（信号与信息处理专业论文）蓝牙无线通信系统的hci和l2cap协议的分析与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 短距离无线通信在当今社会中的应用越来越广泛，蓝牙作为一种保密性 高、使用方便、功能强大、价格低廉的短距离无线通信方式，也越来越多的被 应用在各行各业。可以预计，蓝牙这种无线个人局域网的通信方式将会成为以 后人们工作和学习不可或缺的工具，如同现在移动电话在人们生活中所起的作 用一样。蓝牙技术作为一个全球统一的短距离无线通信标准，其目的就是要成 为通用的低功耗、低成本无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计 算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆互相连接的 情况下，能在近距离范围内具有互用、相互操作的性能。与i e e e 8 0 2 1 1 b 一样。 蓝牙也是使用2 4 g h z 频段的无线通信技术。目前可支持1 m b p s 的数据速率， 支持数据与语音业务。由s i g 所制定的蓝牙规范定义了开发解决方案所用到的 每个部分，分为核心规范和应用规范两部分。 本文首先介绍了蓝牙技术的国内外的发展概况，简述了蓝牙技术的主要特 点和应用，指出了开发蓝牙应用的目的和意义；然后以蓝牙规范1 1 版本为基 础，论述了蓝牙规范的完整框架和蓝牙协议栈的具体内容，对蓝牙的主机控制 器接口h c i 和逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p 进行了详细的介绍；针对主机控 制器接口h c i ，详细的介绍了指令分组、事件分组、数据分组的数据格式，并 对每种分组类型都给出了一个具体的实例，解析使用h c i 协议进行蓝牙设备的 初始化、查询其它设备、建立链接、数据传输、断开链接这样的一个过程，并 给出了软件流程图和h c i 一般通信流程的实例，对h c i 层协议在开发过程中容 易出错的地方进行了重点的说明；针对逻辑链路控制与适配协议l 2 c a p ，本文 详细的介绍了该层协议的四种功能和三种信道，四种功能即为协议复用、分段 与重组、服务质量信息的交换、组抽象；三种信道即为面向连接信道、无连接 信道、信令信道。针对l 2 c a p 的四种功能，本文阐述了在蓝牙通信过程中，这 四种的功能的作用，以及这四种功能是如何实现。针对l 2 c a p 的三种信道，本 文也给出了每种信道的数据包的格式，并对每种数据的里每个字段的要点进行 了分析。对主要的几种信令指令也进行了分析，并给出了具体的数据结构。最 后给出了实现l 2 c a p 协议的软件流程。 关键词：蓝牙，主机控制器接口，逻辑链路控制与适配协议 i i 茎坚垄王查堂堡主堂堡堕墨 a b s t r a c t a ss h o r t r a n g e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sa r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l y n o w a d a y s b l u e t o o t h ，w h i c ho w n s t h em e r i to f h i g hs e c u r i t y , i sa ni n e x p e n s i v ea n d e f f e c t i v es o l u t i o no ft h es h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s i ti sb e i n ga p p l i e di n m a n ya s p e c t so fd a i l y w o r ka n dl i f e i tc o u l db e a n t i c i p a t e dt h a tb l u e t o o t h w i l lb ea n i n e v i t a b l et o o lf o rp e o p l e s l i f e ，j u s t a st h em o b i l et e l e p h o n ea c t sn o w a sa t e l e c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，b l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g ye n s u r e sc o m m u n i c a t i o n c o m p a t i b i l i t yw o r l d w i d e ，i tp r o v i d e s a n o p e n s t a n d a r d o fw i r e l e s si n t e r f a c ea n d c o n t r o ls o f t w a r ew i t hal o w c o s t ，l o w p o w e rc o n s u m p t i o ns o l u t i o n w i t hi n d u s t r y w i d es u p p o r t ，b l u e t o o t hw i r e l e s st e c h n o l o g yf r e e y o u f r o mw i r e dc o n n e c t i o n s e n a b l i n g l i n k sb e t w e e nm o b i l e c o m p u t e r s ，m o b i l ep h o n e s ，p o r t a b l e h a n d h e l d d e v i c e s a n d c o n n e c t i v i t y t ot h ei n t e r n e t b l u e t o o t hu s e st h es a m e2 4 g h z f r e q u e n c yb a n da s8 0 2 1 l bd o e sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n i tc a nn o ws u p p o r t t h et r a n s m i s s i o ns p e e do f1 m b p sf o rd a t aa n dv o i c e t h eb l u e t o o t hs p e c i f i c a t i o n d e v e l o p e db ys i gd i f i n e s r u l e sf o ri m p l e m e n t a t i o nb l u e t o o t hi na l m o s ta l lt h e a s p e c t s i ti n c l u d e st w op a r t s ：c o r es p e c i f i c a t i o na n d p r o f i l e f i r s t l yt h ep a p e rm a k e s a s u r v e yo f t h ed e v e l o p m e n to fb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi n t h ei n t e r n a la n dt h ee x t e r n a l ，e x p l a i n sc h a r a c t o r i s t i ca n da p p l i c a t i o n so fb l u e t o o t h ， p o i n t s o u tt h e p u r p o s e a n d s i g n i f i c a n c e o f d e v e l o p i n g b l u e t o o t h a p p l i c a t i o n s e c o n d l y , b a s e do n t h es i gb l u e t o o t h s p e c i f i c a t i o nv e r s i o n l 1 ，i ta n a l y s e s t h e w h o l ef r a m w o r ko fs p e c i f i c a t i o no fb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dt h ec o n t e n t so ft h e b l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c k e x p a t i a t e st h eh o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( h c l ) a n dl o g i c a l l i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o n p r o t o c o l s p e c i f i c a t i o n ( l 2 c a p ) a b o u t h c i p r o t o c o l ，t h i sp a p e re x p a t i a t e s t h ef o r m a to ft h ec o m m a n d s ，e v e n t sa n dd a t a ，a n d p r o v i d e sap r a c t i c a li l l u s t r a t i o nf o re v e r yt y p e t h ep r o c e s so fi n i t i a l i z i n gb l u e t o o t h e q u i p m e n t ，i n q u i r i n g a n d r e q u e s t i n g c r e a t eac o n n e c t i o nt oo t h e rb l u e t o o t h e q u i p m e n t s ，d a t at r a n s m i s s i o na n dd i s c o n n e c t i o ni sa n a l y z e di nd e t a i l ，a t l a s ta u t h o r p r e s e n t sf l o wd i a g r a m o fs o f t w a r ea n dt h eg e n e r i c p r o c e s so fc o m m u n i c a t i o ni nt h e h c il a y e r a sf o rl 2 c a pl a y e r , t h i s p a p e re x p a t i a t e s f o u rf u n c t i o n sa n dt h r e e c h a n n e l s t h ef o u rf u n c t i o n sa r ep r o t o c o lm u l t i p l e x i n g ，s e g m e n t a t i o na n dr e a s s e m l l l 武汉理工大学硕士学位论文 b l y , q u a l i t yo fs e r v i c ea n dg r o u p s t h et h r e ec h a n n e l s a r ec o n n e c t i o n o r i e n t e d c h a n n e l c o n n e c t i o n l e s sc h a n n e la n ds i n g a lc h a n n e l a b o u tt h ef o u rf u n c t i o n so f l 2 c a p ，t h i sp a p e re x p a t i a t e st h e i ra c t i o n s ，a n dh o wt or e a l i z et h e m a b o u tt h r e e c h a n n e l so fl 2 c a p , t h i sp a p e re x p a t i a t e st h e i rd a t ap a c k e tf o r m a t t h i sp a p e ra l s o a n a l y s e ss e v e r a lm a i ns i n g l i n gc o m m a n d s ，a n dg i v e s t h e i rd a t as t r u c t u r e i nt h ee n d t h i sp a p e r p r e s e n t sf l o wd i a g r a m o fs o f t w a r eo fl 2 c a p l a y e r k e yw o r d ：b l u e t o o t h ，h o s t c o n t r o l l e r i n t e r f a c e ，l o g i c a l l i n kc o n t r o la n d a d a p t a t i o np r o t o c o l 1 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 蓝牙是蓝牙特殊利益集团( b l u e t o o t hs i g ) 1 9 9 8 年5 月提出的一种短距 离无线数据与语音通信的开放性全球规范。作为一种新的短距离无线通信技术 标准，蓝牙正在受到全球各界的广泛关注，已经成为当前人们讨论的一个热门 话题。以中世纪丹麦国王哈拉德布鲁图斯( h a l a db l u e t o o t h ) 的名字命名的 这项蓝牙技术。由爱立信、英特尔、i b m 、东芝、诺基亚等公司发起成立的蓝 牙s i g 采用了技术标准公开的策略来推广这项新技术取得相当的成功，蓝牙技 术已成为近年来发展最快的一项无线通信技术。到目前为止，世界蓝牙组织己 发展成为一个相当大的工业界高新技术标准化组织，它的9 名核心成员是由上 述5 家公司发起者再加上微软、摩托罗拉、朗讯和3 c o m 公司所组成，全球已 有上千家设备制造商成为它的成员。 1 1 蓝牙技术概论 蓝牙是一种低功耗的短距离无线技术，目的是取代现有的p c 、打印机、传 真机和移动电话等设备上的有线接口。主要优点是：可以随时随地用无线接口 来代替电缆连接；具有很强的移植性，可应用于多种通信场合，如w a p 、g s m 等，引入身份识别后可以灵活实现漫游：功耗低，对人体危害小；蓝牙集成电 路应用简单。成本低廉，实现容易，易于推广。 蓝牙技术工作在全球通用的2 4 g t zi s m ( 工业、科学、医学) 等频段，蓝 牙的数据传输速率为l m b s i ”。任意蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马 上就可以建立连接，无需用户进行任何设置，可以解释成“即插即用”。在无 线电环境非常复杂的情况下，其优势更加明显。 蓝牙技术的另一大优势是它应用了全球统一的频率设定，这就消除了“国 界”的障碍，而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。 另外，i s m 频段是对所有无线电系统开放的频段，因此使用其中的某个频 段都会遇到不可预测的干扰源，例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微 波炉等，都可能是干扰源。为此，蓝牙技术特别设计了快速确认和跳频方案以 确保链路稳定，与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更 短，这使得蓝牙技术系统比其他系统更加稳定。蓝牙1 o 规范己公布的主要技 武汉理：【大学硕士学位论文 术指标和系统参数如表1 1 所示。 表1 1 蓝牙技术指标和系统参数f 1 1 ( 7 1 工作频段i s m 频段：2 4 0 2 g h z 2 4 8 0 g h z 双工方式全双工，t d d 时分双工 业务类型支持电路交换和分组交换 数据速率 l m s 非同步信道速率非对称连接：7 2 1 k b s 、5 7 6 k b s ，对称连接：4 3 2 6 k b s 功率美国f c c 要求小于0 d b m ( 1 m w ) ，其他国家可扩展为1 0 0 m w 跳频频率数7 9 个频点m h z 跳频速率1 6 0 0 次秒 工作模式 p a r k ，h o l d s n i f f 数据连接方式同步面向连接链路( s c o ) 。异步无连接链路( a c l ) 纠错方式1 3 f e c - 2 3 f e c ，a r o 语音编码方式非线性p c m 和连续可变斜率增量调制c v s d 发射距离一般可大l o c m l o m ，增加功率情况下可达l o o m 蓝牙技术支持点对点和一点对多点的通信。蓝牙最基本的网络组成是匹克 网( p i c o n e t ) 。匹克网实际上是一种个人区域网，这是一种以个人区域( 即办 公室区域) 为应用环境的网络架构。几个匹克网可以被连接在一起，构成散射 网( s c a t t e r n e t ) ，每个匹克网靠跳频顺序识别【3 8 j 。蓝牙的网络托扑结构如图 1 1 所示。匹克网有主单元( m a s t e r ) 和从单元( s l a v e ) 构成。主设备单元 负责提供时钟同步信号和跳频序列，而从单元一般是受控同步的设备单元，并 受主设备单元的控制。在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。 一个匹克网一般只有1 个主单元，而从单元目前最多可以有7 个【8 】。 由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应 用领域，因而应用场合很普遍。蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好 的接口，从而保证一定的兼容性。蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短 距离通信场合。 2 武汉理工大学硕士学位论文 a b 0 主单元 0 从单元 图1 1 一个从单元的匹克网( a ) ，多个从单元的匹克网( b ) ，散射网( c ) 1 2 蓝牙与其它无线技术的比较 一、蓝牙与红外的比较 对于红外和蓝牙产品而言，数据交换都是它们的一项基本功能。事实上， 两种技术都能够支持很多相同的应用。但是这两种技术又各有所长，而且红外 和蓝牙之间正好还可以取长补短。 红外要求短距离和小角度( 不超过3 0 度) ，而且设备之间不能有阻隔物i 引， 而蓝牙没有这样的要求。蓝牙无线通信可毗穿透物体，并能在微网中实现多个 设备间相互通信，为交换数据提供了广泛的应用【”，而这些在红外看来是非常 困难甚至是不可能的。另外，采用红外技术实现数据同步时，则要求两个设备 都要保持静止一1 。 对于传送数据而言，红外在速率上的确胜过蓝牙，蓝牙1 1 规范里面，蓝 牙只能支持7 2 1 k b i t s 的数据速率( 注：在蓝牙2 0 版本规范里蓝牙可以达到 1 2 m b i t s ) ，而红外可以达到4 m b i t s ，甚至1 6 m b i t s 也已经得到批准【2 9 】。 二、蓝牙与其它无线技术的比较 8 0 2 1 1 家族谱8 0 2 1 l 是i e e e 最初制定的一个无线局域网标准，主要是用 于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端的无线接入，业务主要限于数 i j | ，o 武汉理工大学硕士学位论文 据存取，速率最高只能达到2 m b p s 。由于8 0 2 1 1 在速率和传输距离上都不能 满足人们的需要，因此，i e e e 小组又相继推出了8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 1 b 两个新 标准，三者之间技术上的主要差别在于m a c 子层和物理层【1 。 8 0 2 1l b 物理层支持5 5 m b p s 和l1 m b p s 两个新速率。8 0 2 1 l 标准在扩频时 是一个1 1 位调制芯片，而8 0 2 1 1 b 标准采用一种新的调制技术c c k 完成。 8 0 2 1 l b 使用动态速率漂移，可因环境变化，在1 1 m b p s 、5 5 m b p s 、2 m b p s 、1 m b p s 之间切换，且在2 m b p s 、1 m b p s 速率时与8 0 2 1 l 兼容。 8 0 2 1 l a 工作在5 g h z u n i i 频带，物理层速率可达5 4 m b s ，传输层可达 2 5 m b p s 。采用正交频分复用的独特扩频技术；可提供2 5 m b p s 的无线a t m 接口 和1 0 m b p s 的以太网无线帧结构接口，以及t d d t d m a 的空中接口；支持语音、 数据、图像业务；一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。但 是，芯片没有进入市场，设备昂贵、空中接力不好、点对点连接很不经济、不 适合小型设备1 。 蓝牙技术蓝牙( i e e e 8 0 2 1 5 ) 是一项最新标准，对于8 0 2 1 l 来说，它的 出现不是为了竞争而是相互补充。蓝牙比8 0 2 1 l 更具有移动性，比如，8 0 2 1 l 限制在办公室和校园内，蓝牙能把一个设备连接到l a n 和w a n ，甚至支持全球 漫游。此外，蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。但是蓝牙主要是点对 点的短距离无线发送技术，本质上要么是r f 要么是红外线。而且，蓝牙被设 计成低功耗、短距离、低宽带的应用，严格来讲，不算是真正的局域网技术。 家庭网络的h o m e r fh o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e s 0 2 1 1 与d e c t 的结合，旨在降低语音数据成本。h o m e r f 也采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频带，能同步支持4 条高质量语音信道。但目前h o m e r f 的传输速率只有l 2 m b p s ，f c c 建议增加到l o m b p s t “1 。 通过比较分析可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户 需求而制定的。有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济 性，局部最优不等于全局最优。因此。用户应视实际需求选择自己的标准。几 种无线技术的性能比较如表1 2 表l 一2 几种无线技术的性能比较 参数 8 0 2 1 18 0 2 1 1 b8 0 2 1 1 ah o m e r fb l u e t o o t h 频率 2 。4 g h z2 4 g h z5 6 h z2 4 6 h z2 4 g h z 带宽l 2 m b p s可达1 1 m b p s 可达5 4 m b p sl 2 m b p sl m b p s 距离 1 0 0 m1 0 0 m5 l o k m5 0 ml o 1 0 0 m 4 武汉理 = = 大学硕士学位论文 1 3 蓝牙技术的应用前景 蓝牙技术的应用十分广泛，目前主要的应用有：蓝牙与计算机相连，蓝牙 嵌入无绳电话，办公环境的数据共享，i n t e r n e t 接入，无线免提，资料同步， 影像传递，蓝牙技术还可以应用于键盘、鼠标、家庭网络、高速无线内部网络、 电子名片等方面。 在未来的生活和工作环境中，基于蓝牙技术的产品将会无处不在，蓝牙技 术的应用范围是如此之广，人们很难准确地说出它到底能有多少应用。正是因 为如此，蓝牙技术已成为当今世界上的投资热点。据统计，已有数以百亿美元 的资金投向了蓝牙芯片及产品开发，数以千计的厂家在全力以赴地开赴基于蓝 牙技术的产品，数以万计的工程师和技术人员热衷于蓝牙技术的研究和发展。 因此，我们可以说，蓝牙技术前途无量。当然，目前还不可以说此项技术已是 十全十美了，它仍然存在这样或那样的问题和缺陷，例如实用产品的面市有所 延迟等。但是，作为一个新的短距离无线通信技术的标准，特别是全球统一的、 公开的技术标准，能得到如此众多厂商，有如此众多的人力物力的投入，充分 说明其市场潜力之巨大，与此同时，也必将产生一种滚雪球的效应，任何问题 及障碍都将得到解决和征服。技术本身也会得到不断的完善，从而又将开拓更 加广阔的应用市场。现代信息社会已经走过了计算机的时代、互联网的时代， 人们处理信息传输信息的能力已大大增强，全球通信网络基础设施已初步形 成，知识经济也已初见端倪。现代信息社会的高级阶段，必将是处处有嵌入式 系统的智能化数字化的信息设备，社会的每一个成员、每一件智能化的设备都 能时时刻刻、随时随地、很方便地连在网络上，这样全球信息一体化就会跃升 到一个新的水平，网络经济就会释放出更加巨大的能量。而蓝牙技术就正在试 图将人们的这一梦想变成现实。蓝牙技术的定位就是现代通信网络的最好1 0 i d ， 它将会象一种无处不在、数字化的神经末梢样，把现有的各种网络终端设备， 各种信息化的设备在近距离内都能连接起来。不仅如此，正因为有了蓝牙技术， 人们还会发明创造出许多现在还没有的、新的网络终端及智能化的信息设备和 产品，并且会渗透到社会生活的各个角落。 发展具有自主产权的蓝牙基础协议平台及相关应用产品，对于我国在短距 离无线通信领域取得国际领先优势，对于信息家电、工业、医用、军用等国民 经济和国家安全领域均具有不可忽视的战略意义。我们抓住机遇，推广普及蓝 牙技术的应用，加速实现现代化。 武汉理： 大学硕十学位论文 1 4 课题任务和意义 蓝牙开发是个比较复杂的过程，除了复杂的硬件设计外，还有针对各种 应用模型的软件设计，为完成蓝牙的各种功能，软件的重要角色是不可替代的。 本文的主要研究目的是：以c s r 公司的蓝牙u s bd o n g l e 为硬件模块，以 u s b 为传输层，对蓝牙的h c i 和l 2 c a p 层的协议进行开发，实现基于l 2 c a p 层的a c l 数据包的发送和接收。 本文的具体工作祥述如下： 1 、本文首先介绍蓝牙协议的体系结构，对蓝牙技术的特点进行简要的介 绍。 2 、对基于蓝牙主机控制器接口h c l ，本文重点分析h c i 层的分组类型、 流量控制、u s b 传输层，并对每种分组类型的数据包格式进行剖析，给出一 个具体实现的数据包例子。提出h c i 层协议的软件实现流程框图，给出h c i 层通信的一般流程具体实例。 3 、对于l 2 c a p 层协议，本文重点的介绍了该层的四种功能、三种信道， 对于这四种功能的实现方式也进行了重点的介绍，给出了几种主要的信令的数 据结构，以及l 2 c a p 层协议的软件实现的方案。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章蓝牙协议体系 蓝牙作为一种短距离无线通信技术标准，实质内容是要建立通用的低功 耗、低成本无线空中接口及其控制软件的公开标准，使不同厂家生产的便携式 设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、相互 操作的功能。因此其协议成为这项技术的灵魂所在。本章以蓝牙规范1 1 版本 为基础，论述了蓝牙规范的完整框架。 2 1 蓝牙协议体系结构 蓝牙技术的一个主要目的是使符合该规范的各种设备能够互通，这就要求 本地设备和远端设备使用相同的协议。完整的蓝牙协议体系结构如图2 一l 所 示，显示了数据经过无线传输时，所有协议之间的相互关系。 整个协议体系大致可以分为三层，即底层硬件模块层、中阳j 协议层、高端 应用层，每一层还包含有一些具体的协议：在蓝牙协议栈中，不是所有的应用 都必须使用全部协议，可以只采用部分协议，利用特殊的服务来支持主要应用。 协议还可以有其它的相互关系，在某些应用中这种关系是有变化的。例如，如 需要控制链路管理器时，可以使用逻辑链路控制应用协议、二元电话控制规范 或链路管理协议。 这些协议又可以分为蓝牙专有协议和非专有协议，这样区分主要是在蓝牙 专有协议的基础上，尽可能地采用和借鉴现有的各种高层协议( 也就是非专有 协议) ，使得现有的各种应用能够移植到蓝牙上来如u d p t c p i p 等。而基带 协议( b b ) 、链路管理协议( l m p ) 、逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 、服务 发现协议( s d p ) 等都是蓝牙s i g 开发出来的，串行电路仿真协议( r f c o m m ) 和 二元电路控制规范( t c sb i n a r y ) 协议也是s i g 开发出来的，但是它们分别在 现存的e t s i t s 0 7 1 0 和i t ur c o m m e n d a t i o n q 9 3 l 协议基础上制定的【2 ”，上述 的蓝牙s i g 开发出来的协议以及蓝牙射频协议是绝大部分蓝牙设备都需要的 协议。选用协议则主要是各种已经广泛使用的高层协议，仅在需要的时候使用。 下面就对几个主要底层的蓝牙专有的协议作一个简单的介绍，对于主机控制器 接口( h c i ) 以及链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 是本课题研究的主要的内容， 所以在本章就不介绍，留在后面章节重点介绍。对于高层应用协议就请参考相 7 武汉理l 大学硕士学位论文 关的资料。 块 2 2 底层协议 r 。+ “。一 i 射频( r f ) 图2 1 蓝牙协议体系结构【1 】 2 2 1 基带协议( b a s e b a n dp r o t o c a i ) 一个蓝牙匹克网( p i c o n e t ) 中，只有一个蓝牙设备是主设备，它可以有7 个从设备，它们是由3 位的m a c 地址区分的。主设备的时钟和跳频序列用于同 一个匹克网中的从设备同步。多个独立的非同步的匹克网又可以形成分布式的 散射网，一个匹克网中的主从设备可以是另外一个匹克网中的主从设备，但 是各个匹克网通过不同的跳频序列来加以区分【1 1 。 蓝牙基带协议确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成匹克网。【7 l 蓝牙的射频系统使用跳频和扩频技术，其任一分组在指定的时隙通过指定的频 率进行发送，这靠使用查询( i n q u i r y ) 和呼叫( p a g e ) 进程来同步不同设备 间的传输跳频频率和时钟。 基带对应的基带数据分组提供两种不同的物理链路：同步面向连接( s c o ) 武汉理工大学硕士学位论文 和异步无连接( a c l ) ，其中a c l 可以在同一个射频系统中采用多路技术的方式 进行传输。a c l 只能传输数据分组：而s c o 既能传输语音分组，也能传输数据 分组。所有的语音和数据分组都附有不同级别的前向纠错( f e c ) 或循环冗余 校验( c r c ) 编码，并可进行加密，以保证可靠传输。另外，对于链路管理信 息和控制信息分布分配一个特殊的传输信道i “】。 包含话音数据的分组可以使不同的应用模型在一个或多个蓝牙设备上传 输。s c o 分组中的话音数据与基带有直接通路，而不需要通过l 2 c a p 。话音模 型在蓝牙规范中相对简单，任意两个蓝牙设备仅通过开通一条话音链路，就可 以相互发送和接收话音数据【2 8 l 。 2 2 2 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议不但负责蓝牙各设备间的链路的建立和控制，还用于安全方 面的鉴权和加密；另外，还可以控制无线部分的能量模式和工作周期、匹克网 内的个设备的连接状态。 每个设备上的链路管理器( l m ) 利用l m p 协商彼此之问的蓝牙空中接口 的特性。其中包括带宽的分配，设备间的协商确定基带数据分组的大小，通过 支持适配协议数据业务所需要的服务级以及保留的周期性带宽，来支持话音通 信业务【4 j 。通信设备上的蓝牙l m p 利用“竞争一响应”的方式对设备进行鉴 权，产生、交换、核实链路和加密连接密钥，以进行身份认证和加密等安全措 施。在必要时，对l m 监控设备的配对和对设备之间空中接口上的数据流加密， 其中配对是通过产生和存储连接密钥来建立起设备之间的相互信任关系，为以 后的设备鉴权做准备。如果鉴权失败，l m 将切断设备间的链路，以禁止设备 间的任何通信。l m 还支持能量控制，通过交换彼此间的参数信息( 例如低活 动性基带模式的周期) 来协商低活动性基带运行方式，从而控制功耗【”。 接收端的链路管理器对l i m p 消息进行过滤和解释，从而它们不会向上层 传递。因为l m p 消息的优先权大于用户数据，所以如果一个链路管理器需要 发送一条消息，不会被l 2 c a p 话务延迟。另外，逻辑信道通过了一个可靠的 链路，所以使得l m p 消息不需要被普遍公认n 2 3 中间层协议 2 3 1 服务发现协议( s d p ) 服务发现协议( s d p ) 是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它是所有应 9 武汉理工大学硕士学位论文 用模型的基础。任一蓝牙应用模型的实现都是利用某些服务的结果。在设备之 间组网的基本动机就是使这些设备相互通信，并且获得彼此的服务。多数情况 下传统网络的客户机通过一些静态设置确定这些网络业务的位置，如以太网通 过服务器在网络中提供文件传输、打印、命名、网桥和网关服务，供客户机使 用【6 】。客户机的设置是由系统管理员建立并维护的，而对于蓝牙无线通信来说， 建立在蓝牙链路上的任何两个或多个设备随时都有可能开始通信，仅仅是静态 设置是不够的。如果这些设各要能够相互利用彼此间的业务，就需要确定这些 业务位置的动态方式。一旦建立起一条通信信道，就能找到需要的业务。这就 是蓝牙服务发现协议的功能。 使用s d p ，可以查询到设备信息、服务和服务类型。在对邻近的可获得的服 务定位以后，蓝牙设备之间才能建立连接。s d p 是在动态网络中发觉终端用户 使用价值的重要环节1 9 j 。蓝牙s d p 是专门为使用蓝牙无线通信环境设计的，以 有效和优化的方式执行该项功能。s d p 支持三种查询方式：按服务类别搜寻、 按服务属性搜寻和业务浏览。 2 3 2 替代电缆协议( r f c o m m ) 串口是今天在计算机终端和通信终端设备上最常用的通信接口之一。大多数 的串行通信都具有一条电缆，在串口之间传输数据。蓝牙无线通信的目标是替 代电缆，支持串行通信及其相关应用是电缆替代使用模型的重要特征。其中， 对等的文件和对象传输、数据同步和拨号上网就是使用串行通信( 并与电缆有 关) 的常用应用示例。 为了便于蓝牙无线链路在串行通信中的使用，蓝牙协议栈定义了被称为替 代电缆协议( r f c o m m ) 的串口仿真协议。r f c o m m 表示的是一个虚拟串口， 它将很容易地实现有具有电缆的串行通信应用模型向无线串行通信领域的转 移。而r f c o m m 的应用类似于标准的有线串口所能实现的应用1 4 j ，例如同步、 拨号上网及其他不需要做重大改动的应用。因此r f c o m m 协议的内容就是使 那些遗留的、基于串口的应用使用蓝牙传输方式。 r f c o m m 是基于欧洲电信联盟技术标准e t s l 0 7 1 0 规范的串口仿真协议， 此标准还用于g s m 通信设备，此标准定义了在一条串行链路上的多路复用串 行通信【引。r f c o m m 协议在l 2 c a p 协议上提供r s 。2 3 2 串口仿真【“。这个“替 代电缆”的协议在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为使用串行 线传送机制的上层协议( 如o b e x ) 提供服务。r f c o m m 支持使用设备串口 的应用，因为串行通信在数字设备中的使用相当普遍，所以r f c o m m 提供的 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 串口功能使之成为协议栈的重要组成部分。 2 3 3 电话控制协议( t c s ) 电话控制协议( t c s ) 包括二进制电话控制( t c sb i n ) 协议和一套电话控制 命令( a tc o m m a n d s ) 。其中，t c sb i n 定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼 叫所需的呼叫控制信令；a tc o m m a n d s 则是一套可在多使用模式下用于控制移 动电话和调制解调器的命令，它由蓝牙s i g 组在i t u - tq 9 3 1 的基础上开发而 成【”。 蓝牙无线通信的一个主要特点就是既能传输数据通信信号，又能传输语音 通信信号。蓝牙电话控制协议( t c s ) 层的设计支持电话功能，包括呼叫控制 和分组管理，这些操作通常与语音呼叫有关，其中这些呼叫的参数就是使用 t c s 建立的：一旦呼叫建立成功，蓝牙音频信道就能运载呼叫的语音内容。t c s 同样可以用来建立数据呼叫，以拨号上网的应用模板为例，呼口u 的内容在l 2 c a p 上以标准数据包形式运载【2 6 】。 t c s 协议与国际电信联合会一电信q 9 3 1 规范一致。因为它们都使用的是二 进制的编码，这些协议在规范里也被称为- - - - 5 电话控制协议。二元电话控制协 议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制命令， 还定义了处理蓝牙t c s 设备群的移动管理进程。 2 4 高端层应用协议 2 4 1 点对点协议( p p p ) 蓝牙规范使用i e t f ( i n t e r n e te n g i n e e r j n gt a s kf o r c e ) 制定的点到点协 议( p p p ) 。蓝牙技术中，它运行于r f c o m m 之上，完成点对点的连接。这个标 准定义了i p 数据报如何在串行点到点链路上传输。如果使用一个调制解调器 在拨号的基础上、或在一条专用链路上使用路由器成功的接入互联网，则可以 使用这些链路。数据包是篱单的数据单元，以尽力而为的原则在链路上传输1 1 l 。 p p p 有三个主要的成分。 ( 1 ) 封装 p p p 提供在串口链路上封装数据报的方法。它提供封装协议，对面向比特 的同步链路和非同步链路进行8 比特的数据封装，不包含奇偶校验。这些链路 是全双工的。p p p 使用高层数据链路控制协议作为封装的基础。p p p 封装还适 用于同时在一条链路上使用不同网络层协议的多路技术。它为不同的主机、网 武汉理工大学硕士学位论文 桥和路由器之间的连接提供了一个公共解决方案【1 4 】。 ( 2 ) 链路控制协议 p p p 提供链路控制协议( l c p ) 以确保在不同环境中的可移植性。l c p 用 于自动约定可选的封装格式，限制不同分组的大小，在链路上对对等设备的一 致性进行鉴权，确定链路的运行和关闭，检测循环错误和其它常见结构错误以 及终止链路。 ( 3 ) 网络控制协议 点到点链路会导致网络协议的许多问题恶化。例如，在l a n 环境中，对 于电路交换中象拨号调制解调服务器之类的点到点链路、i p 地址的分配和管 理尤其困难。这些问题由一系列网络控制协议处理，通过他们各自的网络层协 议对特殊要求进行管理【1 5 】。 在蓝牙无线网络中，p p p 在r f c o m m 上运行，例如在一个移动设备和一个 l a n 接入点之间实现点到点串1 3 链路。p p p 网络是把p p p 数据包从p p p 层取得 或向p p p 层发送，并将它们放入l a n ，例如使得用户可以接收公共电子邮件。 2 4 2 t c p u d p lp 用户数据报协议传输控制协议互联网协议( u d p t c p i p ) 都是由i e t f 制 定的，目前是最广泛被使用的协议。在蓝牙设备中使用这些协议，是为了与互 联网连接的设备进行通信。 拨号上网使a t 命令层与一个网络建立连接。多少情况下，使用互联网协议 可以访问的网络为i p 网。笔记本电脑或手提电脑等设备一旦与一个i p 网之间 建立连接，就可以使用标准的互联网协议( t c p ，u d p ，h t t p 等) 发起网络连接， 与该互联网相互作用l l ”。 ( 1 ) 、传输控制协议( t c p ) 传输控制协议( t c p ) 是一个面向连接、端到端的可靠协议，适于支持多网 络应用的分层结构。t c p 前向数据以i p 数据报或分组的形式传送到接收端主 机。在其它情况下，t c p 定义了进程，将数据流分组，在接收端将它们以适当 的顺序进行重组，还原成原始数据。由于分组选用不同的路径通过互联网到达 终点，所以到达的时间和顺序都不一样，但所有的分组都暂时存储起来，直到 最后的分组到达，才对它们进行重组。如果分组到达被破坏，它将被抛弃，并 且对发送端发送一个重发请求。 ( 2 ) 、用户数据报协议( u d p ) 和t c p 的可靠传输相比，用户数据报协议( u d p ) 在向i p 传输个人信息时 武汉理：【大学硕士学位论文 仅使用“尽力而为”的传输方式，业务i p 不是非常可靠的，所以不能保证传 输。然而，u d p 对于某些如快速数据库查询之类的通信非常有用。例如，域名 系统( d n s ) 组成一系列分配的数据库，对简单语言域名和它们的i p 地址提供 传输服务。对于应用程序和这些网络资源，u d p 已经足够了【1 4 】。 ( 3 ) 、互联网协议( i p ) 互联网协议i p 在不同网络间通过路由器，从一个自动系统向另一个自动 系统传输数据报。在自动系统中的每一个设备有单独的i p 地址。i p 自己添加 分组头和校验位，从而保证数据正确发送1 1 5 。这个过程在路径更新消息的辅助 下，维持当前的每个地址表。通过收集涉及域名管理的子网，使用许多不同类 型的更新消息。在子网节点和路径之间的节点上路由表列表是不同的。如果数 据分组太大，以至于终点节点不能够接收，它将有高层t c p 分割成小的分组。 通过蓝牙规范使得这些标准的实现，允许其它任何蓝牙设备与互联网连 接。蓝牙设备，不论是蜂窝耳机还是l a ni p ，都被作为接入互联网的网桥。 t c p ，i p 和p p p 用于所有互联网使用的情形，并且在蓝牙规范将来的版本将用 于o b e x 。u d p ，i p 和p p p 还可以用于无线应用协议( w a p ) 的传输。 2 4 3 对象交换协议( o b e x ) 对象交换协议( o b e x ) 是i r o b e x 的简写，是由红外数据协会( i r d h ) 制 订的会话层协议，采用简单和自发的方式来交换对象。它提供的基本功能类似 于h t t p ，在假定传输层可靠的基础上，采用客户机一服务器模式，而独立于 传输机制和传输应用程序接口( a p i ) 1 1 】。另外，o