（通信与信息系统专业论文）采用面向对象的方法分析和设计蓝牙obex协议.pdf

摘要 蓝牙技术是一种低功耗、短距离、成本比较低、近年来发展迅速的无线通信 的开放性规范。它主要用于便携式设备之问的连接，用于替代电缆。它能提供语 音和数据的短距离传输，能够在移动电话、p i ) a 、便携电脑、打印机和网关等数字 设备之间建立无线网络，是使这些设备组成“个人局域网络”的一种无线技术。 i r d a ( i n f r a r e d d a t a a s s o e i a t i o n ，红外数据协会) 定义的i 帕b e x 协议，简称 为o b e x 协议。它是一种紧凑和高效的二进制协议，是类似于i n t e m e t 网中的h t t p 协议的应用协议。它使得多种设备之间能够以简单的方式交换数据。目前，它的 应用已经不再局限于红外领域，蓝牙s i g 采纳该协议作为蓝牙技术中的应用层协 议，使得基于o b e x 协议的应用程序能够方便地使用蓝牙技术或红外传输技术进 行通信。 面向对象是近2 0 年软件领域最为关注的技术之一，面向对象技术是一种按照 人们对现实世界习惯的认识方法和思维方式来模拟现实世界的方法学。它为信息 系统的分析和设计提供了一种全新的方法。 本文首先对数据通信网的协议分层原理以及蓝牙协议栈和蓝牙应用框架作了 概括。对o b e x 协议进行了简单的介绍，并对o b e x 协议在蓝牙协议中的映射和 应用作了说明。 之后的章节介绍了面向对象的软件分析和设计方法中的一些概念，对软件系 统建模过程中使用的工具语言u m l 进行了介绍。对u m l 中的，从不同视角观察 系统，并对系统进行描述的各种图形作了说明。 在最后的章节中介绍了如何根据o b e x 协议在蓝牙协议栈中的位置和o b e x 应用的模型而设计的o b e x 协议的软件结构。并在这个软件结构基础之上，按照 各个软件模块的功能和特点设计了相应的类。同时对各个类的功能、有关类的状 态迁移图和消息交互的顺序图作了说明。 关键诃：蓝牙；蓝牙协议栈；o b e x 协议：通用对象交换应用框架 a b s t r a c 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 yi s o p e ns p e c i f i c a t i o nf u ral o w - p o w e r ，l o w - c o s t ，s h o r t - r a n g e r a d i ot e c h n o l o g yw i t hr a p i dg r o w i n gi nr e c e n ty e a r s i ti sm a i n l yu s e da sl i n kb e t w e e np o r t a b l e d e v i c e si np l a c eo f c a b l e s ，a n dc a nd e l i v e rt h es h o r t - r a n g et r a n s m i s s i o no f v o i c ea n dd a t a i tm a k e s w i r e l e s sn e t w o r k i n gp o s s i b l ea m o n gt h o s ed i g i t a ld e v i c e ss u c h m o b i l ep h o n e s ，p d a s ，a n d p o r t a b l ec o m p u t e r s , p r i n t e r s ，a n dn e t w o r kg a t e w a y s i ti s aw i r e l e s st e c h n o l o g yt h a tb yw h i c ht h e d e v i c e sa r ec o m p o s e do f p e r s o n a ll o c a la r e an e t w o r k ” 1 r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) d e f i n e dap r o t o c o lt os e n da na r b i t r a r y t h i n g ”，o rd a t ao b j e c t , f r o mo f l ed e v i c et oa n o t h e r , i sr e f e r r e dt o l r o b e x ( i r d ao b j e c te x c h a n g e o b e xf u rs h o r t ) i ti s ac o m p a c t , h i g h l ye f f i c i e n t ，b i n a r yp r o t o c o lt h a te n a b l e saw i d er a n g eo fd e v i c e st oe x c h a n g ed a t a i nas i m p l ea n ds p o n t a n e o u sm a n n e r o b e xp e r f o r m saf u n c t i o ns i m i l a rt oh 1 1 甲am a j o rp r o t o c o l u n d e r l y i n gt h ew o r l dw i d ew e b c u r r e n t l y , o b e xp r o t o c o l i sn ol o n g e rc o n f i n e d 幻t h e a p p l i c a t i o no fi n f r a r e df i e l d b l u e t o o t hs 1 gh a sa d o p t e dt h i sp r o t o c o l ab h i e t o o t h sp r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e r i tm a k et h ea p p l i c a t i o ne a s i l yt ou s eb l u e t o o t ho r i n f r a r e dt r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g yf u rc o m m u n i c a t i o nw i t ht h eo b e xp r o t o c 0 1 o b j e c t - o r i e n t e di sm o s tc o n c e r n e dw i t hi nt h es o f t w a r et e c h n i c a lf i e l d sf u rn e a r l y2 0y e a r s o b j a c t - o r i e n t e dt e c h n o l o g yi sm e t h o d o l o g yt h a tw er e a l i z et h er e a lw o r l di na c c o r d a n c ew i t ht h e n o r m a lm a n n e rw eu s u a l l yl i k e d i tp r o v i d e su san e wa p p r o a c hf u rt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fa i n f o r m a t i o ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , w ef i r s t l ys u m m a r i z e dp r i n c i p l eo ft h ep r o t o c o lc o u l dd i v i d e di n t ol a y e r so v e ra d a t ac o m m u n i c a f t o nn e t w o r k , a n dt h e ni n t r o d u c e dt h eb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c ka n db l u e t o o t h p r o f i l e s a n d t h e n w e m a d ea b r i e f i n t r o d u c t i o n t o t h e o b e xp r o t o c 0 1 i nt h ea f t e rc h a p t e r , s o m ec o n c e p t sa b o u tt h eo b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g no fs o f t w a r e w e r ei n t r o d u c e d , a n dh o wt ou t h eu m lt om o d e las o r w a r es y s t e m t h e n t h o s ed i a g r a m so f u m ld e s c r i b e das y s t e mf r o md i f f e r e n tp e r s p e c t i v e sw e r ee x p l a i n e d i nt h ef i n a lc h a p t e r , w ei n t r o d u c e dh o wt od e s i g nas t r u c t u r eo fo b e xp r o t o c o ls o f t w a r ei n a c c o r dw i t ht h el o c a t i o nt h eo b e xi nt h eb l u c t o o t hp r o t o c o ls t a c ka n do b e x p r o f i l em o d e l a n d o nt h eb a s i so ft l l i ss o f t w a r es t r u c t u r e i na c c o r d a n c ew i t ht h ef u n c t i o i i sa n df e a t u r e so fe a c h s o f t w a r em o d u l e s ，t h ec o r r e s p o n d i n gc l a s s e sw e r ed e s i g n e d m e a n w h i l e ，t h ef u n c t i o n so f e a c hc l a s s a t ee x p l a i n e d ，a n dt h e nw ee x p l a i n e dh o wt ou s es e q u e n c ed i a g r a mt od e s c r i b et h ei n t e r a c t i o nw i t h t h er e l a t e dc l a s s e sa n dh o wt ou s et h es t a t e c h a r td i a g r a mt od e s c r i b et i l es t a t ec h a n g e s k e y w o r d a ：b l u e t o o t h ；b l u c t o o t hp r o t o c o ls t a c k ；o b e xp r o t o c o l ；g o e p 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 型盔翌 日期：鲨望：主：! 圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 第1 章绪论 1 1 蓝牙技术概述 1 1 1 蓝牙技术的产生背景 第1 章绪论 人类需求是无止境的，这种无止境的需求推动着技术的不断发展。人们对计 算机运算能力和存储空间的需求是计算机技术以“摩尔定律”的速率不断发展， 在运算能力和容量上得到一定满足的时候，就开始追求设备的小型化和便携性能。 蓝牙就是人们这种需求和追求的结果。便携数字设备现在已经成为人们日常生活 和办公的必需品，这些设备包括诸如笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、计算机 外设、移动电话和客户电子产品等。这些设备具有较强的处理能力和较大的存储 空间，从而形成了一个个人操作空间。如果这些设备仍然依赖电缆的连接，在使 用上会十分不便。蓝牙就是为了满足人们在个人操作空间的无线互联而设计的， 它使用跳频技术使处于个人操作空间的设备形成一个无线个人区域网络，真正实 现设备之间可移动的、自动的互联。蓝牙已经成为个人区域网络和短距离无线网 络的标准。 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司。1 9 9 4 年，爱立信移动通信公司 ( e r i c s s o nm o b i l e ) 开始研究在移动电话及其附件之间实现低功耗、低成本无线接口 的可行性。爱立信公司意识到短距无线通信应用f i 景无限广阔，将这项新的无线 通信技术以l o 世纪丹麦国王h a r a l db l u e t o o t h 的名字命名，这位一千多年前的丹 麦国王为处于四分五裂的北欧地区的统一建立了不朽的功勋，爱立信为这种全球 通用的无线技术命此名，或许是希望蓝牙技术在无线通信领域大有作为。 1 9 9 8 年，爱立信联合诺基亚、英特尔、i b m 和东芝4 家公司一起成立了蓝牙 特殊利益集 ( s p e c i a li n t e r e s tg r o u p ，s i g ) ，负责蓝牙技术标准的制定、产品测试 和协调各国蓝牙的具体使用。3 c o m 、朗讯、微软和摩托罗拉随后加盟s i g ，成 为s i g 的九个倡导发起者，他们在所有会员中的地位最高，主要任务是制定规范 和市场项目的开发。合作会员是一种付费的会员，他们具有访问各种早期规范草 案的权利，另外这些会员可以是蓝牙工作组、蓝牙结构检查委员会和其他s i g 组 的成员。接受成员是一种无付费的成员，只需要签订一个接受蓝牙规范的协议， 保证开发的产品符合蓝牙规范的要求，在通过蓝牙认证过程后，就能够访问蓝牙 草案规范版本。 s i g 着眼于全球的发展和应用，将蓝牙技术标准完全公开，1 9 9 9 年7 月公布 了蓝牙规范1 0 版；1 9 9 9 年1 2 月公布了蓝牙规范1 0 b 版；2 0 0 1 年4 月公布了蓝 牙规范1 1 版，更新了旧版中存在的问题，同时对兼容性做了更高的要求；2 0 0 3 采用面向对象的方法分析和醍计蓝牙o b e x 协议 年1 1 月公布了蓝牙规范1 2 版采用了增强型定向同步连接e s c o 技术以确保话 音或音频传输的任何郁分不会因数据包传输的错误而丢失，同时利用自适应跳频 技术a f h ( a d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n g ) 迸一步减少自扰及对其它无线传输技术间 的干扰；2 0 0 4 年1 1 月s i g 又公布了蓝牙规范2 0 皈，使用可选的蓝牙e d r 技术 可将蓝牙传输速率从l m b p s 提高到3 m b p s ，并进一步地降低了功耗，同时它完整 地考虑了与以前规范的兼容性。 随着蓝牙规范版本的升级，蓝牙的传输速率和质量不断提升，其功能和应用 也不断完善和丰富，而蓝牙的市场也随之不断扩展，己形成含苞待放之势，引起 各方驻足关注。 1 1 2 蓝牙技术的特点 蓝牙无线技术是一种低功耗、短距离、双向无线通讯的全球规范。它的设立 是为取代各种数字设备的有线电缆连接，实现“全球性互联”的概念。蓝牙的工 作频段为全球统一开放的2 4 g h z 工业、科学和医学( i n d u s t r i a l ，s c i e n t i f i ca n d m e d i c a l ，i s m ) 频段。由于蓝牙体积小功耗低，其应用已不局限于计算机外设， 几乎可以被集成到任何数字设备中而装备蓝牙无线技术功能的设备之间可以实 现无缝互操作。一个微型的蓝牙模块可以嵌入到任何电子设备中，使得产品可以 直接通信或通过完善的全球网络通信。蓝牙无线技术使得数据、图像、声音、视 频和远程遥控指令可以无线地传输到世界任何地方。蓝牙把用户从线缆的束缚中 解放出来，超越了需要依赖其他技术实现无线通讯的传统观念。 蓝牙技术的特点可归纳为如下几点： ( 1 ) 全球范围适用：蓝牙工作在2 4 0 h z 的1 s m 频段，全球大多数国家i s m 频段的范围是2 4 到2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无需向各国的无线电资源管理部门 申请许可证。 ( 2 ) 语音数据都可以传输：蓝牙采用电路交换和分组交换技术，支持异步数 据信道和同步语音信道。异步数据和同步数据可蛆同时传输，每个语音信道数据 速率为6 4 k b p s ，语音信号编码可采用p c m 或是c v s d 编码。蓝牙有两种链路类 型：异步无连接( a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n - l e s s ，a c l ) 链路和同步面向连接 ( s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n - o r i e n t e d ，s c o ) 链路。a c l 链路支持对称或非对称、 分组交换和多点连接，主要用于数据传输，但也可以传输语音数据：s c o 链路支 持对称、电路交换和点到点连接，适用于传输语音。 ( 3 ) 可以建立l 临时的对等连接：根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设 备( m a s t e r ) 和从设备( s l a v e ) 。主设备是组网连接时主动发起连接的蓝牙设备， 而连接相应方则为从设备。几个蓝牙设备连接成一个微微网( p i c o n e t ) 时，其中 第1 章绪论 只有一个主设备，其余的都是从设备。微微网是蓝牙最基本的组网形式，最简单 的微微网是一个主设备和一个从设备之白j 的点对点连接。多个微微网在时间和空 间上互相重叠可构成更加复杂的网络拓扑结构，称为散射网( s c a r e m e t ) 。散射网 中的蓝牙设备既可以是一个微微网的从设备，也可以是另一个微微网的主设备。 每个微微网的调频序列各自独立，互不相关，同一个微微网的所有跳频序列同步。 通过时分复用技术，一个蓝牙设备可以同时与几个不同的微微网保持同步，即该 设备按照一定的时间顺序参与不同的微微网，在某一时刻时参与一个微微网，而 下一时刻参与另一个微微网。 ( 4 ) 具有良好的抗干扰性：在i s m 频段上工作的无线电设备有很多种，如 家用微波炉、无线局域网、h o m e r f 等产品，为了抵抗这些设备带来的干扰，蓝 牙采用了跳频技术( f r e q u e n c yh o p p i n g ) ，这种技术将2 4 0 2 2 4 8 g h z 频段分成 7 9 个频点，相邻频点间隔1 m h z 。蓝牙设备在某个频点发送数据之后，在跳到另 一个频点发送，而频点的排列顺序是伪随机的，每秒钟频率改变1 6 0 0 次，每个频 率持续6 2 5 ps 。 ( 5 ) 便于集成：蓝牙模块体积很小，可以方便地集成到各种设备中。 ( 6 ) 低功耗：蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式激活( a c t i v e ) 模式、呼吸( s l l i f r ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式。a c t i v e 模式 是正常的工作状态，其它三种是节能工作状态。在s n i f f 状态，从节点降低了从微 微网接收消息的速率，时醒时睡，就像呼吸一样。在h o l d 状态中，节点停止传送 数据，一旦激活，数据传递会立即重新歼始。在p a r k 状态中，节点有不需要加入 一个微微网但希望保持信道同步，这时，节点放弃激活成员地址a ma d d r ，使 用休眠成员地址p ma d d r 和接入请求地址a ra d d r ，并以一定间隔监听主节 点的消息。主节点的消息可能是：询问该节点是否想成为活动节点；询问任何休 眠的节点是否想成为活动节点以及广播消息。这几种节能工作状态按照节能效率 以升序排依次是：s n i f f 模式、h o l d 模式和p a r k 模式。响应速度则是s l l i f f 模式最 快，p a r k 模式最慢。 ( 7 ) 接口标准开放：s i g 为了推广蓝牙技术的使用，将蓝牙的技术标准全部 公开，世界范围的任何单位和个人都可以进行蓝牙产品的开发，只需要最终通过 s i g 的蓝牙产品兼容性测试，就可以推向市场。 ( 8 ) 成本低：集成蓝牙技术的产品成本增加很少，蓝牙产品刚刚面世时，价 格昂贵，随着市场的发展，技术的进步，蓝牙芯片价格会不断降低。2 0 0 1 年蓝牙 芯片的成本是1 3 美元，到2 0 0 5 年蓝牙芯片的成本已经跌到4 美元。而据市场调 研公司a b ir e s e a r c h 预计，2 0 0 6 年，蓝牙适配器市场将增长7 1 ，出货量将达到 5 亿件。目前，有些量产的蓝牙芯片价格已不到l 美元。 4 采用面向对象的方法分折和设计蓝牙o b e x 协议 1 1 3 蓝牙技术的发展现状 蓝牙技术推出已有8 年，每年国际通信展上都有新的蓝牙产品展出。1 9 9 9 年， 全球曾经历了蓝牙热潮，但由于受芯片价格高，厂商支持力度不够、传输距离限 制及抗干扰能力差等问题的困扰，尤其是同为无线技术标准的8 0 2 1 l b ，不需将固 定线路连接就能应用，且没有距离限制，让人觉得比蓝牙“更有用”。 目前w l a n 正在快速兴起，台湾制造者在全球w l a n 的出货量及市场占有 率皆名列第一，未来几年仍将维持高速成长的态势，吸引全球的网络通讯厂、个 人电脑大厂及i c 设计业者争褶投入，战况激烈。w l a n 定位相当清楚，主打高 速上网，除企业市场外，零售消费及公共场所等，都可以经由w l a n 的架构，提 供无线上网的环境，反观蓝牙技术，因为缺乏杀手级的应用( 能带动其它应用的 应用) ，加上传输速率又高不成、低不就，使得市场一直无法起飞，并造成雷声大、 雨点小的窘境。 其实，全球蓝牙技术和产品研发的脚步从来就没放缓。在软件业称雄的微软， 在中国卖的第一批硬件产品就是蓝牙键盘、鼠标和游戏盘；另外，现在在台式机 的主板中，已预留了蓝牙接口蓝牙技术己得到越来越多厂商的关注。关于蓝牙 和无线局域网，虽然二者的应用领域有部分重叠，但各自的侧重点完全不同。无 线局域网适用于远距离l a n ，发展空间不大；而蓝牙适宜于近距离的个人微网， 可将蓝牙芯片嵌入手表、手机、耳机等一切电子产品中尤其适合在人多、密集 型地区发展，整体发展的空问很大。1 0 1 0 0 米的传输距离，不是阻碍蓝牙发展的 障碍。有人戏称，“无线是大刀长矛，蓝牙是短枪匕首”，只是二者的用途不同而 已。 很多人质疑蓝牙产品的稳定性，认为其处于免费频段，易受来自微波和医疗 设备的干扰，然而，蓝牙产品的抗干扰能力远远大于同处2 4 g 频段的无线产品。 另外，无线局域网不支持语音传输，而蓝牙可实时支持数据和语音传输。蓝牙作 为一种新技术，由于应用领域趵拓宽，需要更多的企业投入更多的人力、物力开 发出好的产品，由于受全球经济增长放缓的影响，企业投资谨慎，某种程度上制 约了蓝牙的发展，蓝牙期待着新的突破。 目前，美国电机电子工程学会( i e e e ) ，已重新将蓝牙划成二个新标准，以重 振蓝牙。i e e e 将蓝牙即8 0 2 1 5 ，i 标准，划分为8 0 2 1 5 3 及8 0 2 1 5 4 二个新标准。 8 0 2 1 5 3 又称为u w b ，是属于高传输速率的标准，传输速率高达1 0 0 m b p s 。至于 8 0 2 1 5 4 ，又称为z i g b e e ，是属于低传输速率的标准，传输速率只有1 0 0 k b p s ，适 用在无线鼠标或无线键盘等领域，i e e e 希望将蓝牙划分为高、低二个掰标准，让 蓝牙的技术发展及应用领域更明确，以挽救蓝牙的未来发展。 第1 章绪论 1 i 4 蓝牙的市场前景 蓝牙的市场前景取决于蓝牙的价格和蓝牙的应用是否能够成规模。蓝牙定位 应该是体积小、成本低、能耗小、调速快的单芯片，只有低廉的价格才能在现有 的通信产品、家电产品和办公产品中引入蓝牙技术。虽然目前定义了不少蓝牙的 应用，但多是对传统应用的适配和改进，真正基于蓝牙特性的应用还很少，这也 是影响蓝牙市场的重要因素。 但是随着蓝牙技术在手机上的应用的影响，蓝牙无线技术的市场平均认知度 已大幅飙升。目前在手机的数据传输技术主要有三种：红外传输、蓝牙传输和u s b 传输。u s b 是有线连接方式，在传输速度上有优势，而红外线和蓝牙技术同是短 距离无线通信，蓝牙的传输速度和传输距离都明显优于红外技术，据赛迪顾问的 数据统计显示，2 0 0 5 年中国蓝牙手机销量达到手机市场的9 9 6 ，而2 0 0 6 年前8 个月，蓝牙手机销量已经超过1 0 0 0 力达到1 6 0 1 7 万部，市场分额达到2 2 0 1 ， 其中每5 部手机中就有一部具有蓝牙功能。 编 s i g 连续第三年委托市场研究机构m i l l w a r db r o w n 进行独立调查，了解消费 者对蓝牙无线技术的认知和应用状况。从受访的同本、美国、英国和德国的消费 者中显示，消费者对蓝牙技术的平均认知度由2 0 0 4 年的6 0 上升到了今年( 2 0 0 6 年) 的7 3 。受访的消费者也明白该技术可应用到不同类型的设备上，不再限制 于手机和无线耳机这类基础应用。他们对全新的应用如游戏、网络以及音乐播放 的认知都在上升。 ” 随着蓝牙价格的走低和蓝牙应用的不断拓展，蓝牙大规模占有市场的时候已 经来临。 1 2 课题来源及相关工作 本课题是横向合作课题，是在i n t e l 公司上海移动事业部的合作项目c v o l p b e t w e e nc e l lp h o n ea n dl a p t o nt h r o u g hb l u e t o o t h 中的关键技术的研究工作 基础者上展开的进一步对蓝牙协议中的o b e x 协议的分析和设计工作。 o b e x 是i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o i l ，红外数据协会) 定义的i r o b e x 协 议的简称。它是一种紧凑和高效的二进制协议，是类似于i n t e m e t 网中的h t t p 协议的应用协议。红外无线传输技术早于蓝牙技术，有着广泛的应用，他所支持 的一些应用模型( 如对象传输和文件传输) 也是蓝牙技术的重要应用方向，因此， 蓝牙s i g 采纳该协议作为蓝牙技术中的应用层的一个协议，使得基于o b e x 协议 的应用程序能够方便地使用蓝牙技术或红外传输技术进行通信。 o b e x 对系统资源的要求比较低，适用于低端设备。同时，0 b e x 具有灵活的 数据处理能力和良好的可扩展性能，允许在不增加系统资源要求的情况下，提供 6 采用面向对象的方法分析和设计蓝牙o b e x 协议 数据安全、数据压缩等方面的功能。这些特点使得0 b e x 在嵌入系统或是其他平台 上开发应用程序非常方便。 蓝牙标准协议是由众多协议组成的，蓝牙协议中的0 b e x 协议是蓝牙协议栈 中的上层应用协议，是最常用的功能协议之一。在蓝牙技术中，对象交换协议提 供的功能是最普遍使用的，对它的分析和设计，相对来说也是一项最有意义的工 作。 面向对象的软件分析设计方法是目前软件工程领域的主要分析设计以及编 程的方法。如何结合面向对象的方法进行蓝牙协议软件的设计和实现是本论文的 主要目标，在第三章主要介绍了面向对象方法的一些概念和u m l 的一些内容。第 四章介绍了采用面向对象的方法对蓝牙中0 b e x 协议的设计工作。 本文各章节内容安排如下： 第l 章：绪论部分。主要介绍了蓝牙技术的背景、技术特点以及目前蓝牙技 术的技术和市场情况。 第2 章：蓝牙技术体系与o b e x 协议。首先介绍计算机网络分层的原理、层 间接口、协议构成等概念；然后介绍蓝牙协议体系；最后说明了o b e x 在蓝牙协 议中的应用以及与o b e x 在红外技术中的应用的比较。 第3 章：面向对象的软件分析和设计方法。首先介绍了面向对象的概念；然 后介绍在面向对象方法中的使用的建模工具语言u m l 。 第4 章：蓝牙o b e x 协议软件设计。首先根据蓝牙o b e x 协议规范，设计了 o b e x 协议的软件结构；接着由该结构提出软件中的各个对象类和各个类的实现 功能并对o b e x 协议实体问的交互用序列图进行了描述。 结束语：对全文内容进行了总结。 第2 章蓝牙协议体系与o b e x 协议 7 第2 章蓝牙协议体系与0 b e x 协议 2 1 网络协议分层模型 1 9 9 9 年7 月，蓝牙s i g 发布了1 5 0 0 页的1 0 版蓝牙规范。这之后不久，正 在考虑无线个人域网络( p a n ) 的i e e e 标准组8 0 2 1 5 采纳了蓝牙的文档作为它 的基础，并开始对它进行修订。蓝牙规范中的蓝牙协议主要是软件实现的，在最 初，一个网络的设计主要考虑的是硬件，其次才是软件。这种策略现在已经行不 通了，现在的网络软件是高度结构化的。计算机网络协议的分层结构对蓝牙协议 结构的理解还是有意义的，虽然蓝牙标准中有许多协议，它们以松散的方式被组 织到各个层中。蓝牙协议中的层结构并不遵从o s i 模型，或t c p d p 模型，或8 0 2 模型，或是其它已知的模型。但这些计算机网络模型的一些概念和思想在分析和 设计蓝牙协议软件时是可以借鉴的。 2 1 1 协议分层 f 为了降低网络设计的复杂性，绝大多数的网络都以多个层( 1 a y e r 或l e v e l ) 来 组织，这些层之间互相堆叠，每一层都建立在其下一层的基础之上。不同的网络， 其层的数目、各层的名称、内容和功能都不尽相同。位于下面的层向位t 上面的 层提供特定的服务，而把如何实现这些服务的细节对上一层加以屏蔽，也就是下 层对于上层是透明的，上层能“看到”的是与它通信的另一台计算机的对等层。 这样的概念实际上并不陌生，它广泛应用在计算机科学领域，在计算机软件 领域也称之为信息隐藏、抽象数据类型、 的思想是，一段专门的软件( 或是硬件) 态和算法的细节隐藏起来。 数据封装或是面向对象程序设计。基本 向用户提供一种服务，但是将内部的状 所谓的协议( p r o t o c 0 1 ) 是指通信的双方关于如何进行通信的一种约定。一台 计算机上的第n 层与另一台计算机上的第n 层进行对话时，在对话中用到的规则 和约定称为第n 层协议。不同计算机上所包含的对应层的实体称为对等层( p e w ) 或称为对等体。这些对等体是通信协议的使用者，即通信是在对等体之间使用协 议进行的。对等体可能是计算机中的进程或是硬件设备，甚至可能是人。 图2 1 显示了一个5 层的网络。 8 采用面向对象的方法分析和设计蓝牙o b e x 协议 丰机1 主机2 j 第五层 卜一点真是经良一l 。第五层二 !接口第三屡卜一一墓卫层巍点一一南 第四层 k 墓q - 层掺且| 4第西艨4 ”“7 习 ! 蔓了1 一k 南 第三层k 点三量抛这一第三蘑 翻 兰i=ji趸一卜一一一jl三鼠比些一一一一一-孛 i i 一 箍层协议一r = = 弼 第一屡 、 ” 。一蕊 ii 。 物理介质 i “ j， 一 、 ! i “一删 ? * # i 溉 豳2 1 层、协议和接口 在实际的计算机中，数据并不是从一台枧器的第n 层直接传递到另一台机器 的第n 层。而是，通过下一层传递数据和控制信息，下一层再传递到下一层，直 到最底下一层。如图2 1 显示的在第一层的下面是物理介质，它是实际的传输数 据的媒介，图中的虚线表示的是数据传输的虚拟通道，实线表示的是数据传输的 实际物理通道。 在每一对相邻层之间是接口( i n t e r f a c e ) 。接口定义了下层向上层提供哪些服 务原语以及命令接口。网络设计者决定在一个网络中应该包含多少层，每一层应 该提供哪些功能时，其中最重要的一个考虑是定义清楚层与层之闺的接口。为了 做到这一点，要求每一层能完成一组特定的有明确含义的功能。除了尽可能地减 少层与层之间必须要传递的信息数量以外，层之间的清晰的接口也会使我们很容 易地用某一层的个实现来代替另一个完全不同的实现( 比如，原来使用普通的 电话线路，现在可以使用a d s l 线路来代替) ，因为对于新的实现来说。它所需要 做的只是向相邻的上层提供完全相同的一组服务，这样就和原来的实现所做的是 一样的。上层模块就不需要做任何修改就可以使用这个新的实现。实际上，不同 的主机中使用不同的实现是非常常见的事。 层和协议的集合称为网络体系结构( n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ) 。网络体系结构 的描述必须包含足够的信息，以便实现者可以为每一层编写程序或者设计硬件， 第2 章蓝牙协议体系与o b e x 协议 9 使之遵守有关的协议。实现的细节和接口的规范并不属于网络体系结构的内容， 因为它们被隐藏在具体实现的内部，对于外界是不可见的。甚至，一个网络中所 有机器上的接口也不必都是一样的。实际上，每台机器只要能够j 下确地使用所有 的协议就可以了。一个特定的系统所使用的一组协议( 每一层都有一个协议) 称 为协议栈( p r o t o c o ls t a c k ) 。 这里需要区分协议和服务之间的区别，说到服务涉及的是层与层之间的接口， 也就是层与层之间的约定和规则；而协议涉及的是不同机器上的对等层之间的通 信约定和规则。 2 1 2o s i 网络参考模型 o s i 是开放系统互连( o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 的缩写，是一个试图使 数据通信标准化的尝试，目的是使不同厂商所生产的计算机能够相互通信。这个 标准提供了一个数据通信了的分层结构，定义了各层中所使用的协议，各层所提 供的服务以及层间的接口。 在o s i 的数据通信系统中，将参考模型分为七层结构中，这七层结构如图2 2 所示。 | 薹= 竺三。1 1 r _ 一 7 l 接口李 己孥。卜瓠徽 - l - f 茎计一一一一一一龟适拢议- l 。1 传输协议 f r l 0 厂通信f 嘲边界路山器、 臣瓣终卜一址兰一卜一叶网弩卜一_ t 鼬时一叫墨塑壁些卜一哑卜一| “ + 物瑗一d 物理h 一物理一卜一 a p d u p p d u s p d u t p d u 分组 帧 比特 图2 2o s l 七层参考模型 o s i 参考模型本身并不是一个网络体系结构，因为它并没有定义每一层上所 使用的服务和协议，它只是指明了每一层上应该做些什么事情。虽然，i s o 也为 每一层制定了相应的标准，但这些标准不属于参考模型本身，它们只是作为单独 的国际标准发布的。 屡7 6 5 4 3 2 ， l o 采丹j 面向对象的方法分析和设计蓝牙o b e x 协议 2 1 3 服务提供者、服务调用者和s a p 在o s i 七层模型中的服务定义为某一层为实现数据通信而向上一层所提供的 所用功能的总和。服务提供者通过服务访问点( s a p ) 向上一层提供服务。服务 访问点是一个层的进入点。服务提供者、服务调用者和服务访问点之间的关系如 图2 3 所示。 服务用户调用者服务用户调用者 ( 刚) 廒务挺供者( n - ”雁备提供者 图2 3 服务提供者、调用者和s a p 在图2 3 中反映出了o s i 参考模型中的对层编号的机制。( n ) 层表示的可以 是任意的一层，在逻辑上的上层为( n + 1 ) 层，下一层为( n - 1 ) 层。在图中， ( n ) 层是( n + 1 ) 层的服务提供者，( n + 1 ) 层是( n ) 层的服务调用者。这种 对层的编号的机制是非特指的，对任何一组相邻的层都是适用的。 2 1 4 层间数据传输 相邻两层之闯所交换的信息内容称为服务数据单元( s d u ) 。当第( n ) 层要 向对等层发送数据时，要发送的数据单元叫做协议数据单元( p d u ) 。但是数据不 能直接传送到对等的第( n ) 层上，因此数据被交给了下一层进行传输。这时的 数据单元就称为服务数据单元( s d u ) 。这就意味着第( n ) 层的p d u 和第( n 1 ) 层的s d u 是相同的数据。在第( n 1 ) 层接收到s d u 后，加上自己的协议控制 信息( p c i ) ，构成了第( n 1 ) 层的协议数据单元。这种s d u 和p c i 的组合构成 了第( n 1 ) 层的p d u 。同样地，第( n 1 ) 层也不能够直接与对等层进行传输， 于是把p d u 在交给下一层，下一层傲与第( n 1 ) 层相同的工作，直到最后把最 终形成的p d u 交给物理层，由它在物理介质上传输每一比特的内容。图2 4 反映 各种数据单元 、日j 的相互关系： 第2 章蓝牙协议体系与o b e x 协议 2 1 5 服务原语 图2 4 层间数据传输 o s i 模型的每一层都提供某种服务，但究竟是怎样提供服务的呢? 在模型里_ 定义了一个术语，称为服务原语。每一层就是通过服务原语来提供服务的。服务 原语其实就是函数调用在这里的专用名称。就像在一个操作系统中，它向用户提 供服务( 即使用它的资源) 是通过系统调用来实现的。层也可以说是通过函数调 用来提供服务的，函数就是一个层的访问点s a p 。函数调用这个术语只是概念上 的，具体的各层进行通信的方法依赖于层的实现方法。例如： 物理层可以完全由硬件来实现，这样与物理层之间的交换就可以通过 d m a 等方法来实现。 网络层可以用c c + + 库来实现，并实际提供能够对层进行访问的函数。 传输层可以由操作系统的一个进程来实现。 o s i 定义了下列服务原语： 请求原语； 指示原语； 响应原语； 证实原语。 某种特定的服务在层中实现时，都要用到一个或多个服务原语。每个服务原 语都具有下列的属性： 方向：一个服务原语既可以由服务用户来调用称为向下( d o w n ) ，也可以 由服务提供者来调用称为向上( u p ) ； 参数：一个服务原语可以带有一个或几个参数，就像传递给函数调用的参 数一样。 图2 5 显示的是物理层提供给数掘链路层的数据传输服务。 采辩j 面向对象的方法分析和设计蓝牙o b e x 协议 图2 5 服务原诰的方向和参数 原语 ，u p 图中服务由两个原语来实现数据请求原语和数据指示原语。请求原语有 服务用户发给服务提供者；指示原语有服务提供者发给服务用户。每个原语都带 有一个参数要传送的服务用户的数据。 2 1 6 服务类型 层可以提供三种类型的服务： 有证实的服务；请求服务后总会得到一个回答，表示本次服务请求是成功 还是失败。有证实服务使用全部四个原语。 无证实服务：请求服务后不会得到一个表示本次请求是成功还是失败的回 答。无证实服务只使用请求和指示两个原语。 提供者发起的服务：由服务提供者调用的服务。这种服务只使用指示原语。 比如物理连接由于硬件故障而中断，连接两端的物理层实体就会使用指示原语通 知其各自相应的数据链路层连接中断。 服务最本质的区别是模式是面向连接的还是无连接的， 面向连接的服务是类似于电话系统的服务，在使用面向连接的网络服务时， 用户首先要建立个连接，然后使用该连接传输数据，最后释放连接。在上 面所述的各个阶段既可以用有证实，也可以用无证实服务来实现。 面向无连接的服务是类似于邮政系统的服务，无连接服务允许对等实体间没 有建立连接就进行通信，在无连接服务模式下通信时，不区分特定的阶段。 2 1 7 时序图 时序图被用来描述实现服务过程中所需的服务原语的交互序列。图2 6 中按 时间顺序显示了实现一个有证实服务的原语序列。要提供有证实服务，所有的四 种原语都会用到。 第2 章蓝牙协议体系与o b e x 协议 图2 6 有证实服务 图2 7 按时间顺序显示了实现一个无证实服务的原语序列，在无证实服务中 只使用了连个原语：请求和指示。图2 8 中是提供者发起服务的时序图。这种情 况是由于服务提供者内部的一些事件导致了向服务用户发出一个指示。 图2 7 无证实服务 图2 8 提供者发起的服务 “ 采用面向对象的方法分析和设计蓝牙o b e x 协议 2 1 8 传输层的多路复用和分离 在o s i 模型的网络层的上一层是传输层。传输层利用网络层所提