（计算机应用技术专业论文）基于蓝牙技术移动终端接入网络的研究.pdf

作者： 亢琦 指导教师： 协助指导教师： 段军 论文提交日期：2 0 10 年0 6 月1 2 日 学位授予单位：内蒙古科技大学 单位： 内蒙古科技大学 单位： 单位： 盖：卜急董卜蔫童焉霉?、曩 基于蓝牙技术移动终端接入网络的研究 i i i ii i ii iii i ii i i ii ii ii 17 8 9 6 6 2 r e s e a r c ho nm o b i l ed e v i c e sw i r e l e s sa c c e s st ot h ei n t e m e t b a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y 研究生姓名：亢琦 指导教师姓名：段军 内蒙古科技大学信息工程学院 包头0 1 4 0 1 0 ，中国 c a n d i d a t e ：k a n gq i s u p e r v i s o r ：d u a nj u n s c h o o lo fi n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g i n n e rm o n g o l i au n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b a o t o u0 1 4 0 1 0 ，p r c h i n a 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得内蒙古科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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。 签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定，h o - 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着3 g 时代的到来，移动设备已经成为人们生活中不可或缺的工具，成为了 移动信息时代管理个人事务、工作和生活的工具，用户操作方便，其普及率正在 稳步上升。各种笔记本、手机也都配置了蓝牙装置，蓝牙技术正在为越来越多人 所熟悉。人们希望各种移动终端像计算机一样，能方便地接入网络，随时随地查 找资料、查看新闻资讯等，而不用花费高昂的通讯费用。面对上面的需求，基于蓝 牙技术移动终端接入网络渐渐成为了人们非常关注的话题。 j 2 m e ( j a v a2p l a t f o r mm i c r oe d i t i o n ) 是近年来随着各种嵌入式的设备的发展， 特别是移动通信设备的快速发展而诞生的新的开发技术。j 2 m e 定位在消费类电子 产品和嵌入式产品的应用上，利用其适合于各种智能设备可移植的特性提高了应 用开发的效率，并对移动设备的智能化、多样化，提供了革命性的解决方法。 本文通过分析蓝牙协议的通信原理，根据蓝牙技术移动终端接入网络具体项目 的设计目标，给出了系统总体的设计方案、系统的功能流程，并深入介绍了实现 系统所需要的关键技术。特别是实现移动终端接入网络过程中，提出了一种新的 实现方法：利用j a v a 在m i d p 移动终端平台上开发蓝牙通信软件，服务器端采用 j 2 s e 技术在w i n d o w s 平台上实现。该蓝牙通信套件不仅有很大的研究意义，同时 也具有一定的实际应用价值。 论文详细地介绍了如何使用j a b w t 设计移动终端设备软件，对串口仿真协议 ( r f c o m m ) 进行了详细的分析和深入的研究，实现了蓝牙协议与现有网络协议 p p p 、t c p i p 协议和数据的相互转换，采用r f c o m m p p p t c p u d p i p 的蓝牙应 用中局域网接入方式实现多个移动蓝牙终端通过蓝牙无线接入网络。并在防御蓝 牙配对p i n 码攻击方面提出了一种新的防御方法，从而提高蓝牙网络的安全性能。 关键词：蓝牙技术；r f c o m m ；p p p ；l a p ；g a t e w a yp r o x y ；j s r - 8 2 内蒙占科技人学硕十。侮论文 a b s t r a c t a st h e3 ge r a ，m o b i l ed e v i c e sh a v eb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l et o o li nl i f et ob e c o m e am o b i l ei n f o r m a t i o na g e ，m a n a g e m e n to fp e r s o n a la f f a i r s ，w o r ka n dl i f eo ft o o l s ，t h e u s e re a s yt oo p e r a t e ，a n di t sp r e v a l e n c ei ss t e a d i l yi n c r e a s i n g a l lk i n d so fn o t e b o o k s ， m o b i l ep h o n e sa l s oa r ee q u i p p e dw i t hb l u e t o o t hd e v i c e s b l u e t o o t ht e c h n o l o g yi s f a m i l i a rt om o r ep e o p l e p e o p l ew a n tav a r i e t yo fm o b i l ed e v i c e sl i k ec o m p u t e r st o e a s il ya c c e s st h en e t w o r ka n y t i m e ，a n y w h e r et of i n d i n f o r m a t i o n ，v i e wn e w s ， e t c ，w i t h o u tt h eh i g hc o s to fc o m m u n i c a t i o nc o s t s t h ef a c eo ft h ea b o v er e q u i r e m e n t s b a s e do nb l u e t o o t hm o b i l et e r m i n a la c c e s sn e t w o r kg r a d u a l l yb e c o m et o p i c so fg r e a t c o n c e mt op e o p l e j 2 m e ( j a v a2p l a t f o r mm i c r oe d i t i o n ) i san e wd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g yi nr e c e n t y e a r sw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dd e v i c e s ，e s p e c i a l l yt h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t a n dt h eb i r t ho fan e w d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y j 2 m el o c a t e di nt h ec o n s u m e re l e c t r o n i c sa n de m b e d d e da p p l i c a t i o n s ，t h e u s eo fi t se q u i p m e n tf o rav a r i e t yo fp o r t a b l ei n t e l l i g e n tf e a t u r e st oi m p r o v et h e e f f i c i e n c y o fa p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t ，a n dm o b i l ed e v i c e s ，i n t e l l i g e n t ，d i v e r s e ， p r o v i d i n g a r e v o l u t i o n a r ys o l u t i o n b ya n a l y z i n gt h eb l u e t o o t hp r o t o c o lo fc o m m u n i c a t i o nt h e o r y , a c c o r d i n gt o b i u e t o o t hm o b i l et e r m i n a la c c e s sn e t w o r kd e s i g ng o a l so fs p e c i f i cp r o j e c t s ，g i v e nt h e o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m ，t h es y s t e mo ff u n c t i o n a lp r o c e s s e s ，a n di n s i g h ti n t ot h e r e a l i z a t i o no ft h ek e yt e c h n o l o g i e sr e q u i r e df o rt h es y s t e m i np a r t i c u l a r , f o rm o b i l e t e r m i n a la c c e s sn e t w o r kp r o c e s s ，w ep r o p o s ean e w i m p l e m e n t a t i o nm e t h o d ：u s i n gj a v a m i d pm o b i l et e r m i n a lp l a t f o r m si nt h ed e v e l o p m e n to fb l u e t o o t hc o m m u n i c a t i o n s o f t w a r e ，s e r v e r u s e dj 2 s ei m p l e m e n t a t i o ni nw i n d o w sp l a t f o r m t h eb l u e t o o t h c o m m u n i c a t i o n ss u i t ei sn o to n l yg r e a tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e p a p e rd e s c r i b e si nd e t a i lh o w t ou s et h em o b i l et e r m i n a le q u i p m e n tj a b w td e s i g n s o f t w a r e ，s e r i a lp o r te m u l a t i o np r o t o c o l ( r f c o m m ) c o n d u c t e dad e t a i l e da n a l y s i sa n d i n d e p t hr e s e a r c h ，t oa c h i e v et h eb l u e t o o t hp r o t o c o la n dt h ee x i s t i n gn e t w o r kp r o t o c o l p p p , t c p i pp r o t o c o la n dd a t ab e t w e e nc o n v e r s i o n s w ea d o p tt h ep r o t o c o lo fr f c o m m p p p t c p u d p i pi nb l u e t o o t ha p p l i c a t i o n st or e a l i z el a na c c e s so v e rm o b i l eb l u e t o o t hd e v i c e s h i 内蒙古科技大学硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 1 绪论：1 1 1 本课题研究的背景1 12 本课题研究的意义2 1 3 国内外蓝牙局域网接入网络研究动态3 1 4 本论文主要研究内容和工作4 1 5 内容结构安排5 2 蓝牙技术6 2 1 蓝牙技术概述6 2 1 1 蓝牙起源与发展6 2 1 2 蓝牙技术的特点j 6 2 1 3 蓝牙的网络拓扑结构7 2 2 蓝牙体系结构8 2 2 1 蓝牙协议栈：8 2 。2 2 替代电缆虚拟串口协议r f c o m m 9 2 2 3 蓝牙应用模型( p r o f i l e s ) 1 0 2 3 无线个域网通信技术1 2 2 3 1 无线个域网的基本概念1 2 2 3 2 无线个域网的分类13 2 3 3 无线个域网的关键技术1 3 2 3 4 无线个域网的发展趋势1 4 3 使用j 2 m e 和j 2 s e 平台程序设计以及开发工具的配置1 5 3 1 平台概述15 3 1 1j a v a 概述1 5 3 1 2j 2 s e 体系结构16 3 1 3j 2 m e 体系结构1 6 3 2j a v a 蓝牙无线技术a p i 18 3 3 开发工具的配置1 9 3 3 1 安装和配置j d k 2 0 3 3 2 开发环境e c i i p s e 的安装2 0 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 3 3 3e e l i p s e m e 插件的安装2 0 3 3 4 安装通用j 2 m es d k 2 2 3 3 5 安装专业j 2 m es d k 2 2 3 3 6 配置e e l i p s e m e 。2 3 3 - 3 7 配置p r o g u a r d 混淆器2 3 4 针对p i n 码攻击的防御方案2 4 4 1 蓝牙网络的安全体系2 4 4 1 1 鉴权和匹配2 4 4 1 2 加密2 6 4 2 针对p i n 码攻击的防御方案。2 6 5 基于蓝牙技术移动终端接入网络的系统实现2 8 5 1 网络接入方案2 8 5 1 1 蓝牙局域网访问接入l a p 2 8 5 1 2 蓝牙个人局域网接入网络n a p 3 0 5 1 3 两种接入方案比较3l 5 2 实现原理和流程3 2 5 3 系统开发实现3 7 5 3 1 客户端开发实现3 8 5 3 1 1 接入网络通讯方式3 8 5 3 1 2 系统结构设计3 9 5 3 1 3 客户端实现_ 4 0 5 3 2 服务端l a p 开发实现5 2 5 3 3 文件传输软件开发实现5 7 5 3 3 1o b e x 协议5 7 5 3 3 2 功能用途5 8 5 4 手机开发关键技术5 8 5 4 1 手机开发平台5 8 5 4 2 手机开发关键技术6 l 5 5 运行打包发布6 2 5 6 测试验证分析6 2 5 6 1 测试验证6 2 5 6 2 安全性分析6 3 5 6 3 优劣势分析6 3 2 3 i 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 本课题研究的背景 随着计算机网络、蓝牙通讯技术和移动电话的迅猛的发展，越来越多的移动 蓝牙设备出现在人们的周围【1 , 2 , 4 , 5 , 1 1 , 1 9 】。如今手机已从最初的通信工具，演变成今 天的一个多功能的电子设备。上网，安装软件等已成为用户购买手机时的重要参 考。随着3 g 时代的到来，将推动手机接入网络的资费进一步下调，但是根据目 前用户消费情况来看，不愿花更多的手机上网费，然后蓝牙手机的出现，通过蓝 牙技术免费接入网络也要成为移动终端接入网络的新星。具体研究背景概况如 下： ( 1 ) 随着科技的进步和手机的逐步普及，国内带有蓝牙功能的手机，日益增 多，中高端的手机和几乎所有的“山寨 手机都嵌入配置有蓝牙模块。 中国工业和信息化部( m i i t ) ( 以下简称工信部) 公布的最新统计数据显示， 截至2 0 1 0 年4 月底，全国手机用户已逼近7 亿，带有蓝牙功能的手机用户则达 到了6 亿，数字庞大惊人，市场潜力巨大。 ( 2 ) 笔记本携带不轻松、g p r s 速度太慢、3 g 资费太贵等等情况。 如今市面上能见到的笔记本，从6 4 英寸到1 7 英寸宽屏，大约有十四、五 种尺寸。携带不方便，不像手机那么轻巧，衣服兜便能装下。 g p r s 在达到理论最高值1 7 1 2 k b p s 时，但实际数据传输速率受网络编码方 式和终端支持的因素影响。现在用户的接入速度大概分成2 0 k 、4 0 k 、6 0 k 、1 1 5 2 k 几种等级。实际速度1 5 2 5 k s 左右，速度上无法支持一些多媒体图像传输业务等 对带宽要求较高的应用业务。 3 g 就是由快速的网络所承载的一系列娱乐和商务应用功能，我们可以在手 机上进行视频通话和更高品质的多媒体娱乐，网络浏览和资源下载都顺理成章， 但目前支持的终端少，无线宽带资费高。比如联通1 5 0 元月包3 g 、2 0 0 元月包 5 g ，中国移动的g 3 流量套餐和中国电信无线宽带业务资费基本与联通的不相上 下。普遍群众反映目前各大运营商的套餐资费偏高，无法接受。 ( 3 ) 国内没有解除w i f i 手机的限制，严格放行入网许可证。 原因有两个，其一，之前我国主推的w a p i 标准无法获得国外厂商的认可成 为国际标准，而国际标准w i f i 也在我国被禁用，但是近期这种对峙的局面得以 缓解，w a p i 申请国际标准获得了重大突破，而w i f i 也获得了变相解禁。w a p i 标准是于2 0 0 3 年5 月由西电捷通等研发成功的国家标准。2 0 0 4 年4 月，在中美 内蒙古科技大学硕士学位论文 商贸联委会上，由于8 0 2 1 1 i 相关企业通过美国政府施压，w a p i 在中国市场被 延期执行，众多厂家在观望之后转向英特尔主导的w i f i 。 负责受理电信设备入网检测的工信部泰尔实验室获悉，从2 0 0 9 年6 月以后 凡配有中国自有无线标准w a p i 模块的手机可以内置w i f i 功能并获得入网许 可。其二，国内运营商对于w i f i 的态度则坚决反对，由于w i f i 对固网的依托 较强，固网基础薄弱的中国移动则对此不太感冒，并且w i f i 手机的推出影响其 传统g p r s 流量费用收入以及电话业务的减少。 ( 4 ) 手机蓝牙功能仍“沉睡”，8 5 用户只知简单功能。 蓝牙已经成为手机的标配功能，处于i s m 公用频段，不受运营商的干扰， 使用不必付费，手机蓝牙可以传输图片、铃音、分享软件、实现无线上网、蓝牙 打印、组建局域网等作用。 ( 5 ) 应用服务不够丰富。 c m n e t 拥有完全的i n t e r n e t 访问权，c m w a p 的适用范围就要看w a p 网关所 提供的支持了。目前，中国移动的w a p 网关对外只提供h t t p 代理协议( 8 0 和8 0 8 0 端口) 和w a p 网关协议( 9 2 0 1 端口) 。 因此，只有满足以下两个条件的应用才能在中国移动的c m w a p 接入方式下 正常工作：应用程序的网络请求基于h 1 v r p 协议；应用程序支持h t r p 代理协 议或w a p 网关协议。 本文正是基于上述研究背景提出了基于蓝牙技术移动终端接入网络的研究 实现，实现了蓝牙设备通过蓝牙无缝接入网络。 1 2 本课题研究的意义 目前，蓝牙技术已被普遍应用在移动电话、p d a 个人数字助理，数码相机、 蓝牙耳机、笔记本电脑、相关外设( 包括打印机、鼠标、键盘及其他) 等众多设 备之间进行无线信息交换。据市场研究机构i d c 公布的数据，2 0 0 8 年全球手机 市场上有5 3 的产品具备蓝牙技术，而美国市场上将有6 5 的手机使用蓝牙技 术。 蓝牙的标准是i e e e 8 0 2 1 5 ，采用2 4 g h zi s m 频段，带宽为3 m b s 。使用前 向纠错编码、a r q 、t d d 和基带协议，以时分方式进行全双工通信，其基带协 议是电路交换和分组交换的组合。 一个跳频频率发送一个同步分组，每个分组占用一个时隙，使用扩频技术也 可扩展到5 个时隙。蓝牙技术支持1 个异步数据通道或3 个并发的同步话音通 内蒙古科技大学硕士学位论文 道，或1 个同时传送异步数据和同步话音的通道。每一个话音通道支持6 4 k b s 的同步话音；异步通道支持最大速率为7 2 1 k b s ，反向应答速率为5 7 6k b s 的非 对称连接，或者是4 3 2 6k b s 的对称连接。 蓝牙技术使用高速跳频和时分多址等先进技术，对于单时隙包，蓝牙的跳频 速率为1 6 0 0 跳秒，对于多时隙包，跳频速率有所降低，但在建链时( 包括寻呼 和查询) 速率则提高到3 2 0 0 跳秒。采用这样高的调频速率，使蓝牙系统具有足 够高的扛干扰能力和多址能力。蓝牙技术将是网络中各种外围设备接口的统一桥 梁，它消除了设备之间的连线，取而代之以无线连接。 依据发射输出电平功率不同，发射功率有l m w 、2 5 m w 和1 0 0 m w 三个等 级。相应距离等级分别为c l a s s l 为1 0 0 m 左右，c l a s s 2 约为1 0 m ，c l a s s 3 约为 l 。1 0 m 。目前蓝牙设备的距离可以达到1 0 m 一5 0 m 左右。 蓝牙技术的特点包括：1 、全球范围适用，无须申请许可证；2 、可同时支持 数据、音频、视频信号；3 、可以建立临时性的对等连接【6 】；4 、采用跳频技术， 数据包短，抗信号衰减能力强，采用快速跳频和前向纠错方案以保证链路稳定， 减少同频干扰和远距离传输时的随机噪声影响；5 、体积小、功耗低、成本低。 出于上述背景和蓝牙技术的特点，本课题的研究有着极其广泛的应用价值， 为带有蓝牙功能的智能手机、p d a 、电脑等设备提供一个高速的直接接入互联网 的通道，实现i n t e m e t 上的网络通话和上网等功能，为用户省去高昂的相关费用。 本系统已在宾馆、咖啡厅、候车室、商场等场合投入使用，初见市场效益。让用 户在手机上体验类似p c 的便捷便宜上网方式，有巨大的用户需求。 1 3 国内外蓝牙局域网接入网绍研究动态 目前国内外蓝牙接入网络产品正从覆盖办公区域过渡到覆盖个人区域和住 宅区域。无线局域网( w l a n ，即w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 与无线个域网 ( w p a n ，即w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ) 是对目前无线接入系统的重要组成部 分，近年来得到了迅速的发展。w p a n 能在便携式消费者电器与通信设备之间 进行短距离高速通信，覆盖范围比w l a n 小，一般在1 0 0 m 半径以内。由此可 以预见，互联网不再仅仅用于工作，而将会是无处不在1 4 3 1 1 。 w p a n 的诞生基础就是蓝牙，蓝牙是满足个人移动设备在个人区域网络环 境中进行无线通信而设计的。蓝牙的应用可以使的设备之间在无电缆连接的状态 下进行交互和对话，实现同步联接、数据传输、语音控制等功能。对于便携式的 个人移动设备( p d a 、手机、耳机、照相机、摄影机、手持控制机) 中的小功率和 内蒙古科技大学硕士学位论文 低消耗的要求，蓝牙是最佳的选择。目前蓝牙芯片可以植入到电脑、办公或者家 用电器、通信设备中，使得设备可以通过智能模式相互识别和通信而无须任何接 口和电缆。 随着蓝牙技术的逐渐发展，蓝牙技术己经突破了开始只是取消电缆的初衷。 目前人们正在把这种技术应用到个人区域网络，智能家庭和办公网络中来。蓝牙 的最终目的是建立一个全球统一的无线连接标准，让不同厂商的各类移动设备实 现短距离无电缆的相互操作和数据共享。 目前国内外关于蓝牙局域网接入更多地是研究蓝牙个人局域网的构建，其中 蓝牙局域网网关是研究的热点。而本文实现的局域网接入点l a p 采用w i n d o w s 平台上编写程序实现，同时客户端采用j 2 m e 平台实现移动终端设备软件，是蓝 牙技术目前的杰出创新代表，此设计实现模式是首次提出来的。 1 4 本论文主要研究内容和工作 随着网络的发展和移动智能终端的增多，越来越多的电缆连接困扰着人们， 同时高昂的移动设备上网费用以及信息获取浏览限制等因素也在制约着移动设 备接入网络的发展，所以通过蓝牙方式将移动终端设备和局域网方便地进行连 接，使移动设备诸如移动电话、个人数字助理等在一定范围内将这些设备互联接 入局域网或i n t e m e t 无缝共享网络资源，提出了基于蓝牙技术的局域网安全接入 方案并在移动设备上和接入点基于主机w i n d o w s 系统上相应编程实现。 论文的主要任务和工作如下： ( 1 ) 蓝牙局域网无线接入网关采用以p c 、w i n d o w sx p 和u s bd o n g l e 蓝牙 适配器为基本软硬件平台，它使大量的蓝牙终端设备随时随地都能方便地进入局 域网或i n t e m e t 网，从而实现对i n t e m e t 和内部蓝牙微微网传输数据的相互解析， 各种移动终端设备便可很容易地进行上网操作。 ( 2 ) 客户端完成的工作是通过j 2 m e 语言实现初始化蓝牙应用程序、发现设 备和服务，通过返回相应的串口服务b t s p p 连接服务器，客户端可以从服务器提 供的服务记录中查看服务连接u r l ，进而实现蓝牙通信。并且实现h t t p 协议 和蓝牙协议的数据转换。 ( 3 ) 深入研究了防御p i n 码攻击相关算法，针对原算法的不足，提出了一种 改进的在e 2 2 加密前对p i n 码进行m d 5 运算，增长加密时间，对改进方法进行 了理论分析。 ， 内蒙古科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 开发蓝牙文件群发软件，把j 2 m e 移动终端软件打包和发布应用程序后， 即j a d 和j a r 文件传输到移动终端上安装使用。 通过上述设计，从而实现蓝牙微微网与外部i n t e m e t 的连接，各种便携式设 备便可很容易地进行上网操作，也可以通过远程对蓝牙智能设备进行控制。另外 也减少了电缆繁多的问题。此实用技术将可以应用到宾馆、咖啡厅、休息室、家 庭等当中。 1 5 内容结构安排 本文分为六个部分，各部分的内容安排如下： ( 1 ) 概述了课题背景、研究意义、国内外发展现状、研究内容和主要工作等。 ( 2 ) 首先介绍了蓝牙系统的技术特点，然后具体分析蓝牙各层协议在蓝牙协 议栈中的作用以及各种应用模型，重点对局域网接入模型和r f c o m m 协议进行 了深入的研究，最后把几种无线个域网通信技术进行了比较，从而突出蓝牙技术 的特点和优势。 ( 3 ) 介绍j 2 m e 、j 2 s e 技术，讨论它们的应用和j a v a t ma p i sf o rb l u e t o o t h j s r - 8 2 。同时介绍了开发j a v a 蓝牙移动终端应用程序和局域网接入点l a p 的 工具，以及如何搭建j 2 m e 和j 2 s e 开发平台。 ( 4 ) 介绍了蓝牙网络的安全体系，如加密、鉴权等相关概念，并在防御蓝牙 配对p i n 码攻击方面提出了一种新的防御方法，从而提高蓝牙网络的安全性能。 ( 5 ) 在提出设计方案的基础上，实现了移动设备通过蓝牙接入上网的基本功 能。编写了移动终端应用程序和服务端应用程序，详细地介绍了实现原理和过程。 ( 6 ) 最后对整个论文的研究、系统实现和实际应用工作进行了总结，指出了 进一步的研究方向和需要解决的问题。 内蒙吉科技大学硕士学位论文 2 蓝牙技术 2 1 蓝牙技术概述 2 1 1 蓝牙起源与发展 蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1 9 9 4 年就已进行研发。1 9 9 7 年，爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。1 9 9 8 年2 月，5 个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、i b m 、东芝及i n t e l 组成了一个 特殊兴趣小组( s i g ) ，他们共同的目标是建立一个全球性的小范围无线通信技 术，即现在的蓝牙。除了创始成员以外，b l u e t o o t hs i g 还包括2 0 0 多家联盟成员 公司以及约6 0 0 0 家应用成员企业。 目前蓝牙2 i + e d r 版本有效传输距离可达1 0 0 米，数据传输速度达3 m b s ， 蓝牙技术联盟( s i g ) 新推出的蓝牙3 0 + 高速( h s ) 版本能将数据传输速度提升到 2 4 m b p s ，从而满足消费者对更高传输速度的需求。蓝牙消除了设备之间的连线， 取而代之以无线连接。 2 1 2 蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距无线通信开放的技术规范，它在世界上的任何地方实现无线 语音和数据通信，外出时或在公司，您可以随身带上您的个人局域网( p a n ) ，还 可以与其它网络连接。蓝牙技术的特点归纳如下： ( 1 ) 全球适用 由于蓝牙工作在全球通用的2 4 5 g h z 工业、科学、医学( i s m ：i n d u s t r i a l s c i e n c ea n dm e d i c a l ) 免付费、免申请的无线电频段，所以身在何处，无需考虑 频率受限的问题。 ( 2 ) 时分双工 蓝牙通信的媒体接入协议是基于时分双工t d d 的轮询方案，主单元和从单 元发送时隙每隔6 2 5 u s 交替一次。 ( 3 ) 传输语音和数据 蓝牙同时可传输语音和数据，当采用非对称信道传输数据时，单向最大传输 速率为7 2 1 k b p s ，反向为5 7 。6 k b p s , 当采用对称信道传输数据时，速率最高为 3 4 2 6 k b p s 。 ( 4 ) 抗干扰能力强 具有很好的抗干扰的能力：蓝牙采取了跳频技术来扩展频谱( f h s s ) ，将2 4 0 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 - - 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，再跳到另一个频点发送，而频点的排列顺序则是伪随机的，每秒钟 频率改变1 6 0 0 次，每个频率持续6 2 5 u s ，建立连接时频率改变则是3 2 0 0 次秒。 ( 5 ) 易集成 蓝牙模块体积很小，低功耗，可以方便的集成到各种设备中。 2 1 3 蓝牙的网络拓扑结构 蓝牙系统能支持两种连接，即点对点连接和点对多点连接，这样形成两种网 络拓扑结构：微微网p i c o n e t 和散射网s c a t t e m e t 2 。在微微网( 见图2 1 ) 中，根 据角色可分为主设备m a s t e r 和从设备s l a v e ，主设备是组网连接主动发出连接请 求的设备，从设备是连接响应的设备。一个主单元最多支持七个处于活动状态的 从单元与其建立通信，同时让八台配有蓝牙装置的移动终端自成一小型无线网 络，并且通过此功能透过蓝牙无线基地台或插有蓝牙连结器的l a p 来接入上网 ( 被连结的基地台或计算机必须已经连上因特网) 。主单元靠不同的调频序列来识 别每一个从设备并与之通信。微微网里的任何设备都可以成为主设备，因此在一 台设备离开后，微微网上的其它设备仍可继续进行通讯。若干个p i c o n e t 在时间 和空间上相互重叠形成了一个散射网络( 见图2 2 ) ，散射网由多个独立、非同步 的微微网形成的，各个微微网的调频序列和状态由各自的主单元决定。它是典型 的无中心网络，具有自然灵活的组网方式。蓝牙a dh o c 网络的拓扑结构只能是 有中心的结构。蓝牙网络中的m a s t e r 就相当于a dh o c 分级网络中的簇头，s l a v e 相当于簇成员。值得注意地是在蓝牙网络中，s l a v e 之间不能直接通信，必须通 过m a s t e r 才能进行。无论是微微网还是散射网，必须是主从通信，s l a v e 之间是 不能直接通信的。然而，任一节点都可以是m a s t e r 或s l a v e ，从统计的观点来看， 又是对等的l 引。 内蒙古科技大学硕士学位论文 主设备 从设备 a ) 只有一个从设备的微微网b ) 多个从设备的微微网 图2 1 微微网拓扑结构图2 2 散射网拓扑结构 2 2 蓝牙体系结构 蓝牙技术规范( s p e c i f i c a t i o n ) 包括协议( p r o t o c 0 1 ) 、应用规范( p r o f i l e ) 等部分。 协议体系结构分别由底层硬件、中间层和应用层构成。底层硬件模块包括射频、 基带层和链路管理层。中间层由软件模块组成，包括逻辑链路控制和适配协议， 串口仿真电缆替代协议r f c o m m ，服务发现协议等。应用层位于高端，对应各 种应用规范。应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型，各层协议间的运 转协同机制。显然，p r o t o c o l 是一种横向体系结构，而p r o f i l e 是一种纵向体系结 构。典型的p r o f i l e 剖面有通用规范g e n e r i cp r o f i l e s ，串行和目标交换规范，个人 局域网( p a n ) 和局域网接入等应用模型。本文重点介绍局域网接入规范的应用。 2 2 1 蓝牙协议栈 整个蓝牙协议体系结构可分为底层硬件模块、中间协议层( 软件模块) 和高端 应用层三大部分。图2 3 中所示的射频层r f ( b l u e t o o t hr a d i oa n da n t e n n a ) 、基 带层b b ( b a s e b a n d ) 和链路管理l m ( l i n km a n a g e r ) 属于蓝牙的硬件模块和底层 协议，他们对应用而言是十分透明的。它们为上层软件模块提供了不同的访问入 内蒙古科技大学硕士学位论文 们对应用而言是十分透明的。它们为上层软件模块提供了不同的访问入口，此外， 蓝牙协议栈中还定义了主机控制器接口h c i ( h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ) ，它为基带 控制器、链路管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。中间协议层包括逻 辑链路控制和适配协议l 2 c a p ( l o g i e a ll i n kc o n t r o la n da d a p t e rp r o t o c 0 1 ) 、服务发 现协议s d p ( s e r v i e ed i s c o v e rp r o t o c 0 1 ) 、虚拟串口仿真协议电缆替代协议 ( r f c o m m ) 、电话通信协议t c s 和蓝牙网络封装协议b n e p ( b l u e t o o t hn e t w o r k e n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 舶髓删k 一e 亘日 图2 3 蓝牙协议栈 2 2 2 替代电缆虚拟串口协议r f c o m m r f c o m m 依据e t s i 标准t s 0 7 1 0 在l 2 c a p 上仿真9 针r s 2 3 2 串口的功能。 在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制和数据信号，为上层协议提供服务。传送到局 域网，建立连接后，应用程序就可以通过r f c o m m 提供的串口发送和接收数据。 采用r f c o m m 协议实现移动终端与接入点服务器无线连接并数据相互传输访问。 内蒙古科技大学硕士学位论文 l 2 c a p 与上层协议之间一般要通过r f c o m m 将蓝牙设备仿真为虚拟串口， 因此蓝牙应用中下层多采用支持点对点的通信方式，如果要使用蓝牙设备实现网 络功能，则接入网络须以t c p i p p p p r f c o m m l 2 c a p 的方式实现。数据接入 点l a p 需要使用t c p i p 协议接入局域网，因此应在r f c o m m 之上使用端口仿 真实体，使之支持p p p 协议。局域网接入应用l a p 定义了采用蓝牙技术的移动 终端设备怎样以点对点p p p 方式访问局域网中的网络服务，以及如何采用 r f c o m m 协议实现无线连接p 1 3 引。 2 2 3 蓝牙应用模型( p r o f i l e s ) 为了保证最终采用蓝牙技术的产品之间的互通和兼容性，蓝牙标准中为基本 的应用定义了一系列的应用规范，也称为应用模型( p r o f i l e s ) 。蓝牙应用规范在蓝 牙协议栈的最上部是高端应用层( a p p l i c a t i o n s ) ，它对应于各种应用模型的 p r o f i l e 。每个规范都定义了具体的消息和程序来实现一个特征，这些规范产生自 应用实例，大多数蓝牙设备都不会实现所有的规范1 2 j 。如果由不同厂商生产的移 动终端设备都遵循这些模型中的相应规定，并通过了认证，那么它们之间可以相 互操作，产品是兼容的【4 j 。 蓝牙标准中定义的应用模型基本上涵盖了蓝牙技术的主要应用场合，图2 4 是基于协议堆栈关系划分的蓝牙规范族，比如有局域网接入规范l a p ( l a n a c c e s sp r o f i l e ) 、串口规范s p p ( s e r i a lp o r tp r o f i l e ) 、目标推送规范o p p ( o b j e c t p u s hp r o f i l e ) 、文件传输规范f t p ( f i l et r a n s f e rp r o f i l e ) 等。在本文中主要应用 l a p 和s p p 规范p j 。 内蒙古科技大学硕士学位论文 图2 4 蓝牙应用模型 ( 1 ) 基本接入( g a p ，g e n e t i ca c c e s sp r o f i l e ) 基本接