Место Bluetooth в жизни общества

Как известно, все новое с трудом прокладывает себе дорогу — особенно если некоторые апологеты пропагандируют его столь неуклюже, что это приносит только вред. Воистину: «Господи, защити меня от друзей, а с врагами я сам справлюсь». Буквально такая ситуация сложилась с технологией Bluetooth, когда на выставке CeBIT 2001 с треском провалилась попытка создать масштабную беспроводную сеть на ее основе.

По замыслу организаторов акции, более 100 передатчиков, использующих Bluetooth, должны были образовать беспроводную цифровую сеть конгресс-залов Ганноверского выставочного центра. Это позволило бы участникам конгрессов с помощью карманных компьютеров различных типов общаться между собой и получать доступ в другие сети. К сожалению (а может быть, к счастью), попытка не увенчалась успехом.

Теоретически создание больших сетей на базе технологии Bluetooth вполне возможно, но на самом деле она разрабатывалась совершенно для других целей. Далее мы рассмотрим основы этой технологии и некоторые варианты ее применения.

Для чего нужен Bluetooth?

Как бывшему специалисту-практику, мне хорошо известно, что самой большой проблемой любого пользователя ПК (после решения задач, связанных с операционной системой) является укладка целого пучка проводов, которые соединяют различные устройства на его столе. Эти провода почему-то имеют тенденцию скручиваться и завязываться в немыслимые узлы. Кроме того, очень часто потребитель должен обладать известной долей мобильности в пределах своего офиса, то есть доступ к информационным ресурсам ему может потребоваться в любом месте и в любое время.

В настоящий момент задачу обеспечения мобильности сотрудника офиса пытаются решать несколькими способами. В первую очередь для его подключения к локальной сети предлагается задействовать RadioEthernet IEEE 802.11. Эта технология обеспечивает скорость передачи до 11 Мбит/с на расстоянии до 100 м. В России RadioEthernet находит довольно широкое применение, так как позволяет достаточно быстро и недорого развернуть сеть. Однако ее распространению препятствует сложность процедуры получения лицензии на использование частот в диапазоне 2,4 ГГц. Данная процедура может занять много месяцев и свести на нет все преимущества в скорости развертывания сети.

Правда, сейчас подготавливается решение, согласно которому для использования этого диапазона внутри здания (так называемое indoor-применение) не потребуется получения лицензий. И было бы очень здорово, если бы данное решение распространилось и на Bluetooth, реализуемую в том же частотном диапазоне.

В отличие от RadioEthernet эта технология разрабатывалась для организации связи в масштабах одной комнаты: в соответствии с первоначальными спецификациями радиус ее действия не превышал 10 м. Получается, что Bluetooth оптимальным образом «заточена» под решения indoor, обеспечивающие мобильность абонентов в пределах рабочего места.

Другим отличием Bluetooth от RadioEthernet является направленность на создание персональных сетей (PAN, private area network) отдельного пользователя. Позволю себе мысль: попытка организовать широкомасштабную сеть на выставке CeBIT 2001 лишний раз подтвердила известное правило «каждой вещи — свое место».

Основной задачей технологии Bluetooth, которую обозначили ее создатели, является отказ от большинства соединительных кабелей на рабочем столе. По замыслу разработчиков, можно отказаться от физического соединения с компьютером клавиатуры, мыши или принтера, не надо манипулировать с органайзерами и сотовыми телефонами. С помощью Bluetooth они способны самостоятельно соединяться с ПК и синхронизировать свои базы данных.

В спецификациях стандарта Bluetooth введены определения профилей описывающие модели взаимодействия устройств при решении той или иной задачи. Примером может служить профиль Internet bridge, с чьей помощью описывается беспроводное подключение мобильных устройств, таких как сотовый телефон или переносной компьютер, к оконечному терминальному оборудованию проводных линий связи. Другой пример — профиль Ultimate Headset описывающий подключение телефонной гарнитуры к базовому устройству. Это приложение особенно удобно для операторов центров обработки вызовов, секретарей и водителей.

Однако чаще всего, когда речь заходит о технологии Bluetooth, упоминают приложение, описываемое профилем Automatic synchronization. Он позволяет в автоматическом режиме синхронизировать записи в календарях событий, телефонных книгах, поддерживаемых мобильными телефонами, персональными цифровыми ассистентами (PDA) или ПК. Как только абонент с мобильным телефоном попадает в область действия сети Bluetooth, устройства установят между собой связь и обменяются всеми накопленными изменениями в базах данных.

В последнее время стал расти интерес к созданию домашних сетей, объединяющих не только компьютеры, но и обычные бытовые приборы, такие как холодильник, микроволновая печь, кондиционер и другие. Сегодня это уже не грезы фантастов; в обычной продаже можно найти кухонные гарнитуры, оснащенные системами контроля и автоматического заказа продуктов. Для таких приложений весьма кстати окажется технология Bluetooth, обеспечивающая достаточную скорость передачи и значительную экономию денежных вложений — по сравнению с решениями на основе RadioEthernet.

Стоит упомянуть, что существуют еще две технологии беспроводной связи. Это HomeRF, ориентированная на объединение аудио- и видеосистем, и IrDA, инфракрасная связь по топологии «точка—точка». По своим характеристикам HomeRF весьма близка к Bluetooth, но ее разработчики производители совершенно другого класса оборудования, нежели телекоммуникационное, и вряд ли эта технология составит серьезную конкуренцию Bluetooth. Инфракрасные системы связи тоже не смогут соперничать с Bluetooth, но по другим причинам: очень мал радиус действия (в пределах одного-двух метров), и не существует простого решения, позволяющего создавать персональные сети на основе IrDA.

Портрет протокола

Сначала пару слов о самом названии Bluetooth, которое переводится на русский язык как «голубой зуб». На первый взгляд довольно странное имя для технологии беспроводной связи. Но вот как оно объясняется на официальном сайте Bluetooth SIG (Special Interest Group, www.bluetooth.com) — организации, основанной в начале 1998 г. и объединяющей компании, которые заинтересованы в развитии беспроводной связи. Свой первый вариант данной технологии предложила в 1994 г. шведская компания Ericsson, чьи сотрудники вспомнили о своем знаменитом предке — короле викингов Харальде II по прозвищу Bluetooth. Он жил более тысячи лет назад и прославился как объединитель земель, принадлежащих современным Швеции, Норвегии и Дании. В честь этого короля и была названа технология.

В настоящее время актуальна спецификация протокола Bluetooth версии 1.1, но в текущем году будет принята версия 2.0, которая, как надеются ее разработчики, обеспечит совместимость продукции разных производителей. Согласно спецификациям, устройства Bluetooth должны поддерживать связь в радиусе до 10 м (опционально — до 100 м); скорость передачи будет составлять около 720 Кбит/с.

Как и все современные телекоммуникационные технологии, Bluetooth имеет многоуровневую архитектуру и несколько вариантов стеков протоколов для передачи различных видов информации. На рис. 1 приведена структура протоколов Bluetooth. Как видите, фундаментом такой структуры является радиоканал.

Рис. 1. Стек протоколов Bluetooth

В этом отношении данная технология весьма схожа с RadioEthernet. Здесь используется тот же диапазон 2,4 ГГц, а спектр радиосигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Напомню, что FHSS предполагает наличие в рабочем диапазоне 79 каналов с шагом сетки 1,6 кГц, и передатчик с приемником синхронно переключаются с одного из них на другой. Порядок переключений по шаблону позволяет работать в одном диапазоне сразу нескольким сетям Bluetooth и RadioEthernet. Дело в том, что в каждый конкретный момент приемник интересует лишь информация, передаваемая по определенному каналу, другие же он попросту игнорирует.

Для дальности действия 10 м мощность передатчика составляет всего 1 мВт, что вряд ли станет препятствием для получения лицензии на эксплуатацию этого оборудования. Другое дело, если дальность действия передатчика составит 100 м — тогда его выходная мощность достигнет 100 мВт. Однако и в этом случае есть резон пойти на безлицензионное использование данного оборудования, ведь благодаря применяемому методу формирования спектра создаваемые помехи окажутся весьма незначительными.

По технологии Bluetooth можно передавать данные в двух режимах — асинхронном (скорость до 723,2 Кбит/с в прямом направлении и 57,6 Кбит/с в обратном), и симметричном (скорость в обоих направлениях составляет 433,9 Кбит/с). Для передачи голоса поддерживается до трех одновременных голосовых каналов со скоростью 64 Кбит/с в каждом направлении. Предусмотрен совместный режим передачи голоса и данных, в нем поддерживаются один голосовой канал и один асинхронный канал данных.

Спецификации описывают типы сетей, реализуемых с помощью Bluetooth. Основу составляет так называемая пикосеть (piconet) — объединение двух и более устройств Bluetooth. Вероятно, выбирая это название, разработчики хотели подчеркнуть микроскопический размер сети, ведь в технике приставка «пико» означает величины 10-12. Сегодняшние архитектуры допускают, чтобы в одной пикосети задействовались одно ведущее устройство (master) и до семи активных ведомых устройств (slaves). В режиме разделения активности с использованием методики арбитража число ведомых устройств может быть неограниченным. Для разделения пикосетей, действующих на одной территории, применяются различные последовательности переключения между каналами при формировании спектра радиосигнала.

Каждое устройство способно попеременно входить в состав различных пикосетей. В качестве ведущего может выступать любое устройство, причем мастер в одной пикосети может оказаться ведомым в другой пикосети. Благодаря этому происходит объединение в общую сеть, называемую scatternet — «рассеянная», или «рассыпанная», сеть. Видимо, по замыслу разработчиков, данное имя должно подчеркивать хаотичный характер возникновения и существования сетевой иерархии оборудования Bluetooth. Архитектура scatternet обеспечивает поддержку до десяти пикосетей с минимальным уровнем возникновения коллизий. Несложно подсчитать, что в scatternet может одновременно работать максимум 71 активное устройство, чего для сетей персонального назначения более чем достаточно.

Оборудование Bluetooth располагает встроенными средствами обеспечения безопасности, основанными на нескольких алгоритмах. Для идентификации каждое устройство имеет уникальный 48-разрядный двоичный код, благодаря которому можно разделять доступ к важным данным или предоставлять платные услуги. Для защиты от несанкционированного доступа к передаваемым данным используется шифрование с применением 128-разрядного ключа, который формируется в процессе установления соединения. Но, вероятнее всего, в российских условиях этот режим придется отключать, так как по заведенному порядку вещей все системы криптозащиты подлежат сертификации в ФАПСИ.

Рис. 2. Архитектура модуля Bluetooth

На рис. 2 приведена структурная схема устройства, созданного на основе технологии Bluetooth. Как видите, оно состоит из двух основных частей — аналогового приемопередатчика и цифровой части, называемой Host Controller. В свою очередь, Host Controller разделяется на Link Controller, процессорное ядро CPU и интерфейс, предназначенный для соединения с базовым устройством. Link Controller работает с протоколами физического уровня и отвечает за выполнение функций синхронной и асинхронной передачи данных, аудиокодирования и шифрования информации. Процессорное ядро осуществляет управление всем устройством, на нем запускается специализированное программное обеспечение Link Manager.

На рис. 1 видно также, что кроме уровня радиоканала основная функциональная роль в технологии Bluetooth отводится протоколам Baseband, задействуемым в Link Controller и LMP (Link manager Protocol). Для передачи голоса используется лишь уровень baseband, так как сами речевые пакеты не требуют дополнительного управления. В этом можно усмотреть сходство с механизмом применения протокола UDP в IP-телефонии.

Протокол LMP отвечает за установление соединений между устройствами Bluetooth. На него возлагаются задачи распознавания пакетов, согласования их размеров, управления потоками данных, идентификации и генерации ключей шифрования. В связке с LMP работает протокол L2CAP (Logocal Link Control and Adaptation Protocol), обеспечивающий интерфейс с верхними уровнями и отвечающий за сегментацию и сборку данных.

Протокол SDP (Service Discovery Protocol) предназначен для определения типа запрашиваемого сервиса и установления необходимых параметров обмена. Протокол TCS (Telephony Control Protocol) является бит-ориентированным и служит для передачи сигнальной информации и установления речевых соединений между устройствами Bluetooth. Этот протокол базируется на рекомендации Q.931 ITU-T. В работе с рядом профилей, например Internet bridge или Ultimate Headset, используются специальные AT-команды, с помощью которых устройство Bluetooth управляется мобильным телефоном или модемом.

В тех случаях, когда требуется эмулировать последовательное соединение, применяется протокол RFCOMM, который воспроизводит все сигнальные и информационные линии протокола RS-232.

Перспективы Bluetooth в бизнес-среде

Небольшие габариты, малое энергопотребление и ничтожная стоимость (всего несколько долларов) модулей Bluetooth, которая определяется высокой технологичностью производства, — все это открывает широкие перспективы для применения этой технологии в различных сферах деятельности человека. Уже сейчас предлагаются законченные решения для создания рабочего места, все устройства которого оснащены модулями Bluetooth, а из кабельных компонентов остались лишь провода электропитания. Клавиатура персонального компьютера, мышь, и оборудование, подключаемое к параллельным, последовательным и USB-портам, также используют данную технологию.

При этом не наблюдается никакой конкуренции с другими беспроводными технологиями. Они отлично сосуществуют, так как предназначены для разных приложений. Например, RadioEthernet позволяет подключить ваш компьютер к локальной сети, а Bluetooth — избавиться от надоевших кабелей.

Технология Bluetooth может серьезно потягаться на рынке домашних устройств с уже упоминавшимся HomeRF и IrDA. Ведь окружающие нас «домашние» вещи все больше и больше приобретают черты компьютеров.

Везде, где есть кабель, соединяющий между собой различные устройства, технология Bluetooth может найти свое применение. Правда, не стоит увлекаться, пытаясь взвалить на нее непосильный груз.