（计算机系统结构专业论文）蓝牙个人区域网的实现及性能研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f f 随着无线通信技术的发展，无线个人局域网正在悄然兴起。蓝牙技术在无线个人局 、 域网中的应用也日益成为一个研究热点。鉴于t c p i p 已经成为事实上的i n t e m e t 标准协 议栈，作为i n t e m e t 扩展的w p a n 也必将采用它。y 堇互丛采用分层的体系结构，针对不同的应用可以采用不同的协议体系，蓝牙无 线局域网实现了t c p i p 在无线环境下的传输a 由于目前使用的! g 旦罂拯这是针对线路 差错率很小的有线网络而设计，在无线网络下由于线路差错的影响而造成的数据包丢失 的情况大为增加，而t c p 协议默认数据包丢失为网络发生拥塞的标志，当检测到有数据 包丢失时将降低发送速率进入拥塞避免，这种做法会造成网络性能不必要的下降。因此， 分析t c p 在无线网络中的性能，并研究如何使其适应无线网络的环境就变得尤为重要。 对这一问题的解决方法之一是设法让t c p 知道它所处信道更多的信息，从而采用 合适的控制方案。但由于没有保存更多的关于信道的信息，因此这种方法涉及到要修 改t c p 协议，引起的协议兼容性问题在短时间内无法解决。 另一种方法是采用一个合适的链路层差错控制协议来提高t c p 的传输效率。通过 使用离散型突发伯努利过程来模拟突发业务流，研究其在不同差错环境下的网络吞吐量 和平均包延时这两个参数，证实了蓝牙基带层差错控制协议可以很好的解决t c p i p 在 无线网络上传输的效率问题，在对网络极限负载的情况下的研究也得出了同一结论。 关键词：盔矗无线个人青磊网；拥塞拄毹? 传输盎丽云议 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , t h e w m e l e s sp e r s o n a la r e a n e t w o r k ( w p a n ) i s m o r ea n dm o r ep o p u l a r h o w t ou s eb l u t e t o o ht e c h n o l o g yi nw 刚a l s o b e c o m eac e n t e ro fi n t e r e s t s i n c et c p i ph a sb e c o m et h es t a n d a r do f i n t e r n e ti nf a c t , w p a n , a st h ee x t e n do f i n t e m e t , s h o u l da l s oa d o p t i t t or e s e a r c ht h et c po v e rb l u e t o o t h , t h ea r c h i t e c t u r eo fb l u e t o o t hp r o t o c o ls t a c ka n d w i r e l e s sn e t w o r ko v e rb l u e t o o t hs h o u l db ee x p o u n d e df i t s , a sw e u a sa n a l y z a t i o no ft h e c h a r a c t e r i s t i co f t h ew i r e l e s sc h n u n e li nt h i sa r c h i t e c t m e o n eo b v i o u s p r o b l e m w h e nt c pi su s e di nw i r e l e s sn e t w o r k si st h a tt c pw a so r i g i n a l l y d e s i g n e df o rn e t w o r k sw i t hl o wp a c k e te l t o rr a t e b u t w i r e l e s sn e t w o r k su s u a l l ys h o wh i g h p a c k e tl o s sr a t ew h i c hm a yt r i g g e r t h ec o n g e s t i o nc o n t r o li nt c pe v e nt h o u g hn oc o n g e s t i o n e x s i t s t os o l v et h ep r o b l e ma n d i m p r o v e t h et c p p e r f o r m a n c e i nw i r e l e s sn e t w o r k s ，as u i t a b l e l i n kl e v e le r r o rr e c o v e r ym c c h a l l i s ms b o u l e db er e s e a r c h e d ad e t a i l e ds i m u l a t i o nm o d e lo f t c p i po v e rb l u e t o o t hs h o u l db ep r e s e n d e dt ot e s t i f yt h i s m e c h a n i s m t h i sm o d e li su s e dt oe x a m i n et h em a x i m u mt h r o u g h p u ta n dp a c k e td e l a y sf o r t c p i pt r a 伍cu n d e rv a r i o u sc o n d i t i o n sa n d c a nc h e c kw e t h e rb l u e t o o t hi sw e l ls u i t e dt oc a r r y t c p i pt l a 伍ca n dt h a tb o t hh i g l lt h r o u g h p u ta n dl o w d e l a y sc a n b ea c h i e v e dw h e nt h er a d i o c h a n n e lh a sah i g l l p a c k e t e r r o rr a t e k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ；w p a n ；c o n g e s t i o nc o n t o d ；t c p n 华中科技大学硕士学位论文 插图目录 图2 1 蓝牙协议栈( 1 0 ) 图2 2 分布式网络f 1 3 1 图2 2n e t w o r k a c c e s sp o i n t 图示( 1 4 ) 图2 3g r o u pa d - h o cn e t w o r k 图示( 1 4 ) 图2 4n e t w o r ka c c e s sp o i n t 接入协议栈( 1 5 ) 图2 5g r o u p a d h o c n e t w o r k 接入协议栈( 1 5 ) 图2 6w p a n 软件体系结构f 1 8 ) 图3 1 拥塞发生图示f 2 0 ) 图3 2n 个用户共享一个网络下拥塞的闭环控制系统( 2 2 ) 图3 _ 3 慢启动和拥塞避免( 不含快速重传和恢复) f 2 6 ) 图3 _ 4 快速重传和恢复( 2 7 ) 图4 1 蓝牙w p , n 传输过程模型( 4 0 ) 图4 2 端到端的延迟( 4 2 ) 图4 3 不同p e p 下的吞吐量一( 4 3 ) 图4 4 平均包延时( “) 图4 5 平均包延时( 4 5 1 v 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题背景 本课题来自于计算机系多媒体实验室无线应用研究项目。该项目的主要任务是研究 蓝牙b l u c t o o t h 技术的相关应用。本课题主要研究基于蓝牙技术的无线个人局域网 ( w p a n w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 的实现及网络性能。 网络无线化是无线通信发展的必然结果。一些人甚至认为未来将仅有两种通信手 段，即光纤和无线通信。所有固定的( 非移动的) 计算机、电话、传真等都由光纤连接， 而所有的移动通信都是无线的【1 1 。1 9 9 9 年由爱立信、英特尔、i b m 、诺基亚、东芝发起 成立的世界蓝牙组织b l u e t o o t hs p e c i a li n t e r e s tg r o u ps i g 采用了技术标准公开的策略来 推广蓝牙技术。到目前为止，世界蓝牙组织b l u e t o o t h s i g 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 名领导成员p r o m o t o r s 即是由上述5 家发起者再加上微 软、摩托罗拉、朗讯和3 c o m 所组成；全球支持蓝牙技术的2 0 0 0 多家设备制造商都已 经成为它的会员，其中包括像康柏、戴尔、惠普、德仪、高通以及卡西欧、飞利浦、三 星、lg 、精工、夏普等许多世界最著名的计算机行业、通信领域以及消费电子产品， 甚至还有汽车与相机制造商和生产厂家。作为一种近距离的无线通信技术，蓝牙技术并 不是唯一的。但是与其他相应的无线通信技术比较起来，蓝牙技术的优势就在于它全球 统一的、开放的技术标准，技术先进与成本低廉的折衷统一考虑，以及世界蓝牙组织s i g 知识产权的共享即j 。 由于目前i n t e m e t 已经成为事实上的互连标准，因此无线网络势必要采用和目前 i n t e m e t 所用的相同的t c p i p 协议进行通信。本文主要研究了在蓝牙无线个人局域网中 t c p i p 的性能问题，分析了蓝牙基带层的差错控制协议对t c p i p 协议在无线环境下运 行的影响。 1 2 国内外概况 i 2 1 无线个人局域网( w p a n ) 研究现状 随着网络通信技术的发展，一种新的小型无线局域网络正在俏然兴起，这就是业界 华中科技大学硕士学位论文 称之为个人局域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 口捌的一种特殊的小型局域网。现代信息传 递方式也对信息传送的移动化提出更高的要求、在有限的环境中，组成l a n 以实现信 息共享和设备共享( 打印机、扫描仪等) 。w p a n 网就是在一个活动半径较小、业务类 型丰富、面向特定群体，实现无缝连接的移动通信网。这是一种与广域网、局域网并列 但是范围较小的无线网络。w p a n 的基本思想是：以无线方式实现个人信息终端的智能 化互联，组建个人化的家用或办公用信息网络f 7 l 。 w p a n 主要适用于室内短距离通信，相对应地，w p a n 具有其自身的一些特点，例 如设备体积小、便于携带、收发功率小、工作频段较高、通信环境相对稳定、可低成本 实现较高的q o s 等。 w p a n 的实现技术有多种，主要有b l u e t o o t h t 8 】、i r d a t 吼、h o m e r f t l 0 1 这三种技术。 其中蓝牙技术作为主流技术之一，得到了象e r i c s s o n 、n o k i a 、m 纠、m 等厂商的支持。 1 2 2 w p a n 构成技术比较 w p a n 网的核心是短距离的无线链接技术。目前，常用的技术有i r d a 、h o m e r f 、 b l u e t o o t h 三种。他们各有自己的产生背景、技术特点、应用范围和市场前景。 1 基于i r d a 的w p a n 研究现状 红外线数据标准协会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 n ) 成立于1 9 9 3 年。是非营利性 组织致力于建立无线传播连接的国际标准。目前在全球拥有1 6 0 个会员。参与的厂商 包括计算机及通信硬件、软件及电信公司等。 简单地讲，i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件 技术都已比较成熟。它在技术上的主要优点有： 无需专门申请特定频率的使用执照，这点，在当前频率资源匮乏，频道使用费用 增加的背景下是非常重要的。 具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点，h p 公司目前己推出结合模块 应用的约从2 5 x 8 0 x 2 9 m r f l 3 到5 3 x 1 3 o 8 8 m m 3 的专用器件；与同类技术相比耗电 量也是最低的。 传输速率在适合于家庭和办公室使用的匹克网( p i c o n e t ) 中是最高的由于采用点 到点的连接，数据传输所受到的干扰较少，速率可达1 6 m b s 【1 l 】。 2 华中科技大学硕士学位论文 除了在技术上有自己的技术特点外、i r d a 的市场优势也是十分明显的，目前a 全 世界有5 0 0 0 万台设备采用i r d a 技术并且仍然每年以5 0 的速度增长。有9 5 1 约手 提电脑安装了i r d a 接1 3 。在成本上红外线l e d 及接收器等组件远较一般r f 组件来 得便宜，i r d a 端口的成本在5 美无以内，如果对速度要求不高甚至可以低到1 5 美无以 内，相当于目前蓝牙产品的十分之一。 但是i r d a 也的有缺陷。首先，i r d a 是一种视距传输技术，也就是说两个具有i r d a 端口的设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，这在两个设备之间是容易实现的， 但在多个电子设备间就必须彼此调整位置和角度等。其次，i r d a 设备中的核心部件一红 外线l e d 不是种十分耐用的器件，对于经常要反复使用的设备，会很快的因为老化而 不能使用。 2 基于b l u e t o o t h 的w p a n 研究现状 早在蓝牙标准制定的前一年，i e e e 的有关工作组就已经开始w p a n 的准备工作。 起初，i e e e 执行委员会认为由于这是局域网内部的无线通信技术，所以就将此任务交给 了对w l a n 有着突出贡献的8 0 2 1 1 工作组，当时主要的工作就是实现无线局域网和无 线个人局域网的无缝隙连接，经过一年的努力工作，小组成员的结论是，现有的i e e e 8 0 2 1 1 中有关支持三种物理媒介层的m a c ( m e d i u m a c c e s sc o n t r 0 1 媒介访问控制) 中 规定的基础结构并不适用于w p a n 因此1 9 9 9 年3 月。原由8 0 2 1 1 领导的w p a n 小组 单独成立i e e e8 0 2 1 5 工作组 6 1 。其主要目的是：在个人工作空间( p e r s o n a lo p e r a t i n g s p a c e ，p o s ) 内建立无线通信的国际标准，实现和8 0 2 1 1 协议族的融合，同时考虑经济 与技术方面的可实现性【1 3 】。 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线 连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接l i “。 蓝牙工作在全球通用的2 4 g h zi s m ( 即工业、科学、医学) 频段。蓝牙的数据速 率为1 m b s ，采用时分双工传输方案来实现全双工传输l l ”。由于i s m 频带是对所有无线 电系统都开放的频带，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、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了 快速确认和跳频方案【1 6 】以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道( h o p c h a n n e l ) ，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列( 即一定的规律，称为”伪随机 华中科技大学硕士学位论文 码”) 不断地从一个信道跳”到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而 其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰f l 7 1 ：跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频 谱技术使这个窄频带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小。 与其它工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更快，数据包更短，这使蓝牙比其它 系统都更稳定。f e c ( f o r w a r d e r r o rc o r r e c t i o n ，前向纠错) 的使用抑制了长距离链路的 随机噪音f ”1 。应用了二进制调频( f m ) 技术的跳频收发器来抑制干扰和防止衰落。 蓝牙基带协议是电路交换与分组交换的结合。在被保留的时隙中可以传输同步数据 包，每个数据包以不同的频率发送。一个数据包名义上占用一个时隙，但实际上可以被 扩展到占用5 个时隙。蓝牙可以支持异步数据信道、多达3 个的同时进行的同步话音信 道，还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持6 4 k b s 同步话 音链路。异步信道可以支持一端最大速率为7 2 l k b ，s 而另一端速率为5 7 6 k b s 的不对称 连接，也可以支持4 3 2 k b s 的对称连接 l 4 1 。 蓝牙系统由以下功能单元组成： 1 无线单元 2 链路控制单元 3 链路管理 4 软件功能 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，可采用无线方式将若干蓝牙设备连成一个匹克 网( p i c o n e t ) ，多个匹克网又可互连成散射网( s c a r t e m e t ) ，形成灵活的多重匹克网的拓 扑结构从而实现各类设备之间的快速通信。它能在一个匹克网内寻址8 个设备f ：0 】( 实际 上互联的设备数量是没有限制的，只不过在同一时刻只能激活8 个，其中1 个为主，7 个为从) 。 ， 3 基于h o m e r f 的w p a n 研究现状 h o m e r f 工作组成立于1 9 9 7 年。是由美国家用射频委员会领导的。它成立的技术 与商业动机和其他几项技术十分相似，其宗旨是在消费者能够承受的前提下。建设家庭 语音、数据内联网。h o m e r f 把共享无线连接协议( s w a p ) 作为未来家庭内联网的几 项技术指标，使用i e e e8 0 2 1 1 无线以太网作为数据传输标准，通信频段也是2 4 g h z 。 h o m e r f 工作组像当初人们构造a t m 样，提出了整套应用于家庭联网的完整体系， 4 华中科技大学硕士学位论文 包括外围设备和家庭主机之间的连接、外围设备之间的连接、主机和h o m e r f 中央控制 的连接、接入网、p s t n 等叫1 。2 0 0 1 年8 月3 1 日美国联邦通信委员会批准了i n t e l ，m i c o s o r , m o t o r o i a 和p r o x i m 等h o m e r f 组织成员的要求，允许h o m e r f 的传输速率在原来的 2 m b s 的基础上提高四倍，达到8 m ll m b s 传送速率；而且和蓝牙一样，h o m e r f 可以 实现多个( 最多5 个) 设备之间的互联。但f c c 的这一决定，招致了来自包括内部成员 和蓝牙组织成员的反对，主要理由是频率冲突，功耗较大。同时，h o m e r f 工作组的一 些成员提出将原来的发射带宽由1 m h z 提高到5 m h z ，这样速率能够提高得更多。但反 对者认为，信息本来在狭窄的信号通道里跳动。现在如果将狭窄的通道加宽，就会像 辆卡车在几条车道上横冲直撞，从而造成s w a p 设备之间的互相干扰。因此，很多业界 人士对这一技术并不表示乐观【捌。 1 2 3 几种技术的综合比较 下面的图表给给出了在通信速率，传输内容，功耗等几方面的比较数据】。 表1 1h o m e r fi r d a 和b l u e t o o t h 各项指标的比较 k d a 无需专门申请特定频率的使用执照，具有移动通信设备所必需的体积小、功 率低的特点。速率可达1 6 m b p s 。接收角度也由传统的3 0 度扩展到1 2 0 度。蓝牙技术从 应用的角度来讲，与目前广泛应用于微波通信中的一点多址技术十分相似。因此，它很 容易穿透降碍物实现全方位的数据传输。h o m e r f 把共享无线连接协议( s w a p ) 作为 未来家庭内联网的几项技术指标，新兴的家庭网络市场规模将从2 0 0 0 年的6 0 0 0 万美元 增涨到2 0 0 4 年的5 7 亿美无，这几种技术各有所长，所以在一段时间内，它们之间的竞 争是必然，相互间取长补短也是必然的 2 4 - 2 7 1 。 l _ 3 基于蓝牙w p a n 的t c p 研究现状 鉴于t c p i p 己经成为事实上的h t e r n e t 标准协议栈，作为i n t e m e t 扩展的w p a n 也 必将采用它a 因此，分析t c p 在无线网络中的性能【2 8 】，并研究如何使其适应无线网络的 华中科技大学硕士学位论文 环境就变得尤为重要。 t c p 是专门设计用于在不可靠的i n t e m e t 上提供可靠的、端到端的字节流通信的协 议。理论上t c p 不必关心下层i p 是运行于何种物理网络，但实际上必须考虑这一点， 否则可能会使t c p 逻辑_ ：j e 确，但实际性能极差 2 9 j 。t c p 使用基于滑动窗口的流量和 拥塞控制方式，通过确认分组实旌流控制( 接收方窗口通知) 。当在不同介质上4 4 输 时对t c p 性能影响最大的因素在于拥塞控制。拥塞控制最先由j a c o b s o n 提出j ，现在 广泛使用的版本是t c p r e n o t 3 2 1 。目前常用的拥塞控制算法是设计应用于低差错率的网 络环境，它将所有的分组丢失都看作网络拥塞而重传丢失分组从而启动拥塞控制机制， 进行网络的恢复，如：降低传输窗口的大小，减少发送分组的数目；激活s l o w - - s t a r t 算法，限制窗1 2 1 增大到原来水平的速率：采用二进制指数后退策略，重新设置重传定时 器【3 3 】。而无线网络中的分组丢失主要由无线差错和节点移动性所致，因此这些措施都无 谓地压制了传输，进一步降低了网络性能。a u g e 和a s p a s 3 “，l a k s h m a n 和m a d h o w t 3 5 j 还有o e r l a t 3 6 1 等人发现t c p 在无线环境下工作的并不理想。以这种观点看来要使得t c p 协议应用于无线网络需要修改现有的t c p 协议，设法让t c p 知道它所处信道更多的信 息，从而采用合适的控制方案，例如采用改进的s a c k f 3 n ( 选择确认) ，对于有4 0 个字 节可用的t c p 选项，最大可定义7 个块，增加了可用s a c k 块的数目，从而使得无线 网络环境中多个丢失分组的重传效率有较大幅度的提高【3 ”，从实验结果上看来这些方 案都能取得令人满意的效果，但是由于涉及到协议的修改，因此距离实际的使用还有距 离。从这些文章的论据可以发现，这些文章大都假定链路层是没有差错控制的。最新的 研究表明，在使用合适的差错恢复机制的情况下，无线网络的t c p 性能有极大的提高 【3 5 4 0 l 。蓝牙协议基带层使用了的a r q ( 自动重传请求) 方案来保证链路层的可靠性1 4 ”， 因此这种方案对t c p 性能的影响将是本文研究的重点。 1 4 课题主要研究工作 本文拟通过实现一个基于蓝牙技术的无线个人局域网，来研究在蓝牙上的无线网络 的t c p 性能。研究工作包括： 1 对蓝牙技术的体系结构和各功能单元的作用进行深入研究，并在此基础上构建 一个完整的w p a n 网络。 6 ”一。 w + 华中科技大学硕士学位论文 2 通过研究拥塞控制的原理和目前i n t e m e t 上t c p i p 拥塞控制研究方面一些最新 的工作，找出t c p 皿拥塞控制在蓝牙无线网上应用所面临的主要问题及解决方案。 3 在研究蓝牙技术对拥塞控制的影响因素的基础上，提出了一个评价蓝牙w p a n 上传输t c p i p 网络性能的模型，并使用该模型对网络性能进行分析。 7 华中科技大学硕士学位论文 2蓝牙w p a n 的实现 蓝牙支持点到点和点到多点的连接，多个蓝牙设备构成一个p i c o n e t ，多个p i c o n e t 又可互连成s c a t t e m e t ，形成灵活的多重p i c o n e t 的拓扑结构从而实现各类设备之间的快 速通信。本章将深入分析蓝牙系统的体系结构，各功能单元的作用和蓝牙w p a n 的组网 模式，并在此基础上设计一个完整的蓝牙w p a n 。 2 1蓝牙功能单元 + 2 1 1 无线射频单元 蓝牙系统采用全向天线，支持点到多点的通信，使得多台蓝牙设备可以分享网络资 源；支持终端的移动性，更容易查询和发现设备。信号传输不受视距的影响，易于组网。 天线的发射功率按0 d b m 设计，符合f c c 关于i s m 波段的要求。发射功率可达1 0 0 m w ， 系统在2 4 0 2 g h z 到2 4 8 0 g h z 之间，采用7 9 个1 m h z 的频点进行跳频。其设计通信距 离为1 0 厘米到1 0 米，增大发射功率可以达到1 0 0 米。 2 1 2 基带控制单元 蓝牙基带控制单元实现基带协议和其他底层连接协议，具体完成三方面功能：网络 建立、差错控制、验证和加密。 1 网络建立匹克网建立之前，所有蓝牙设备均处于等待状态，在此状态下设备每 隔1 2 8 s 监听一次信息，设备一旦被唤醒将在预先设定的3 2 个跳频频率上监听信息。连 接进程由主设备初始化，若一个设备的m a c 已知，就用寻呼信息建立连接：若m a c 未知，则用寻呼查询信息建立连接。在初始寻呼状态主设备在1 6 个跳频频率上发送一 串相同的寻呼信息给从设备，若末收到应答，主设备就在其他的1 6 个跳频频率上发送寻 呼信息。当所需从设备应答后即建立连接，网络便建立起来了。蓝牙基带技术支持两种 连接方式： ( 1 ) 面向连接( s c o ) 的同步传输方式：主要用于话音传输。 ( 2 ) 面向无连接( a c l ) 的异步传输方式：主要用于分组数据的传输。 华中科技大学硕士学位论文 应当说明的是在同一匹克网中，不同的主从设备可以采用不同的连接方式，而且在 一次通信中，连接方式可以改变。每一连接方式支持1 6 种不同的分组类型，其中控制分 组四种，为s c o 和a c l 通用的分组。两种连接方式均采用时分双工( t d d ) 通信。s c o ，为对称连接，支持实时语音传输，主从设备无需轮询即可发送数据。s c o 的分组既可以 是语音也可以是数据。当发生中断时，只有数据部分需要重传。a c l 是面向分组的连接， 支持对称和非对称两种传输流量，同时还支持广播信息。在a c l 方式下，主设备控制 链路带宽并负责从设备带宽的分配，从设备按轮询发送数据。 2 差错控制基带控制器采用三种纠错方式：1 3 正向纠错编码( f e c ) 、2 3 正 向纠错编码、和自动请求重传( a r q ) 。采用f e c 编码的目的是减少数据重发的次数， 但在无差错环境下，f e c 校验位失去作用而且降低了数据吞吐量，因此业务数据是否加 f e c 校验应视具体情况而定。对于含有重要连接信息和纠错信息的分组报头应始终采用 1 3 f e c 校验码进行保护传输。对于需在发送后的下一时隙给出确认的数据传输，使用 a r q 方式。回送a c k 意味着头信息校验及c r c 校验均正确；否则，回送n a c k 。 3 验证与加密物理层提供验证与加密服务，验证与加密采用口令应答方式，在 连接过程中，可能需要一次验证或两次验证，也可能无需验证。验证对蓝牙系统而言是 一个重要的组成部分，它允许用户自行添加可信任的蓝牙设备。蓝牙系统采用流密码加 密技术，便于硬件实现，密钥长度可以是0 、4 0 、6 4 、1 2 8 位，蓝牙设备在每次建立链路 时都要核对密钥，通信时该密钥用于鉴权和加密。密钥由高层软件管理。蓝牙验证与加 密的目的是提供适当级别的保护，如果用户有更高级别的保密要求，需使用传输层和应 用层安全机制。 2 1 _ 3 链路管理单元 链路管理单元实现通信链路的建立、验证、链路配置。链路管理器可发现其他链路 管理器，并通过链路管理协议( l m p ) 建立通信联系，链路管理器利用链路控制器( l c ) 提供的服务实现上述功能。l c 实现的功能有：接收和发送数据、设备号请求、链路地 址查询、建立连接、验证、协商建立连接的方式、确定分组的帧类型、设置设备的工作 方式( 监听、休眠或保持) 华中科技大学硕士学位论文 2 1 4软件功能单元 蓝牙计划的目的是确保任何蓝牙设备实现互通，因此蓝牙设备必须能够彼此识别， 并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能。互通性要求采用相同的应用层协议。 软件的互通性指链路级协议的多路传输、设备和服务的发现以及分组的分段和重组a 这 些功能由蓝牙手机、手持设备、及笔记本电脑来完成。蓝牙软件结构单元利用现有规范， 像o b e x 、v c a r d v c a l e n d a r 、h i d 、w a p 、p p p 及t c p i p 等协议规范，而不去开发 新的协议。软件单元主要实现的功能有：蓝牙设备的发现、与外围设备的通信、音频通 信及呼叫控制、交换名片和电话号码等。 2 2蓝牙协议体系结构 蓝牙协议规范的目标是允许遵循规范的应用能够进行相互间的操作。为了实现互操 作，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。不同的应用可以运行于不同 的协议栈，但是，每一协议栈都使用同一公共蓝牙数据链路和物理层。图2 i 就是互操 作应用支持的蓝牙应用模型之上的完整的蓝牙协议栈。 i v c a r d v c a lw a e io b e xw a j p i a t 。智令l l t c p i p ll s d p l lb 1q e p i j 罔 u d p l lt c i i pl l p p p l r f c o m m l i l 2 c a p i i l m p l 基带 蓝牙无线电信道 图2 1 蓝牙协议栈 i o 华中科技大学硕士学位论文 i ii 。 并不是所有的应用程序都需要利用全部的协议。相反，应用程序往往只利用协议栈 中的某些部分。并且，协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服 务，比如说t c s ( 语音控制规范) 或s d p ( 服务搜索协议) 等。实际上上面的示意图描 述的是当需要有效地传输数据时，如何利用其他协议扶过过程中的相互关系。例如，只 有当一些协议( l 2 c a p 、t c s ) 需要控制链路管理器时，才会使用l m p ( 链路管理协议) 。 如图2 1 所示，整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议( l m p 、l 2 c a p 等) 和非蓝牙指 定协议( 如对象交换协议o b e x 、t c p 佃) 。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用 现有的各种高层协议、保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性，充 分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自 由地选用其专利协议或常用的公共协议，在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。 2 2 1 蓝牙协议分层结构 蓝牙体系结构中的协议可以分为四层。 核心协议：基带、l m p 、l 2 c a p 、s d p 电缆替代协议：r f c o m m 电话传送控制协议：t c s 二进制、a t 命令集 可选协议：p p p 、u d p t c p i p 、o b e x 、w a p 、v c a r d 、v c a l 、i r m c 、w a e 、b n e p ( 蓝牙网络封装协议) 除上述协议层外、规范还定义了圭机控制接口( h c i ) ，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。在图2 1 中h c i 位于l 2 c a p 的下层、但h c i 也可位于l 2 c a p 上层 蓝牙核心协议由s i g 制定的蓝牙指定协议组成，绝大部分蓝牙设备都需要核心协议 ( 加上无线部分) ，而其他协议根据应用的需要而定。 2 2 2 蓝牙核心协议简介 1 基带协议( b a s e b a n d ) 基带协议在网络建立之初发现蓝牙设备，并同链路控制层一起保证匹克网内各设备 单元之间建立无线连接，语音编码数据直接通过基带协议传输，呼叫控制命令( t c sb i n 和a tc o m m a n d s ) 建立在虚拟串口协议r f c o m m 基础上，通过l 2 c a p 处理后进入基 华中科技大学硕士学位论文 带传输。 2 链路管理协议( l m p ) 链路管理协议负责蓝牙设备间无线连接的建立与控制。通过连接的发起、交换、核 实，进行身份验证和加密，通过协商确定基带数据分组的大小；控制无线设备的电源模 式和工作周期，以及匹克网中设备单元的连接状态。 3 逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ) 当业务数据不经过l m p 时，l 2 c a p 为上层提供服务，l 2 c a p 采用了多路技术、分 割和重组技术、群提取技术，允许高层协议以6 4 k 字节收发数据分组。不过l 2 c a p 仅 支持a c l 连接。 4 服务发现协议( s d p ) 服务发现是所有用户模式的基础，使用s d p 可以提供设备的信息和服务类型，从 而在蓝牙设备闻建立连接。 2 2 3应用协议 蓝牙的应用包括基于o b e x 的对象交换、基于p p p 的互联网应用和话音通信应用 三种。在1 i 版本后加入了在l 2 c a p 之上通过b n e p 直接支持婵的应用。应用协议有： 电缆替代协议：在蓝牙基带协议上仿真r s 2 3 2 控制数据信号，为使用串行线传送 数据的上层协议提供服务。 二元电话控制协议和a t 命令集电话控制协议：定义了蓝牙设备间建立语音和数据 呼叫的控制命令及控制多用户模式下移动电话、调制解调器等的命令集。 基于o b e x 的对象交换协议：类似于m 1 甲协议，采用客户机一服务器模式和独立 于传输机制和传输应用程序的接口，完成电子名片交换( v c a r d ) 、电子日历及其交换 ( v c a l ) 、电子笔记本( v n o t e ) 、电子信息( v m e s s a g e ) 等。 可选用的应用协议t c p u d p i p 用于完成蓝牙设备与i n t e m e t 进行互联通信。 w a p 将互联网信息和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话或其他无线终端上。建立在 l 2 c a p 基础上，采用不同的协议栈组构成相应的协议栈可实现不同的用户模式，如文件 传输模式、同步模式、局域网访问模式、一机三用电话模式、互联网网桥模式等。 新加入的b n e p 协议的可以在l 2 c a p 上直接支持t c p i p 协议，b n e p 支持8 0 2 _ 3 华中科技大学硕士学位论文 以太网封装的所有网络协议，从不同网络上发来的数据包包含在蓝牙封装包中直接发到 l 2 c a p 上。 2 2 4蓝牙系统的构成及其拓扑结构 支持蓝牙技术的设备以特定的方式构成一个网络，本文将其称之为匹克网 ( p c o n e t ) 。匹克网最多由八个设备组成，所有蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。 但当匹克网建立时，只有一台设备的时钟和跳频序列用来使其他设备同步，该设备称为 主设备( m a s t e ru n i t ) ，其他被同步的设备称为从设备( s l a v eu n i t ) 。匹克网中的设备具 有唯一的m a c 地址( m a ca d d r e s s ) ，用于相互区分和标识，该地址以3 个b “表示。匹 克网中的设备可处于休眠状态( p a c ks t a t e ) 、监听( s i a i f f s t a t e ) 状态或保持( h o l ds t a t e ) 状态，当处于休眠状态时设备无m a c 地址。由若干独立的非同步的匹克网构成分布式 网络( s c a t t e rn e t w o r k ) ，使用蓝牙技术构成的p a n 因而可认为是一个分布式网络。图 2 2 示出了其网络拓扑结构。 图2 2 分布式网络 2 3蓝牙、卯a n 的组成 为了能够实现和i n t e r a c t 的接入，在一个w p a n 网中必须有两个部分n a p ( n e t w o r k a c c e s sp o i n t ) ，g n ( g r o u p a dh o cn e t w o r k s ) 2 0 1 , 每个部分都有不同的网络结构和网络要 求。 2 3 1n e t w o r ka c c e s sp o i n t 一个n e t w o r ka c c e s sp o i n t 是一个安装有一个或多个蓝牙设备的装置。它在不同的网 络和蓝牙网络中可以作为一个网桥、代理或者路由器。n e t w o r ka c c e s sp o i n t 允许一个或 多个设备对它的访问，同时这些设备中的每一个都可以访问到该网络上的所有共享资源。 华中科技大学硕士学位论文 n e t w o r ka c c e s sp o i n t 负责提供对其它不同网络的访问手段。例如：i s d n ，p s d n 一 图2 2n e t w o r ka c c e s sp o i n t 图示 2 3 2 g r o u pa d h o cn e t w o r k g r o u pa d h o cn e t w o r k i n g 是一组移动设备合作组成的一个无线a d = h o c 网，各设备之 间没有其它网络设备的支持。在本文中仅讨论全部由蓝牙设备互连的一个p i c o n e t 这种情 况。一个p i c o n c t 由一个主设备和其它l 到7 个蓝牙从设备组成。p i c o n e t 中的通信是在 主设备和从设备之间完成的。在网络中可能还有其它的未激活设备，这些设备处于待机 模式，同一时间一个p i c o n e t 中只能最多有7 个激活的从设备，一个典型的g r o u p a d h o c n e t w o r k 如图2 3 。 图2 3g r o u pa d - h o cn e t w o r k 图示 1 4 华中科技大学硕士学位论文 n e t w o r ka c c c s sp o i n t 和g r o u pa d - h o cn e t w o r k 是两种不同的服务。n e t w o r ka c c e s 口o i n t 为其它蓝牙设备提供接入服务，g r o u pa d - h o cn e t w o r k 是为让其它蓝牙设备加入 a d h o c n e t w o r k 而设计。n e t w o r k a c c e s s p o i n t 和g r o u p a d - h o c n e t w o r k 为上层应用使用 i p 或其它协议提供了一个基础。 2 4 蓝牙w p a n 协议栈 下面两幅图分别显示了完整的n e t w o r k a c c e s sp o i n t 和g r o u p a d h o c n e t w o r k 应用的 协议栈和涉及到的实体。 图2 4n e t w o r ka c c e s sp o i n t 接入协议栈 图2 5g r o u pa d h o en e t w o r k 接入协议栈 m e 代表管理器实体( m a g a g e m e n te n t i t y ) 负责初始化过程，配置和连接管理。 n e t w o r k a c c e s sp o i n t ( n a p ) 为其它设备提供某些类似于以太网网桥的n a p 服务。 提供n a p 服务的机器在其所连接的设备间传递以太帧。p a nu s e r 和n a p 间使用蓝牙封 华中科技大学硕士学位论文 装协议( b n e p ) 交换数据。提供n a p 服务的设备同时还使用附加的网络设备用以和不 同的网络通信。 g r o u p a d - h o cn e t w o r k ( g n ) 提供g n 服务。一个提供g n 服务的设备必须能够 在它所连接的设备间传递以太帧。t h eg r o u p a d h o cn e t w o r k 和p a nu s e r 间使用蓝牙封 装协议( b n e p ) 交换数据。g r o u p a d h o cn e t w o r k s 部提供访问其它网络的任何手段。 但是，g r o u p a d h o cn e t w o r k s 允许其中的一组设备组成一个临时的网络来交换信