Технология беспроводных сетей Bluetooth

Вступление

Bluetooth. Это короткое слово в последнее время всё чаще и чаще мелькает на новостных лентах. Все уже слышали, что это технология беспроводных сетей. Однако, подобные технологии существовали и раньше, но ни одна из них не имела и не имеет такой мощной и всесторонней поддержки, и ни про одну из них столько не говорилось. Что же такого особенного в Bluetooth?

Само слово Bluetooth можно перевести как "голубой зуб", или "голубая челюсть", что, конечно же, никоим образом не описывает ни сути технологии ни чего-либо ещё. Bluetooth - таким было прозвище датского короля Harald'a BlЕtand'a, сурового викинга который очень давно объединил Данию и Норвегию. Это имя было выбрано в качестве названия технологии потому, что первоначально Bluetooth задумывалась как средство для простого соединения компьютеров и телекоммуникационных устройств, вроде мобильных телефонов.

Как видно из сегодняшней карты, королевство первого Bluetooth не стало вечным, но современных разработчиков Bluetooth это похоже не пугает. И, как показывает сегодняшняя ситуация, у них есть на это все основания. Разработанная технология оказалось настолько удачной, что похоже на то, что через несколько лет она будет везде, от компьютеров и мобильных телефонов (как и предполагалось первоначально), до холодильников и микроволновых печей (чего первоначально не предполагалось). В общем, даёшь Интернет на кухню!

А началось всё с того, что в начале 1998 года компании Nokia, Ericsson, IBM, Intel и Toshiba образовали консорциум, который занялся разработкой технологии беспроводной связи, которую назвали Bluetooth. Изначально консорциум был открыт для сотрудничества, и сейчас в Bluetooth SIG (Special Interest Group) Promoters, которая занимается разработкой стандарта, входят 3Com, Ericsson, IBM, Intel, Lucent, Microsoft, Motorola, Nokia, и Toshiba. В настоящее время действует версия 1.0.B спецификации, выпущенная 1 декабря 1999 года. В момент выпуска спецификации было объявленно, что она не является финальной, и финальная спецификация должна выйти ещё через три года. А эти три года должны уйти на "обкатку в боевых условиях". Кроме вышеперечисленных компаний, в группу Bluetooth может абсолютно бесплатно войти любая компания которая планирует производить или разрабатывать устройства и ПО на основе спецификаций Bluetooth. В настоящее в эту группу уже вошли около 2000 компаний самых различных направлений, так что перспективы у Bluetooth действительно неплохие.

Физически типичное Bluetooth устройство представляет собой радиоприёмник и радиопередатчик, работающие на частотах 2400-2483.5 MHz. Эти частоты выбраны не случайно, они являются открытыми и свободными от всякого лицензирования в большинстве стран мира. Исключение составляют Испания и Франция. До недавнего времени в этой компании присутствовала ещё и Япония, но с октября 1999 года там эта проблема частично решена, и теперь Bluetooth устройства а Японии могут использовать полный спектр радиочастот предусмотренный спецификациями Bluetooth. Хотя, некоторые ограничения в Японии всё ещё остались. В Испании спектр радиочастот разрешённый для использования Bluetooth устройствами ограничен 2445-2475 MHz, во Франции этот спектр ограничен до 2446.5-2483.5 MHz. Поэтому Bluetooth устройства разработанные специально для Франции, Испании или Японии не будут работать совместно с устройствами разработанными для всего остального мира. Соответственно, верно и обратное утверждение. В настоящее время члены Bluetooth консорциума работают с властями этих стран, и есть основания полагать что такая ситуация не продлиться долго.

Используемые частоты определяют возможности Bluetooth по передаче данных. Ширина канала для Bluetooth устройств составляет 723.2 кб/с в асинхронном режимы (впрочем, даже в этом режиме всё-таки остаётся до 57.6 кб/с для одновременной передачи в обратном направлении), или 433.9 кб/с в полностью синхронном режиме. Если не передаются данные, то через Bluetooth соединение можно передавать до 3 аудиоканалов. Каждый из аудиоканалов поддерживает по 64 кб/с синхронному аудиоканалу в каждом направлении. Кроме этого, возможна и комбинированная передача, данных и голоса.

Расстояние на которое может быть установлено Bluetooth соединение невелико, и составляет от 10 до 30 метров. В настоящее время ведутся работы над увеличением этого расстояния, хотя бы до 100 метров. Зато даже сейчас для Bluetooth не требуется прямой видимости или какой либо направленной антенны, соединение может быть установлено даже через стену (конечно же, если стена не экранирована).

Главной особенностью Bluetooth является то, что различные Bluetooth устройства соединяются с друг другом автоматически, стоит им только оказаться в пределах досягаемости. У пользователя не болит голова о кабелях, драйверах, или чём-либо ещё, всё что от него требуется, это позаботиться о том, что бы Bluetooth устройства находились достаточно близко друг к другу, обо всём остальном должны позаботиться сами Bluetooth устройства и программное обеспечение.

Установка соединения

Оказавшись рядом, Bluetooth устройства могут устанавливать не только соединения типа точка-к-точка, когда имеется только два устройства, но и точка-к-многоточек, когда одно устройство одновременно работает с несколькими другими. При соединении одного устройства с несколькими другими, устройство которое обслуживает несколько соединений называется master, а подключенные устройства - slave. К одному master’у может быть подключено до семи активных slave. Кроме активных slave (то есть, устройств которые активно обмениваются данными), может существовать множество неактивных slave, которые не могут обмениваться данными с master пока заняты все каналы, но, тем не менее, остаются синхронизированы с ним. Такая структура называется piconet.

В одной piconet может быть только один master, однако каждый slave может одновременно являться master’ом для других устройств, и образовывать свой piconet. Несколько piconet объединенных таким образом образуют scatternet. В рамках scatternet разные устройства могут не только быть одновременно master и slave одновременно для различных piconet, но и просто slave для разных piconet. Более наглядно с этой структурой можно ознакомиться на представленном ниже рисунке.

Более того, в случае необходимости любой slave в piconet может стать master. Естественно, старый master при этом становится slave.
Таким образом, в scatternet могут объединяться столько Bluetooth устройств, сколько необходимо, логические связи могут образовываться так, как это требуется, и могут изменяться как угодно, в случае необходимости. Единственное условие, различные piconet входящие в один scatternet должны иметь разные каналы связи, то есть работать на различных частотах и иметь различные hopping channel. Hopping - это регулярная смена частот, определяемая параметрами hopping sequence. Всего спецификация предусматривает 10 вариантов hopping sequence, 5 с циклом в 79 смен и 5 с циклом в 23 смены. С любым hopping sequence частоты сменяются 1600 hops/sec. Используется hopping для того, что бы бороться с затуханием радиосигнала и интерференцией.

Как уже говорилось, автоматическая установка соединения между Bluetooth устройствами находящимися в пределах досягаемости является одной из важнейших особенностей Blueooth, поэтому первое, с чего начинается работа Bluetooth устройства в незнакомом окружении - это device discovery, или, по-русски, поиск других Bluetooth устройств. Для этого посылается запрос, и ответ на него зависит не только от наличия в радиусе связи активных Bluetooth устройств, но и от режима в котором находятся эти устройства. На этом этапе возможно три основных режима.

Discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства всегда отвечают на все полученные ими запросы.
Limited discoverable mode. В этом режиме находятся устройства которые могут отвечать на запросы только ограниченное время, или должны отвечать только при соблюдении определённых условий.
Non-discoverable mode. Находящиеся в этом режиме устройства, как видно из названия режима, не отвечают на новые запросы.

Но это ещё не всё. Даже если удаётся обнаружить устройство, оно может быть в connectable mode или в non-connectable mode. В non-connectable mode устройство не позволяет настроить некоторые важные параметры соединения, и, таким образом, оно хоть и может быть обнаружено, обмениваться данными с ним не удастся. Если устройство находится в connectable mode, то на этом этапе Bluetooth устройства договариваются между собой об используемом диапазоне частот, размере страниц, количестве и порядке hop’ов, и других физических параметрах соединения.

Если процесс обнаружения устройств прошёл нормально, то новое Bluetooth устройство получает набор адресов доступных Bluetooth устройств, и за этим следует device name discovery, когда новое устройство выясняет имена всех доступных Bluetooth устройств из списка. Каждое Bluetooth устройство должно иметь свой глобально уникальный адрес (вроде как MAC-адреса у сетевых плат), но на уровне пользователя обычно используется не этот адрес, а имя устройства, которое может быть любым, и ему не обязательно быть глобально уникальным. Имя Bluetooth устройства может быть длиной до 248 байт, и использовать кодовую страницу в соответствии с Unicode UTF-8 (при использовании UCS-2, имя может быть укорочено до 82 символов). Спецификация предусматривает, что Bluetooth устройства не обязаны принимать больше первых 40 символов имени другого Bluetooth устройства. Если же Bluetooth устройство обладает экраном ограниченного размера, и ограниченной вычислительной мощью, то количество символов, которое оно примет может быть уменьшено до 20.

Ещё одной из важнейших особенностей Bluetooth является автоматическое подключение Bluetooth устройств к службам предоставляемым другими Bluetooth устройствами. Поэтому, после того как имеется список имён и адресов, выполняется service discovery, поиск доступных услуг, предоставляемых доступными устройствами. Получение или предоставление каких либо услуг - это то, ради чего всё собственно и затевалось, поэтому для поиска возможных услуг используется специальный протокол, называемый, как несложно догадаться, Service Discovery Protocol (SDP), более подробно он будет описан ниже.

Естественно, Bluetooth не могла обойтись без такой важной вещи, как технология защиты передаваемых данных, встроенной в сам протокол. В зависимости от выполняемых задач, предусмотренно три режима защиты в которых может находится устройство.

Security mode 1 (non secure), устройство не может самостоятельно инициировать защитные процедуры.

Security mode 2 (service level enforced security), устройство не инициирует защитные процедуры пока не установлено и не настроено соединение. После того как соединение установлено, процедуры защиты обязательны, и определяются типом и требованиями используемых служб.

Security mode 3 (link level enforced security), защитные процедуры инициируются в процессе установления и настройки соединения. Если удалённое устройство не может пройти требований защиты, то соединение не устанавливается.

Естественно, что Security mode 3 и 2 могут использоваться вместе, то есть сначала устанавливается защищённое соединение, а потом оно ещё защищается в соответствии с требованиями и возможностями конкретной службы.

Основой системы безопасности Bluetooth, используемой в Security mode 3, является понятие сеансового ключа, или Bond. Сеансовый ключ генерится в процессе соединения двух устройств, и используется для идентификации и шифрования передаваемых данных. Для генерации ключа могут использоваться самые различные составляющие, от заранее известных обоим устройствам значений, до физических адресов устройств. Комбинируя защиту на уровне соединения с защитой на уровне приложений (где может использоваться абсолютно любая из существующая на сегодня систем защиты данных) можно создавать достаточно надёжно защищённые соединения. Но всё равно, очевидной слабостью Bluetooth соединений с точки зрения построения защищённых соединений остаётся возможность перехвата трафика, причём для этого даже не придётся использовать какое либо специфическое оборудование. Впрочем, эта проблема не нова, и в настоящее время часто приходится использовать открытые сети, вроде Интернет, где возможен перехват трафика, для передачи закрытых данных. Противодействие "брони и снаряда" продолжается.

Перспективы

Bluetooth относится к тем технологиям, которые при грамотном использовании могут в самом деле перевернуть весь человеческий быт. Уже сейчас на выставках демонстрируются принтеры с Bluetooth, которые не надо подключать к компьютеру, достаточно просто внести его в комнату, включить в розетку, и можно начинать печатать. То же самое верно и в обратном порядке, достаточно просто войти в комнату с ноутбуком оснащённым Bluetooth в руках, и сразу же можно пользоваться принтером, войти в локальную сеть для обмена файлами и документами, воспользоваться Интернет соединением. RJ-45 розетки для ноутбуков, которые можно встретить в некоторых самолётах и особо продвинутых аэропортах скоро должны отойти в прошлое.

Несколько иллюстраций с прошедшей в ноябре 2000-го года выставки Comdex Fall:

Системы hands free с использованием Bluetooth становятся настолько просты в использовании, насколько это только возможно. Достаточно что бы мобильный телефон с Bluetooth интерфейсом просто находился где-нибудь внутри автомобиля, а его подключение к hands free системе произойдёт автоматически.

Стандартизация используемая в Bluetooth, позволит делать беспроводные мыши, клавиатуры, джойстики и геймпады которые будут подходить к любому PC, и что бы начать работу с любимым девайсом достаточно будет просто подойти к компьютеру, а не выключать его, и лазать под стол с проводами. Это оценят не только любители кваковских чемпионатов, которые и сейчас не выходят из дома без своей мышки в кармане. Благодаря той же стандартизации, можно рассчитывать на то, что через несколько лет мы избавимся от той кучи дистанционных пультов на диване, отдельного для телевизора, отдельного для видеомагнитофона, отдельного для музыкально центра, отдельного для DVD проигрывателя, отдельного для кондиционера, и так далее, а будем управлять всей техникой в квартире с мобильного телефона, который к тому же и PDA являться будет. Но и это ещё не предел.

В последнее время много говорится о концепции "цифрового дома". Некоторые, хорошо известные и весьмя серьёзные корпорации буквально помешались на этом. Технология Bluetooth может поднять эту идею на новую высоту. Представьте себе, у вас имеется брелок (браслет, кольцо, да что угодно), с Bluetooth устройством, способным принимать ваш голос и передавать его на центральный компьютер в доме. Мощный сервер идентифицирует голос, распознает звуковую команду, и по тому же Bluetooth даст команду любой периферии, раскиданной по дому. Таким образом, голосовые команды можно будет давать всему что угодно в доме, телевизорам, лампочкам, шторам, кондиционерам, микроволновым печкам, сливному бачку в туалете, в конце концов! И при этом не будет никакой необходимости, что бы вся эта периферия обладала достаточной вычислительной мощью, для распознания голоса, достаточно что бы подобной мощью обладал любимый компьютер стоящий в доме. Кроме этого, не придётся заботиться о том что бы новый холодильник, к примеру, подключить и настроить под вашу домашнюю сеть, достаточно только убедиться, что холодильник имеет Bluetooth интерфейс. И тогда, только внеся его на кухню и подключив в розетку, можно будет засунуть в него бутылочку пива и скомандовать "что бы через три минуты пиво было холодным!". Домашний сервер, отлично знающий привычки владельца, и давно запомнивший что означает та или иная фраза, немедленно даст команду холодильнику три минуты работать в режиме максимальной заморозки, а через три минуты заботливо напомнит вам, что пиво уже остыло. Более того, командовать своим домом можно будет и через мобильный телефон, практически с любой точки земного шара.

Это всё, конечно же удобно, но не знаю, согласился бы лично я жить в подобном доме. Это же если сейчас пойманный троян грозит только парой потерянных файлов, то в "цифровом доме" возможны гораздо более "интересные" эффекты. Конечно, прямо сейчас можно придумать с десяток мер, которые сильно затруднят жизнь взломщикам, но как говорилось выше, противодействие брони и снаряда продолжается, и конца этому процессу не будет никогда. Но как, всё-таки, удобно всё может быть, если не принимать во внимание "мелкие технические неполадки".

Всё это в перспективе. А сегодня, Bluetooth устройства можно встретить в основном только на выставках, или же в продаже, но по ценам, которые никак не могут способствовать их широкому распостранению. Кроме этого, большинство демонстрируемых сегодня Bluetooth устройств не могут похвастаться достаточной универсальностью, то есть они далеко не всегда могут просто обнаружить друг друга, не говоря уже про то, что бы воспользоваться предоставляемыми службами, если заранее не предусмотренно что конкретно ЭТА железка должна работать с конкретно ЭТОЙ. Но ведь это только начало, и как сама технология, так и программное обеспечением будут продолжать совершенствоваться, и когда-нибудь, может быть даже совсем скоро, то что сегодня кажется дикой фантастикой станет реальностью.

В статье использованы материалы сайтов:

www.bluetooth.com
www.intel.com
www.microsoft.com