Сети беспроводного доступа. Коммуникация ближнего поля NFC. Bluetooth. Тема 10

1. По дисциплине «Абонентский доступ»

10. Сети беспроводного доступа.
Коммуникация ближнего поля NFC.
Bluetooth
PhD, ассоц.проф. Мирзакулова
Ш.А.

2. Технология связи на малых расстояниях NFC (Near Field Communication, ближняя бесконтактная связь) — совместная разработка

Коммуникация ближнего поля NFC
Технология связи на малых расстояниях NFC (Near Field
Communication, ближняя бесконтактная связь) — совместная
разработка компаний NXP Semiconductor и Sony — представляет
собой комбинацию нескольких существующих бесконтактных
технологий радиочастотной (РЧ) идентификации и связи. Это
технология беспроводной передачи данных, созданная в 2004 году.
NFC является ветвью развития Bluetooth, который применяется для
передачи мультимедийных данных в смартфонах, ноутбуках и
других устройствах.
NFC
технология
беспроводной
высокочастотной связи малого радиуса действия, которая дает
возможность обмена данными между устройствами, находящимися
на расстоянии около 10 см. С ее помощью можно «перекинуть»
информацию с одного телефона на другой картинки, документы и
другое. Однако за счет своих особенностей NFC чаще используется
для передачи другого типа информации.

3. В перспективе планируется вживлять NFC чип даже под кожу человека, заменив паспорт, водительские права и банковские карты. Так

Коммуникация ближнего поля NFC
В перспективе планируется вживлять NFC чип даже под кожу
человека, заменив паспорт, водительские права и банковские
карты. Так вы никогда не потеряете важные документы, а шанс
украсть личные данные будет минимальным (рис.).

4. Модуль NFC представляет собой небольшую плату с передатчиком, которая генерирует электромагнитное поле. Это касается только

Коммуникация ближнего поля NFC
Модуль NFC представляет собой небольшую плату с
передатчиком, которая генерирует электромагнитное поле. Это
касается только передатчиков. Как правило, чип уже встроен в
материнскую плату смартфона. Функция имеется в стандартной
операционной системе и работает без установки каких-либо
дополнительных приложений. Для записи статической информации
используется NFC метка (tag). Она не требует питания и может
«вшиваться» в пластиковые или бумажные карты. NFC Tag - это
небольшая наклейка из тонкого слоя алюминия, на которой записана
информация. Когда смартфон с передатчиком генерирует
электромагнитное поле, метка активируется и начинает передавать
записанную информацию. Как правило, метка стоит на картах,
использующихся для оплаты. Объем памяти метки зависит от ее типа.
При необходимости можно перезаписать информацию с помощью
специализированного программного обеспечения.

5.

Коммуникация ближнего поля NFC
Стоит отметить высокую безопасность технологии. Во время
передачи генерируется специальный ключ, в котором содержится
вся необходимая информация для проведения транзакции. Номер
карты и другие важные данные не передаются, поэтому извлечь их
из сигнала невозможно. NFC разработали, основываясь на RFID,
но для более сложного обмена данными между участниками. Попрежнему можно считывать пассивные RFID-метки с помощью
NFC-считывателя и записать новые данные в их ограниченную
память. Также NFC позволяет записывать информацию в
определённый тип RFID-меток, используя стандартный формат,
независимый от типа меток. Ещё можно взаимодействовать с
другими NFC-устройствами дуплексным или двусторонним
обменом. NFC-устройства могут обмениваться информацией о
своих возможностях, делиться записями или устанавливать более
длительное взаимодействие посредством других технологий.

6.

Коммуникация ближнего поля NFC
NFC позволяет сделать некоторый сложный обмен данными или
инструкциями без преград в виде обмена паролями, сопряжением
или любыми другими запутанными путями, которые присущи другим
протоколам обмена данными. Это означает, что для того, чтобы
обменяться адресной информацией со своим другом, вам достаточно
лишь соприкоснуться телефонами. Или, когда вы хотите оплатить
покупку бесконтактной банковской картой, вам достаточно лишь
поднести её к терминалу. Устройство не позволяет считать абсолютно
всю свою память при использовании NFC, оно лишь даёт доступ к
небольшому кусочку информации, необходимому для обмена.
Пользователь может проконтролировать, какую информацию он
передаёт и кому. Существует четыре типа меток, описанных NFCфорумом, все они базируются на RFID-протоколах. Это делает NFC
метки частично совместимыми со многими уже существующими
RFID системами (например, Mifare и FeliCa).

7.

Коммуникация ближнего поля NFC
Хотя эти более старые системы не поддерживают NDEF, они,
однако, могут опознавать NFC метки, которые совместимы с ними.
Например, считыватель RFID, который предназначен для работы с
метками Mifare Ultralight, может считать идентификационный номер
метки NFC 2 типа, хоть и не может прочитать закодированную NDEF
информацию. Есть также пятый тип, который совместим с
технологией, но при этом не является частью NFC-спецификации.
Алгоритм работы NFC
У NFC, как и у RFID, при обмене есть инициатор и цель, но новая
технология позволяет куда больше, чем простой обмен
идентификатором и чтение или запись информации цели. Наиболее
значимым различием между этими двумя технологиями является то,
что у NFC целями часто являются программируемые устройства,
такие как смартфоны. Это означает, что можно обмениваться не
только статичными данными, но и каждый раз генерировать ответ на
запрашиваемую инициатором информацию.

8.

Коммуникация ближнего поля NFC
У NFC устройств есть два режима взаимодействия. Если инициатор
излучает радиочастотные волны, а цель за счёт инициатора получает
питание, то такой режим взаимодействия называют пассивным. При
активном режиме у инициатора и цели свои собственные источники
питания, и они независимы друг от друга. Данные режимы совпадают с
режимами RFID.
NFC устройства имеют 3 способа работы. Они могут работать в
режиме чтения информации с цели или записи на нее. Они могут
эмулировать карты, ведя себя как RFID-метки, когда они в поле другого
NFC или RFID устройства. Или они могут работать в режиме peer-topeer (P2P) для обмена в обеих направлениях.
Первым главным отличием NFC от RFID является способ
взаимодействия peer-to-peer, который реализован с помощью ГОСТ Р
ИСО/МЭК 18092. Обмен данными P2P реализуется двумя протоколами протоколом подуровня управления логической связью (LLCP - logical
link control protocol) и простым протоколом обмена данными NDEF
(SNEP - simple NDEF exchange format).

9.

Коммуникация ближнего поля NFC
В архитектуре NFC есть несколько уровней. Физический реализован
ЦПУ и другим аппаратным комплексом, через который происходит
взаимодействие. В середине находятся данные о пакетах и
транспортный уровень, затем формат данных уровней, и в конце
программное обеспечение (рисунок 10.2).
На физическом уровне NFC работает по алгоритму ГОСТа для RFID
(ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443-2-2014), где маломощные радиосигналы
частотой 13,56 МГц. Затем уровень, который описывает разбивку потока
данных на фреймы (ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443-3-2014). Любые
радиоконтроллеры, которые используются в телефоне, планшете или
подсоединяются к ПК или микроконтроллеру, являются отдельными
аппаратными компонентами. Они взаимодействуют с главным
процессором посредством одного или нескольких стандартных
последовательных протоколов между устройствами: универсальный
асинхронный
приёмопередатчик
(UART),
последовательный
периферийный интерфейс (SPI), последовательная шина данных для
связи ИС (I2C) или универсальная последовательная шина (USB).

10.

Архитектура NFC

11.

Архитектура NFC
Над этим находится несколько протоколов команд RFID,
базирующихся на двух спецификациях. NFC чтение и запись меток
базируется на оригинальном RFID ГОСТ Р ИСО/МЭК 14443A.
Протоколы Philips/NXP Semiconductors Mifare Classic и Mifare
Ultralight и NXP DESFire совместимы с ГОСТ Р ИСО/МЭК
14443A. Обмен данными P2P NFC базируется на ГОСТ Р
ИСО/МЭК 18092. Также на этом же стандарте базируются RFIDкарты и метки Sony FeliCa, которые доступны в основном в
Японии. Можно читать и записывать метки, основанные на этих
стандартах, и не использовать NFC.
В основе NFC лежит индуктивная связь. Частота работы - 13,56
МГц, скорость передачи - 106 кбит/с (возможны 212 кбит/с и
424 кбит/с). Сигнал подвергается амплитудной манипуляции ООК
с различной глубиной 100% или 10% и фазовой манипуляции
BPSK (рисунок 10.3).

12.

Архитектура NFC
Технология NFC использует электромагнитную индукцию между
двумя рамочными антеннами, расположенными в ближнем поле двух
взаимодействующих устройств, эффективно формируя трансформатор
с воздушным сердечником. Устройства NFC работают в
нелицензированном радиочастотном диапазоне 13,56 МГц. Большая
часть радиочастотной энергии сосредоточена в разрешенном
диапазоне с полосой пропускания ±7 кГц, но полная спектральная
огибающая при использовании модуляции ASK может достигать 1,8
МГц.

13.

Архитектура NFC
Взаимная индукция позволяет не только реализовать канал связи
между расположенными в непосредственной близости (PCD, PICC) или
на некотором удалении (VCD, VICC) устройствами для обмена
информацией, но также передает электрическую энергию от
подключенного устройства (PCD, VCD) к карте (PICC, VICC).
Поскольку устройство связи передает данные на карту посредством
прямой
модуляции
радиочастотного
поля,
средняя
энергия
радиочастотного поля при передаче данных уменьшается. Различные
методы модуляции и кодирования данных приводят к разным уровням
средних потерь энергии РЧ-поля. Выбранные для VCD и VICC
технологии, описанные в разделе «Передача данных», направлены на
минимизацию потерь энергии РЧ-поля при передаче данных VCD-VICC.
Это больше необходимо для устройств, действующих на удалении, чем
для прикладываемых вплотную друг к другу. Нельзя бесконечно
увеличивать расстояние связи путем простого повышения мощности
генерируемого
радиочастотного
поля,
так
как
существуют
законодательные ограничения величины радиочастотного излучения.

14.

Архитектура NFC
Передающее
устройство
передает
данные
устройству,
прослушивающему канал связи, путем непосредственной модуляции
интенсивности радиочастотного поля. Слушающее устройство передает
ответ устанавливающему сеанс связи устройству путем модулирования
нагрузкой РЧ-поля, меняя нагрузку для своей антенны, как бы замыкая
вторичную обмотку трансформатора. Такая непрямая модуляция
вызывает
обнаруживаемые
другим
устройством
изменения
интенсивности поля, которые интерпретируются как данные.
При передаче информации пассивному устройству используется
амплитудная манипуляция ASK. При обмене с активным устройством
оба устройства равноправны и выступают в качестве поллинговых.
Каждое устройство имеет собственный источник питания, поэтому
сигнал несущей отключается сразу после окончания передачи. За счет
индуктивной связи между опрашивающим и прослушивающим
устройствами пассивное устройство влияет на активное.

15.

Архитектура NFC
Изменение импеданса прослушивающего устройства вызывает
изменение амплитуды или фазы напряжения на антенне опрашивающего
устройства, которое он обнаруживает. Этот механизм называется
модуляцией нагрузки. Она выполняется в режиме прослушивания с
применением вспомогательной несущей 848 кГц. В зависимости от
стандарта применяется амплитудная (ASK для 14443 А) или фазовая
манипуляция (BPSK для 14443 В). Еще один пассивный режим,
совместимый с FeliCa, осуществляется без вспомогательной поднесущей
с манипуляцией ASK на частоте 13,56 МГц.
Передача данных между NFC-считывателем (устройством опроса) и
NFC-слушателем (меткой или смарт-картой) обеспечивается с помощью
формирования сигналов и кодирования данных. Целью формирования
сигналов данных является надежное распознавание двоичных состояний.
Целью кодирования данных является организация двоичных состояний
таким образом, чтобы формировать двоичный поток данных из
логических нулей и единиц, который может быть надежно
интерпретирован принимающей данные стороной.

16.

Архитектура NFC
Для формирования сигналов данных используются такие
методики как прямая модуляция РЧ-поля (считыватель) и косвенная
модуляция РЧ-поля (слушатель). Битовое кодирование двоичного
потока данных в единицы и нули выполняется с использованием
известных методов кодирования. Различные типы NFC (NFC-A, NFCB, NFC-V) могут использовать и разные методики или значения.
В NFC определено 3 режима работы:
– пассивный (эмуляция смарт-карты). Пассивное устройство ведет
себя как бесконтактная карта одного из существующих стандартов;
– передача между равноправными устройствами. Производится
обмен между двумя устройствами. При этом за счет собственного
источника питания у прослушивающего устройства можно
использовать NFC даже при выключенном питании опрашивающего
устройства;

17.

Архитектура NFC
– активный режим (чтение или запись). В каждом режиме может
применяться один из трех способов передачи: NFC-A (14443 А), NFCB (14443 В), NFC-F (JIS X 6319-4). Для распознавания способа
передачи
инициирующее
устройство
посылает
запрос.
Характеристики режимов кодирования и модуляции приведены в
табл.

18.

Архитектура NFC
В пассивном режиме используются метки NFC - пассивные
устройства, предназначенные для обмена с активными NFCустройствами. Как и метки RFID, метки NFC применяются для
хранения небольшого количества данных. Всего определено 4 типа
меток (табл.).

19.

Архитектура NFC
NFC состоит из считывателя (ридера) и антенны, или из метки
и антенны. Ридер генерирует радиочастотное поле, которое может
взаимодействовать с меткой или с другим ридером. Ридер - это
устройство NFC, работающее в режиме активной коммуникации.
Типичный диапазон связи для NFC может составлять до 3
дюймов и зависит от используемого протокола и конструкции
антенны. В настоящее время стандарт NFC поддерживает разные
скорости передачи данных до 424 кбит/с. Принципиальный
механизм связи NFC между двумя устройствами такой же, как и у
традиционного RFID 13,56 МГц, где есть и ведущий, и ведомый.
Мастер называется эмиттером или считывающим / записывающим
устройством, а подчиненный - тегом или картой.

20.

Архитектура NFC

21.

Архитектура NFC

22.

Bluetooth
Bluetooth - производственная спецификация беспроводных
персональных сетей (WPAN).
Спецификация Bluetooth разработана группой Bluetooth Special
Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В
неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia.
Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе
которого спецификация Bluetooth стала частью IEEE 802.15.1 в 2002 г.
Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими
устройствами, как персональные компьютеры (настольные,
карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, интернет-планшеты,
принтеры, цифровые фотоаппараты, мыши, клавиатуры, джойстики,
наушники, гарнитуры и акустические системы на надежной,
бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи.
Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они
находятся друг от друга в радиусе около 10 м в старых версиях
протокола и до 1500 м начиная с версии Bluetooth 5.

23.

Bluetooth
Дальность сильно зависит от преград и помех, даже в одном
помещении.
Технология Bluetooth стала первой технологией, позволяющей
организовать беспроводную WPAN. Она позволяет осуществлять
передачу данных и голоса по радиоканалу на небольшие
расстояния.
Своему рождению BlueTooth обязана фирме Ericsson, которая в
1994 году начала разработку новой технологии связи.
Первоначально
основной
целью
являлась
разработка
радиоинтерфейса с низким уровнем энергопотребления и
невысокой стоимостью, который позволял бы устанавливать связь
между сотовыми телефонами и беспроводными гарнитурами. В
результате был разработан стек протокола беспроводной передачи
данных BlueTooth (рисунок 10.4).

24.

Bluetooth

25.

Bluetooth
Bluetooth имеет простую структуру стека протоколов.
Спецификация определяет 5 уровней: физический (RF), базовый
(baseband, комбинация аппаратных и программных функций),
протоколы управления каналом LMP и L2CAP (Logical Link Control
and Adaptation Protocol), сетевой уровень и уровень приложений.
Базовый уровень включает в себя функции формирования пакетов,
передачи и кодирования данных, коррекции ошибок, управления
каналами и частотными скачками. Протокол управления каналом LMP
обеспечивает аутентификацию, инициализацию соединений и
шифрование. Управляющая информация LMP упаковывается в
однослотовые фреймы.
Напарник LMP - L2CAP отвечает за процедуры формирования и
сборки пакетов, которые здесь достигают внушительных размеров только поле полезной нагрузки для L2CAP-пакета составляет 64 KB.
Логично, что L2CAP не используется в случае синхронных
коммуникаций - там нет необходимости в таком управлении.

26.

Bluetooth
Как и LMP, L2CAP имеет свой формат пакетов для пересылки
управляющей информации. Благодаря этому в Bluetooth существуют
понятия пересылки данных с установлением соединения (данные
направляются конкретному адресату, доставка гарантируется) и без
него (ш/вещательная рассылка без контроля прохождения пакетов).
Реализовано и туннелирование различных протоколов, для каждого из
них резервируется отдельный логический канал. Венчает семейство
протоколов SDP (Service Description Protocol) - единственное средство
определения сервисов, предоставляемых удаленным устройством. С
помощью команд протокола можно считать информацию из локальной
базы данных сервисов узла и определить способ взаимодействия с
ними. Каждый сервис является производной общего класса, который
определяет структуру его описания и способ ее интерпретации.
Например, описание мобильного телефона будет включать в себя тип
его дисплея, набор навигационных клавиш и частотный диапазон
приемопередатчика.

27.

Bluetooth
HCI (Host Controller Interface) отвечает за интеграцию
низкоуровневых
baseband-интерфейсов
и
клиентского
программного обеспечения. HCI состоит из HCI Firmware и HCI
Driver, взаимодействующих посредством Host Controller Transport
Layer. HCI Firmware осуществляет вызов функций управления
каналами и передачи данных, специфических для конкретного типа
устройства. HCI Driver предоставляет унифицированный
интерфейс для драйверов вышележащих сетевых уровней.
Поскольку чип Bluetooth доступен по одному из стандартных
аппаратных коммуникационных интерфейсов, Host Controller
Transport Layer, согласно спецификации, поддерживает USB, UART
и RS232.
Bluetooth - гибрид, объединяющий в себе канальную и
пакетную коммутацию. Обмен данными осуществляется с
помощью техники Time-Division Duplex Multiple Access.

28.

Bluetooth
Все 79 каналов функционируют на основе временных слотов
длительностью 625 мкс, которые могут быть заняты каким-либо
пакетом данных. Каждый пакет передается на ином канале, чем
предыдущий - это и есть частотные "скачки" (1600 в с.). Пакеты
уровня baseband, как правило, занимают один слот, хотя
потенциально разрешается формировать фреймы в 5 раз больше.
Помимо формы распределения слотов (асинхронные каналы, ACL
Link - Asynchronous Connection-Less Link), существует и система
квотирования, когда определенное их количество заранее отводится
под трансляцию в реальном времени потоковых данных
(синхронные каналы, SCO Link - Synchronous Connection-Oriented
Link). В действительности физические ресурсы ограничены и
возможна поддержка или одного асинхронного канала с
пропускной способностью ~781 Kbps, или трех синхронных
голосовых каналов емкостью по 128 Kbps.

29.

Bluetooth
Для несимметричного асинхронного канала максимальная
скорость передачи составляет 723,2 Kbps, при том, что для обратного
направления все еще остается резерв в 57,6 Kbps. Для симметричного
варианта соединения пропускная способность в обоих направлениях
равна 433,9 Kbps. Синхронные каналы отличаются от асинхронных
еще и тем, что первые не поддерживают механизма обнаружения и
повторной передачи неверно принятых пакетов. Формат фрейма
Bluetooth приведен на рис.

30.

Bluetooth
Стандартное поле Access Code имеет длину 72 бита и в
наиболее общем виде представлено на рисунке выше: оно
содержит преамбулу, синхрослово и трейлер. Преамбула и
синхрослово используются для синхронизации передатчика с
приемником, а в целом поле Access Code может иметь различное
значение в зависимости от ситуации, в которой оно было
использовано. Во-первых, в варианте CAC (Channel Access Code)
поле служит для идентификации и опроса узлов, принадлежащих
пиконет. Код доступа формата CAC есть в составе каждого пакета,
генерируемого в пиконет. С другой стороны, тип Inquire появляется
в "лексиконе" узла, который пытается обнаружить все другие
устройства в пределах досягаемости (General Inquire - GIAC) или
же какой-либо определенный тип устройств (Dedicated Inquire DIAC).

31.

Bluetooth
Синхрослово образуется из 24-битового адреса узла - мастера или
иного инициатора соединения (paging). Алгоритм его вычисления
гарантирует достаточно большое расстояние Хемминга (Hamming
distance) между сгенерированными синхропоследовательностями (это
означает, что даже при декодировании принятого с ошибками слова
спутать "позывные" двух устройств сложно).
Трейлер - это своеобразная "буфер-прослойка" между Access Code
и телом пакета. Он необходим для восстановления баланса
постоянного тока (DC balance), поскольку на стыке разных полей
часто возникают идущие подряд единицы или нули, что "сбивает с
толку" приемник (теряется синхронизация).
Формат заголовка пакета:
AM_ADDR - это 3-битовый адрес устройства, внутренний для
пиконет. В поле TYPE длиной 4 бита записывается тип пакета интерпретация его содержимого зависит от характера соединения
(ACL или SCO).

32.

Bluetooth
Флажок FLOW (управление потоком) сбрасывается в 0, когда
буфер устройства-приемника переполнен. В ARQN текущего фрейма
записывается подтверждение (1) или неподтверждение (0) успешного
приема предыдущего пакета. Стробирующий бит SEQN позволяет
отсеивать ошибочно повторно переданные пакеты: для каждого
нового пакета данных (имеющего поле контрольной суммы) данный
бит инвертируется. Поле HEC подытоживает заголовок контрольной
суммой его содержимого.
Все типы пакетов Bluetooth разбиты на четыре категории. В
первую попали общие для всех разновидностей соединений типы
(NULL, POLL, FHS, DM1), три другие описывают пакеты различной
длины: во второй определяются однослотовые пакеты, а в четвертой занимающие пять временных слотов. ID-пакеты имеют длину 68 бит и
применяются для пейджинга и запросов. NULL-пакеты состоят только
из полей Access Code и Header, играя роль подтверждений
установления соединения или получения данных.

33.

Bluetooth
Тип POLL аналогичен предыдущему за исключением того, что
POLL-пакеты обязывают получателя ответить. Фактически так
организуется обратная связь подчиненного узла с мастером.
Особый формат у пакетов FHS - они содержат информацию об
адресе, классе устройства и тактовой частоте его передатчика. Узлы
прибегают к помощи FHS при инициализации новой пиконет или при
смене схемы частотных скачков в уже существующей сети. В эту
отдельную категорию следует отнести и пакеты DM1,
обеспечивающие распространение управляющей информации.
Для синхронных и асинхронных соединений определены
практически не пересекающиеся наборы специальных пакетов.
Например, для синхронных соединений введено несколько форматов,
различающихся в основном длиной поля данных и называющихся
HV1, HV2 и HV3. Тип HV (High quality Voice) предназначен для
ретрансляции голосовых потоков. Поле данных первого из них имеет
длину 10, второго - 20, а третьего - 30 байт.

34.

Bluetooth
Комбинированный вариант DV - это пакет, предназначенный для
передачи как голоса, так и данных, содержит 80 бит аудио и 150 бит
данных. На самом деле обе его части обрабатываются полностью
независимо, вплоть до того, что данные защищаются кодом CRC и
посылаются повторно в случае повреждения в отличие от блока аудио.
Набор форматов для асинхронных соединений более разнообразен
за счет введения высокоскоростного режима High rate. Пакеты DM1,
DM2 и DM3 имеют общую структуру, различаясь, как и в случае
асинхронных форматов, объемом полезной нагрузки. DH1, DH2 и
DH3 могли бы стать их братьями-близнецами, если б не иной способ
кодирования, а точнее, исключение стадии дополнения данных битами
четности по алгоритму FEC 2/3 (5 бит контроля на 10 бит
информации). Так что если DM1 занимает один временной слот и
несет в себе 18 бит данных, то его скоростной аналог за то же время
успевает "вытащить" 28, правда, с некоторым риском для их
целостности.

35.

Bluetooth
Для большинства пакетов асинхронного формата действует механизм
повторной передачи в случае ошибок. Исключением является AUX1,
который, будучи аналогом пакета DH1, предназначен для аудиоданных и
никогда не передается дважды.
Если углубиться еще дальше в структуру пакета Bluetooth, то мы
обнаружим, что даже поле данных имеет свой заголовок, тело и поле
контрольной суммы CRC. Заголовок несет в себе сведения о логических
каналах и сегментации пакетов.
Пакеты рассматриваются как широковещательные в группе пиконет,
если обнулено их поле адреса. Прием широковещательных фреймов
никогда не подтверждается узлами, поэтому они для надежности
автоматически передаются определенное число раз, и только после этого
в эфир выдается следующий пакет последовательности.
Чтобы как-то упорядочить разнообразные способы доставки
управляющей и полезной информации, разработчики ввели 5 логических
каналов.

36.

Bluetooth
Канал Link Control (LC), который является высокоуровневым
представлением заголовков пересланных пакетов, позволяет
устанавливать низкоуровневые параметры соединения. Link Manager
(LM) предназначен для обмена управляющей информацией между
узлами сети пиконет. Данные канала LM кодируются пакетами DM.
Каналы UA (User Asynchronous), UI (User Isochronous) и US (User
Synchronous) обеспечивают пересылку асинхронных, изохронных и
синхронных потоков данных посредством соответствующих типов
пакетов.
Перед передачей и FEC-кодированием данные обрабатываются с
помощью специального фильтра (whitening, выравнивание спектра),
изменяющего образуемую нулями и единицами структуру таким
образом,
чтобы
исключить
длинные
единообразные
последовательности с целью минимизации фактора постоянного тока
(DC balance). Соответственно, на стороне приемника выполняется
обратная фильтрации процедура.

37.

Bluetooth
Вопросы синхронизации исполняет ведущее устройство (master) в
пиконет. Подчиненные узлы ориентируются на время появления
пакетов от ведущего и уже от него отсчитывают интервалы начала
передачи (625 мкс). Поскольку ведущий узел никогда не корректирует
свои часы, а неустойчивая синхронизация и прочие сбои являются
реальным фактором, введено окно, в течение которого ожидается
приход очередного пакета. Обычно его размер составляет 20 мкс (±10
мкс), однако существуют несколько особых режимов: hold, sniff и park.
Первый из них означает, что узел полностью отключается от сети, в то
время как в состояниях sniff и park устройство периодически
"просыпается" и прослушивает эфир, сохраняя синхронизацию с
пиконет. Чтобы возобновить нормальную работу, узел должен
определить фреймовую структуру соединения, поэтому на момент
подключения размер поискового окна увеличивается до тех пор, пока
соседние окна не начнут перекрываться (вплоть до 2500 мкс или 3750
мкс).

38.

Bluetooth
Как только окна превышают длину стандартного цикла
приема/передачи (2 x 625 мкс = 1250 мкс), они начинают центрироваться
по середине каждого второго цикла. Если и этот барьер преодолен, то к
интервалу центрирования окон добавляется еще один период
приема/передачи. Помощь узлам в сохранении синхронизации оказывает
канал-"маяк" (beacon channel), или, говоря иными словами, сигнальный
канал мастера: через определенные промежутки времени ведущий узел
генерирует широковещательные пакеты, содержащие информацию для
временно неактивных узлов (например, извещение об изменении
параметров самого beacon channel). Если нет необходимости отсылать
данные, то используются пакеты формата NULL.
Состояния hold, sniff и park отличаются также и правилами адресации
устройства. Узел в режиме hold сохраняет за собой нормальный адрес в
пиконет, а в режиме park он получает два адреса: один позволяет мастеру
различать узлы, находящиеся в этом состоянии, и обращаться к ним,
второй же необходим, чтобы "запаркованный" узел мог самостоятельно
отослать запрос мастеру.

39.

Bluetooth
Следовательно, пакеты, отправляемые устройству в режиме park,
должны быть широковещательными, так как эти узлы лишены
собственного активного адреса.
Один из режимов установления или возобновления соединения
называется paging state. В таком состоянии мастер буквально
забрасывает эфир на всех частотах (hop frequencies) короткими IDпакетами, содержащими только код доступа устройства (device access
code). Поскольку пакеты невелики, в рамках одного временного
фрейма удается передавать два пакета на двух разных частотах.
Подчиненный узел в режиме paging также успевает прослушивать за
один интервал 625 мкс две частоты, ожидая появления своего кода.
Установление соединения осуществляется и с помощью запросов.
Запрашивающее устройство не сообщает никакой информации о себе
за исключением типа устройств, которые отвечают: все или только,
например, факсы.

40.

Bluetooth
Соответственно узел, желающий быть обнаруженным, должен
периодически (каждые 2,56 с) входить в состояние прослушивания
запросов (inquiry state). Чтобы высвободить ресурсы своего
передатчика, устройство может даже перевести в режим hold или park
свои асинхронные соединения. Синхронные коммуникации
продолжают осуществляться, и пакеты могут прерывать процесс
прослушивания.
После того как ведомое устройство было обнаружено
опрашивающим мастером и ответило пакетом FHS, информирующим
о состоянии его внутренних часов, адресе и прочих характеристиках,
ведущий узел генерирует пакет POLL, чтобы удостовериться в том,
что подчиненный узел правильно настроил параметры приема и в
состоянии получать данные. Подключаемое устройство может
ответить любым пакетом, но если ответ не пришел, мастер снова
переходит в состояние paging или inquiry.

41.

Bluetooth
Подчиненные узлы в пиконет работают в одном из двух
режимов: активном и "подслушивания" (sniff). Суть первого из них
очевидна, а другой представляет собой некое подобие состояния
сна в энергосберегающих технологиях. Устройство в режиме sniff
прослушивает эфир только в заранее определенные периоды
времени.
Режимы sniff, park и hold также необходимы для подключения
узлов сразу к нескольким пиконет. Чтобы подсоединиться к другой
сети, устройство может запросить для себя в текущей пиконет
режим park или hold. В случае состояния sniff узел имеет несколько
свободных временных слотов между прослушиваниями своей
основной пиконет, чтобы участвовать в обмене данными с другими
сетями.

42. Спасибо за внимание!

10