 1.1 и получил обозначение IEEE 802.15.1.

Основу Bluetooth составляет пикосеть (piconet), со­стоящая из одного главного узла и нескольких (до семи) подчиненных узлов, рас­положенных в радиусе 10 м. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального узла – моста. Несколько объединенных вместе пикосетей составляют рассеянную сеть (scatternet). Помимо семи активных подчиненных узлов, один главный узел может под­держивать до 255 так называемых «отдыхающих» узлов. Это устройства, которые главный узел перевел в режим пониженного энергопотребления (за счет этого продлевается ресурс источников питания мобильных абонентов). В таком режиме узел может только отвечать на запросы активации или на сигнальные последовательности от глав­ного узла. В основе пикосетей ле­жит принцип централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Связь существует только между подчи­ненным и главным узлами. Прямой связи между подчиненными узлами нет.

Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. В самом низу находится физический (радиотехнический) уровень, описывающий радиосвязь и применяемые методы модуляции. Уровень немодулированной передачи напоминает традиционный подуровень MAC, но включает в себя и некоторые элементы физического уровня. Здесь описыва­ется то, как главный узел управляет временными интервалами и как эти интер­валы группируются в кадры. Далее следует уровень, содержащий группу связанных между собой протоко­лов. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы меж­ду устройствами, управляет режимами энергопотребления, идентификацией, а также качеством предоставляемых услуг. Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями (часто называемый L2CAP) скрывает от верхних уровней технические детали нижних уровней. Его можно считать анало­гом обычного подуровня LLC из семейства стандартов 802. Аудиопротоколы и протоколы управления, как следует из их назва­ния, занимаются соответственно передачей звука и управлением. Приложения могут обращаться к ним напрямую, минуя протокол L2CAP.

Следующий уровень называется связующим и содержит множество разно­образных протоколов, таких как протокол высокочастотной связи, телефонии и определения сервисов. На самом верхнем уровне находятся приложения. Они работают с протоколами нижних уровней, которые обеспечивают их функционирование. Каждому приложению сопоставлен свой набор протоколов.

Физический (радиотехнический) уровень переносит информацию бит за битом от главного узла к под­чиненным и обратно. В реальности это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 м. Она работает в диапазоне радиоволн 2400 – 2483,5 МГц. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. В качестве метода модуляции применяется частотная манипуляция с 1 битом на герц, что дает сум­марную скорость 1 Мбит/с. Однако большая часть спектра занята служебной ин­формацией. Для распределения каналов применяется расширенный спектр со скачкообразной перестройкой частоты (1600 скачков частоты в секунду, время пребывания – 625 мкс). Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновремен­но. Последовательность частот генерируется главным узлом.

Несмотря на то, что сети 802.11 и Bluetooth работают в одном и том же диапазоне частот на одних и тех же 79 каналах, оба этих стан­дарта могут быть использованы на одной площадке (причем даже без су­щественного снижения производи­тельности) благодаря разным схемам модуляции и использования. Однако Bluetooth развивается гораздо стремительнее 802.11, и, скорее всего, он вытеснит сети 802.11.

Уровень немодулированной передачи – это наиболее близкий к МАС-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов – в нечетных. Это, по сути дела, традиционное временное уплотнение, в котором главная сторона получает одну половину временных интервалов, а подчиненные делят между собой вторую. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов. Тактирование со скачкообразным изменением частоты отводит на успокое­ние системы 250–260 мкс при каждом скачке. В кадре, состоящем из одного такта, после успокоения системы остается время на передачу 366 из 625 бит. Из них 126 бит уходит на код доступа и заголовок. Остается 240 бит полезной информации на кадр. Если совместить пять временных интервалов в один кадр, то понадобится всего один период успокоения системы, поэтому длинные кад­ры эффективнее однотактовых.

Все кадры передаются между главным и подчиненными узлами по логическо­му каналу, называемому соединением. Существует два типа соединений. Пер­вый называется ACL (Asynchronous ConnectionLess – асинхронный без установ­ления связи) и он используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Такие данные появляются с уровня L2CAP на передающей стороне и доставляются на тот же уровень на принимаю­щей стороне. Трафик ACL доставляется по принципу максимальных прилагае­мых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только од­но ACL-соединение со своим главным узлом. Второй вид соединения называется SCO (Synchronous Connection Oriented – синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в ре­альном масштабе времени – это требуется, например, при телефонных разгово­рах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для пере­дачи в каждом из направлений. Кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются зано­во. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечи­вающая более надежное соединение.

Подуровень адаптации протоколов управления логическими соединениями L2CAP выполняет три основные функции. Во-первых, он принимает па­кеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на кадры для пере­дачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень прото­колов используется для обратного действия – объединения кадров в пакеты.

Во-вторых, L2CAP занимается мультиплексированием и демультиплексиро­ванием множества источников пакетов. После сборки пакета он определяет, куда следует направить пакет. В-третьих, L2CAP отвечает за качество обслуживания как во время передачи, так и во время ожидания. Во время установления соединения он договаривается о максимально разрешенном количестве передаваемой полезной информации, что позволяет избежать «заваливания» данными того устройства, которому приходится работать с относительно маленькими пакетами.

Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирования, то есть в одном вре­менном слоте передает одно устрой­ство, а в следующем – другое. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.

Установление соединения между двумя устройствами происходит в два этапа. На первом этапе, называемом «Опрос» (Inquiry), главный узел выяс­няет, какие узлы находятся в ра­диусе его действия и каковы их адреса. На втором этапе – «Персональный Вызов» (Page), главный узел устанавливает связь с конкретным узлом. Все процедуры опроса и вызова выполняются только главным узлом. Для первоначальной процедуры ус­тановления связи используются корот­кие пакеты длиной 68 бит, а скорость переключения частот увеличивается вдвое (до 3200 раз в секунду). После получения ответа происходят синхро­низация схем переключения частот (подчиненный узел получает ее от главного узла) и обмен пробными пакетами, после чего соединение считается установ­ленным.

На одном и том же пространстве мо­гут располагаться несколько пикосетей. В каждой из них имеется свой главный узел, поэтому они имеют различные независимые схемы пере­ключения частот. Чем больше пикосетей расположено на одной площаде, тем выше вероятность столкновений и, следовательно, снижения производи­тельности. Если несколько пикосетей располо­жены на одной и той же площади, то они могут быть объединены в распре­деленную сеть. Объединение проис­ходит на основе временного мульти­плексирования, то есть одновременно в двух пикосетях никакой узел работать не может. Для перехода из одной пикосети в другую узел должен поменять схему смены частот. При этом один и то же узел мо­жет быть главным в «своей» пикосе­ти и подчиненным в «чужой» При подклю­чении новых узлов допускается смена роли узла – с главного на подчиненного, вследствие чего ассоции­рованная с ним пикосеть разваливает­ся и ее приходится собирать вновь под управлением нового главного узла. Поскольку пикосети, объединен­ные в распределенную сеть, использу­ют разные схемы смены частот, то производительность каждой из них не снижается, однако возрастает вероят­ность возникнове­ния взаимных помех.

Технология Bluetooth имеет хорошую перспективу. Она совместима с большинством популярных протоколов и систем связи. Стоимость устройств Bluetooth относительно невысока, так как эта технология изначально задумывалась как общедоступная. При этом Bluetooth позволяет обеспечить высокое качество передачи информации и высокую степень её защиты.

Резюме

Стан­дарты межсетевого взаимодействия IEEE 802.x характеризуют базовые сетевые технологии, содержат рекомендации по проектированию сетей и сетевых устройств, описывают взаимодействие между собой различных технологий и построение более сложных сетей на основе базовых технологий.

Канальный уровень протоколов 802.x разбит на подуровни, включающие подуровень управления доступом к среде передачи данных и подуровень управления логическим соединением, задача которого состоит в том, чтобы сделать различия стандартов 802.x невидимыми для сетевого уровня.

На сегодняшний день самой популярной и распространенной технологией построения локальных сетей является технология Ethernet. За время своего развития сети Ethernet прошли несколько этапов эволюции скоростей передачи данных: 10 Мбит/с в первоначальном стандарте Ethernet, 100 Мбит/с – в стандарте Fast Ethernet, 1 Гбит/с – в стандарте Gigabit Ethernet, 10 Гбит/с – в стандарте 10Gigabit Ethernet. Все виды стандартов Ethernet используют один и тот же метод доступа к среде передачи данных – множественный доступ с контролем несущей частоты и избежанием коллизий (протокол CSMA/CD).

Технология локальных сетей Token Ring и другие подобные ей технологии к настоящему времени практически не распространены, однако знакомство с ними представляет методический интерес с точки зрения рассмотрения возможных решений по организации вычислительных сетей, отличных от технологии Ethernet. В Token Ring используется метод доступа с передачей специального пакета – маркера, непрерывно циркулирующего по сетевому кольцу. Теоретически передача маркера более эффективна, чем механизм CSMA/CD, так как обеспечивает всем станциям равные возможности для передачи данных, не создавая коллизий и не снижая производительности сети при высоких уровнях нагрузки.

Альтернативу кабельным сетям представляют беспроводные вычислительные сети, которые на современном уровне своего развития уже способны эффективно передавать данные с вполне приемлемыми скоростями.

Основные стандарты беспроводных ЛВС – стандарты группы IEEE 802.11, определяющие методы передачи данных в инфракрасном диапазоне и нескольких радиодиапазонах электромагнитных волн со скоростями от 1–2 Мбит/с до 54 Мбит/с. Стандарты 802.11 поддерживают два способа работы. Способ «распреде­ленной координации» DCF не имеет никаких средств централизованного управле­ния, а в способе «сосредоточенной координации» PCF базовая станция берет на себя функции управления активностью всех станций данной соты. В DCF 802.11 используется протокол множественного доступа с контролем несущей частоты и избежанием коллизий CSMA/CA.

В соответствии со стандартом 802.11 все совместимые беспроводные ЛВС должны предоставлять две катего­рии сервисов. Сервисы распределения связаны с управлени­ем станциями, находящимися в данной соте, и взаимодействием с внешними станциями. Станционные сервисы, наоборот, имеют отношение к управлению ак­тивностью внутри одной соты.

Технологии организации и функционирования беспроводных региональных (широкополосных) сетей стандартизованы в спецификации IEEE 802.16. В каждой ячейке (соте) региональной сети может быть намного больше пользователей, чем в обычной ячейке сети стандарта 802.11, и при этом каждому поль­зователю предоставляется гораздо более высокая пропускная способность, чем пользователю беспроводной ЛВС. Из-за потенциально большого числа пользователей и связанной с этим значительной нагрузкой, сети 802.16, как правило, рабо­тают в высокочастотном диапазоне 10–66 ГГц. В зависимости от удаления абонент­ской станции обеспечиваются скорости передачи данных от 150 Мбит/с на близком расстоянии от базовой станции до 50 Мбит/с – на дальнем.

В стандарте 802.16 определены сервис с постоянной битовой скоростью, сервис с переменной битовой скоростью (работающий в реальном масштабе времени), сервис с переменной битовой скоростью (работающий не в реальном масштабе времени), сервис с обязательством приложения максимальных усилий для установления связи.

В настоящее время продолжается активное внедрение новой перспективной беспроводной технологии передачи данных, носящей название Bluetooth. Основу Bluetooth составляет пикосеть, со­стоящая из одного главного узла и нескольких подчиненных узлов. Пикосети могут связы­ваться друг с другом посредством специального мостов. Функционирование пикосетей базируется на принципах централизованной системы с временным уплотнением. Главный узел контролирует временные интервалы и распределяет очередность передачи данных каждым из подчиненных узлов. Базовая архитек­тура протоколов стандарта Bluetooth включает несколько протоколов, разбитых на уровни. Для организации дуплексной связи в Bluetooth используется метод временного муль­типлексирова-ния. При симметричной организации обмена максимальная скорость составляет 433,9 Кбит/с в каждую сторону. Максимальная ско­рость обмена достигается при асим­метричном обмене и составляет 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с – в другую.

Технология Bluetooth экономически эффективна и совместима с большинством популярных систем связи, она способна обеспечить качественную и хорошо защищенную передачу информации.

Контрольные вопросы и задания

1. Перечислите основные стандарты локальных вычислительных сетей.

2. На какие подуровни разделяют канальный уровень и в чем заключаются их функции?

3. Охарактеризуйте типы кадров подуровня логической передачи данных LLC.

4. Опишите структуру кадра LLC.

5. Представьте особенности метода доступа к среде передачи данных, используемого в технологии локальных вычислительных сетей Ethernet.

6. Что такое «коллизия» и какие способы применяют для распознавания и преодоления «коллизий»?

7. Перечислите и охарактеризуйте физические спецификации и аппаратные средства технологии Ethernet.

8. Дайте определение понятию «домен коллизий».

9. Приведите специфические особенности и характеристики технологии Fast Ethernet.

10. В чем заключаются основные преимущества технологии Gigabit Ethernet, какие спецификации физического уровня применяются в этой технологии?

11. Опишите принципы построения и характерные параметры технологии локальных вычислительных сетей Token Ring.

12. Каковы особенности реализации технологии локальных вычислительных сетей FDDI?

13. Дайте характеристику беспроводных технологий ЛВС.

14. Представьте типы сервисов, предоставляемых беспроводными ЛВС стандарта 802.11.

15. В чем заключаются основные отличия технологии беспроводных региональных сетей стандарта 802.16 от технологий стандарта 802.11?

16. Опишите технологию беспроводной связи Bluetooth.