Технология Wireless USB, часть III, финальная

Этой публикацией мы завершаем цикл статей, посвящённых долгому пути разработки, становления и прихода к массовому покупателю технологии Wireless USB. Относительно давно – по крайней мере, по сравнению со скоростями развития других компьютерных технологий, стандарт Wireless USB был представлен в качестве рабочего проекта; затем начали обновляться бета-версии его спецификаций, о чём подробно был изложено в наших публикациях, датированных ещё 2005 годом:

• Wireless USB. Часть 1 [21/03/2005]
• Wireless USB. Часть 2 [12/07/2005]

Как говорится, скоро сказка сказывается, да не скоро дело делается. Но наконец-то сегодня, в полной уверенности за свои слова, можно однозначно сказать: стандарт состоялся! Первые розничные образцы устройств с поддержкой Wireless USB уже появились на прилавках магазинов; производители более-менее точно определились с планами на ближайшее будущее; наконец, вот-вот будут опубликованы финальные спецификации нового поколения стандарта - Wireless USB 1.1. О чём, собственно, и будет сегодняшний разговор. Однако перед тем, как рассказать о сегодняшнем дне технологии Wireless USB (WUSB) и перспективах её развития, предлагаю вкратце – практически, тезисно, освежить в памяти ключевые характеристики и спецификации стандарта.

Технология Wireless USB 1.0 для начинающих

Всем хороши современные проводные интерфейсы для компьютеров и электроники FireWire и USB. С треском выгнав на пенсию "тормозных" старичков LPT и COM параллельного типа (да-да, подрабатывают пенсионеры вечерами, но это уже давно не мейнстрим), новые последовательные интерфейсы прижились везде – в качестве аналогий вспомним Serial ATA и Serial Attached SCSI (SAS) на месте SCSI и PCI-Express на смену PCI/AGP. Да, всем хороши FireWire и USB – первый в своей новой версии добрался до скоростей 800 Мбит/с, а второй наконец-то обзавёлся одноранговым расширением "On-The-Go". Одна беда – пару метров постоянно путающихся проводов. И баста. Что там у нас без проводов для ближних дистанций? Bluetooth? Увы, даже в современной версии - Bluetooth Version 2.0, его производительность порядка 2,1 Мбит/с, мало пригодна для обмена большими файлами или передачи современного мультимедийного контента, равно как и Zigbee: звук ещё туда-сюда, а видео – уже никак, даже в стандартном разрешении, не говоря уж о HD Video. Может быть, Wi-Fi? Может, но не панацея. Во-первых, стандарты IEEE802.11a/g с производительностью до 54 Мбит/с и даже IEEE802.11n с производительностью вдвое большей всё равно не заменяют проводные USB/FireWire. Во-вторых, Wi-Fi – это всё же в большей степени сеть, нежели интерфейс для перекачки файлов, а если и так, то в качестве "пушки по воробьям". Прямых конкурентов проводным интерфейсам USB и FireWire не было, и возникла нехитрая идея: воспользоваться уже имеющимся пулом протоколов и спецификаций, дабы попросту отрезать эти самые провода и пустить обмен данными на расстоянии до 10 метров посредством радиоканала. Желательно, с сохранением полной аналогии с основными потребительскими свойствами USB и FireWire, а именно, простотой подключения, идентификации, сохранением скорости передачи и защищённости данных. Отмечу, что подразумевается разработка беспроводной технологии FireWire в полной аналогии с WUSB, однако это уже за рамками нашей сегодняшней темы. Итак, Wireless USB 1.0. Желающих подробно изучить принцип функционирования этой технологии отправлю к двум предыдущим публикациям, а сейчас – лишь в общих чертах. Стандарт Wireless USB базируется на концепции платформы сверхширокополосной (Ultra Wideband, UWB) беспроводной технологии для передачи данных на короткие - до 10 метров, расстояния; с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низким энергопотреблением. Платформа UWB - это решение для беспроводной передачи высококачественного мультимедийного контента, например видео, между устройствами бытовой электроники и периферийными устройствами ПК. Одно из основных преимуществ технологии UWB заключается в том, что она не создает помех для других беспроводных технологий, используемых в настоящее время, таких как Wi-Fi, WiMAX и сотовой связи. Схематически интерфейс Wireless USB можно описать таким образом: стандарт подразумевает использование двух основных "слоев" для обмена данными - транспортного и физического уровня. Транспортный уровень базируется на выше упомянутой сверхширокополосной (UWB) технологии; физический представляет собой уровень формирования среды передачи данных, где помимо WUSB с легкостью могут фигурировать W1394 (Wireless FireWire), Bluetooth и прочие, к настоящему времени еще не изобретенные и не сформулированные протоколы. Стандарт Wireless USB - первый UWB-интерфейс, доведенный до коммерческого стандарта. Сверхширокополосная модуляция (UWB, IEEE 802.15.3a), в свою очередь, весьма схожа с применяемой в стандарте Bluetooth: передатчик генерирует миллиарды импульсов в очень широком - порядка нескольких гигагерц, частотном спектре, а приемная часть преобразовывает импульсы в данные путем отслеживания схожих последовательностей импульсов; модуляция производится мультиплексированием по ортогональным несущим частотам (OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing), что в совокупности с принципом использования нескольких частотных диапазонов составляет технологию MultiBand OFDM. Что касается передачи пакетов данных, здесь всё просто – практически полная аналогия формирования транзакций по принципу USB 2.0. Благодаря использованию сверширокополосной модуляции с низкой спектральной плотностью, сигнал как бы "размазывается " в виде своеобразного "белого шума" по широкому спектру частот, при этом рекомендованная спектральная плотность излучения не должна превышать в среднем уровня -41,3 дБм/МГц. Отсюда вытекают два полезных практических вывода: отсутствие влияния на работу других средств связи и мизерное энергопотребление. Стандарт транспортного уровня MultiBand OFDM для Wireless USB регламентирует спектральный участок шириной 7,5 ГГц, который разделен на пять каналов и несколько отдельных 528 МГц поддиапазонов в каждом канале. В результате получается 14 поддиапазонов шириной 528 МГц каждый, сгруппированных в 5 частотных участков, при этом каждый из 14 поддиапазонов применительно к стандарту Wireless USB обладает возможностью поддержки обмена данными со скоростью до 480 Мбит/с! Гибкость нового беспроводного стандарта как раз в том, что в разных странах могут быть разрешены к использованию не все поддиапазоны, однако на финальную работоспособность и производительность это практически не влияет. Что касается топологии Wireless USB, здесь также просматривается аналогия с проводным USB - устройства обладают собственным адресом, получаемым при подключении или перечислении, при этом каждое устройство WUSB поддерживает один или несколько каналов для связи с хостом, может работать как MAC Layer устройство. Ключевым же топологическим отличием Wireless USB можно назвать то, что хост-контроллер может поддерживать до 127 устройств в кластерной группе, что, впрочем, не исключает обычного варианта "точка-точка" как частного случая. Интересно отметить, что концентраторы в определении Wireless USB отсутствуют как класс по причине их полной невостребованности в такой архитектуре: кластеры сосуществуют в перекрывающейся пространственной среде с минимальными взаимными помехами, что позволяет функционировать нескольким WUSB-кластерам в пределах общей зоны действия. Плюсы такой топологии – в возможности двойного применения, когда устройство может в ограниченном объеме выполнять функции хоста - эта модель позволит устройству получить доступ к данным, расположенным за пределами кластера, к которому в текущий момент подключено это устройство; для этого устройство должно создать второй кластер, выступая в качестве хоста с ограниченными возможностями. Обратная совместимость Wireless USB с проводным USB также позволяет создавать прозрачные мосты на проводные USB-устройства и хост-контроллеры, то есть, организовывать передачу данных между двумя кластерами. Фактически, это можно назвать "работой над ошибками" USB, где устраненными для проводной версии лишь с появлением протокола USB 2.0 - USB-On-The-Go. Каждое Wireless USB устройство, равно как его драйверы, обладают собственной системой управления энергопотреблением, без перекладывания этой проблемы на хост-контроллер. Имеются три схемы экономии энергии: нормальный обмен данными (прекращение излучения в промежутках между посылками и везде, где это имеет смысл в текущий момент); спящий режим (увеличение промежутков опроса наличия канала); разъединение. Суммарная мощность, потребляемая устройствами Wireless USB, для PHY первого поколения ограничено максимальным уровнем 130 - 160 мВт; ожидается ужесточение этого показателя. Скорость обмена данными интерфейса Wireless USB значительно зависит от расстояния между хостом и устройством и может изменяться в многозадачном окружении в пределах от 53,3 Мбит/с до 480 Мбит/с: порядка 106,7 Мбит/с на расстоянии до 10 метров; 200 Мбит/с на расстоянии более 4 метров и до 480 Мбит/с на расстоянии более 2 метров. Пример навскидку: типичный поток видео с качеством SDTV/DVD составляет 3 -7 Мбит/с и порядка 19 - 24 Мбит/с в стандарте HDTV. По словам разработчиков стандарта, технология Wireless USB в перспективе будет обладать очень надежной защитой трафика от несанкционированного доступа, на уровне проводного стандарта USB 2.0. На практике в первом поколении Wireless USB будет применено шифрование AES-128 с применением CBC-MAC (CCM) - стандартный потоковый криптоалгоритм с применением блоков AES. Технология Wireless USB обеспечивает шифрование трафика с открытыми ключами, применяемыми для аутентификации. Шифрование с использованием открытых ключей может использовать типичный уровень шифрования и более защищенный - RSA с 3072-битным ключом и хэшем SHA-256. Архитектура шифрования при смешенных проводных USB/WUSB соединениях также подразумевает шифрование трафика, проходящего через проводные соединения, это позволяет избежать путаницы и ошибок при сортировке трафика на проводной/беспроводной. Наконец, программная часть. Компания Microsoft, участвовавшая во всех этапах становления стандарта, обеспечила совместимость уже существующих драйверов почти без изменения, за исключением USB ISOC, плюс единственный функциональный драйвер для проводных/беспроводных PAL (Protocol Abstraction Layer). Программная хост-архитектура реализации поддержки UWB включает поддержку шин PCI и PCI Express для интерфейсных слотовых карт плюс автоматически вытекающую из этого поддержку версий CardBus и ExpressCard. Помимо этого, поддерживаются WUSB-решения со стандартными интерфейсными разъемами "проводного USB" (USB Dongles). В конечном итоге, операционной системе совершенно без разницы, используется ли EHCI (USB 2.0) или WHCI (Wireless USB) контроллер, на практике Wireless USB линк воспринимается операционной системой как обычное проводное USB соединение. Завершить технологический экскурс стоит на том, что в настоящее время индустриальный альянс UWB - WiMedia Alliance насчитывает более 200 компаний-участников, которые работают над коммерциалиацией своих устройств в рамках спецификаций стандарта Wireless USB. Теперь – пожалуй, самое интересное, рассказ о реальных устройствах Wireless USB.