（计算机软件与理论专业论文）蓝牙个人局域网的研究与实现.pdf

主室摘要 中文摘要 摘要：蓝牙技术是移动通信技术和计算机网络技术结合的产物，它的出现提 供了一种开放的无线语音和数据通信标准。随着短距离无线通信在当今社会中越 来越广泛的应用，无线个人区域网成为当前发展最迅速的领域之一。在众多无纠 技术中，蓝牙以其成本低廉、组网灵活等优点而成为新的研究热点，是个人局城 网( p a n ) 的理想实现技术。 本文所要解决的问题是，在对蓝牙技术和无线个人局域网进行分析和研究的 基础上，运用组件技术设计并实现了一种基于蓝牙的个人局域网。 本文首先研究了蓝牙技术的特点和个人局域同的应用框架，分析了蓝牙网络 封装协议( b n e p ) 。在调研与分析的基础上，结合c o m 组件技术的原理和b n e p 协议规范，设计出了基于组件技术的蓝牙个人局域网系统，包括自底向上的分层 体系结构的设计、驱动程序结构的设计以及数据传输机制的设计等。然后在 w m d o w s 平台上实现了蓝牙个人局域网，包括底层通信机制的实现、服务管理的 实现和连接管理的实现等，并结合工程实际，分析了几个典型问题并给出了相应 的解决方案。 本文通过对蓝牙测试原理的分析和研究，设计并实现了蓝牙个人局域网的自 动测试系统。通过自动测试系统的实际应用，验证了蓝牙个人局域网的性能和稳 定性，并为其他蓝牙应用模型的自动化测试提供了参考。 本课题设计并实现的蓝牙个人局域网作为软件产品b l u e s o l e i l5 x 的一部分， 已经进入国内外市场，得到了用户的认可，达到了预期的目标。 关键词：组件技术；个人局域m ( p a n ) ：蓝牙网络封装协议f b r , m p ) ；组网( g n ) ；网 络访问点0 q a p ) 分类号：t p 3 1 1 5 2 垦5 卫i 鲤 a b s r a c t a b s t r a c t ：n 嵋b l u e t c o t ht e c h n o l o g yi sac o m b i n ep r o d u c to f m o b i l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y , i t sa p p c a r a n o eh a sp r o v i d e da 眦 o fo p e nw i r e l e s sp r o n u n c i a t i o na n dd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d a l o n gw i t h w i d e s p r e a da p p l i c a t i o no f t h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o r r e s p o n d e n c ei sm o l ea n dm o r e u s e di nt h em o d e ms o c i e t y , t h ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ( p a n ) b e c o m e so n eo f t h em o s tr a p i dd e v e l o p i n gd o m a i n sc m t e n t l y b yc o s t i n gi n o x p f l l s i v e , t h en e t w o r ki s n i m b l ea n ds o0 1 1m e r i t , t h eb l u e t o o t hb 。c o m 姻t h en e wr e s e a r c hh o ts p o to ft h e m u l t i t u d i n o u sw i r e l e s st e c h n o l o g ya n dt h eg o o dc h o i c eo f p a nr e a l i z a t i o n 1 1 蝣k e yp r o b l e mt h i sa r t i c l ei n t e n d st os o l v ei st h a ti nt h ef o u n d a t i o no fr e s e a r c h a n da n a l y s i st ot h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dt h ew i r e l e s sp a n ，d e s i g na n dr e a l i z e sa k i n do f b l u c t o o t hp a nu s i n gt h em o d u l et e c h n o l o g y f i r s t l y , t h i sa r t i c l es t u d i e dt h eb l u e t o o t ht e c h n o l o g yc h a r a c t e r i s t i ca n da p p l i c a t i o n p r o f i l eo fp a n , a n a l y z e dt h eb l u e t o o t hn e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c o l ( b n e p ) s e c o n d l y , u n i f i e dt h ed e s i g np r i n c i p l eo fc o m m o d u l et o c h n o l o g ya n db n e pp r o t o c o l , b l u e t o o t hp a nw a sd e s i g n e d , w h i c hb a s e do nt h em o d u l et e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h e b o t t o mu p w a r dt o ps y s t e ms t r u c t u r e , d r i v e rs l r u c t ed e s i g n 勰w e l l8 sd a t at r a n s m i s s i o n m e c h a n i s md e s i g na n ds o0 1 1 t h i r d l y , t h i sa r t i c l er e a l i z e db l u e t o o t hp a ni nw i n d o w s o s p l a t f o r m , i n c l u d i n g n l e f i r s t f l o o r c o r r e s p o n d e n c e m e c h a n i s mr e a l i z a t i o n , t h es c r v i c e m a n a g e m e n tr e a l i z a t i o n a n dt h ec o n n e c t i o nm a n a g e m e n tr e a l i z a t i o n , e t c t h e n a c c o r d i n gt op r o j e c tr e a l i t y , s e v e r a lt y p i c a lq u e s t i o n sh a v e b e e na n a l y z e da n d c o r r e s p o n d i n gs o l u t i o nh a sb e e np r o d u c e d t h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c ho f b l u e t o o t ht e s tp r i n c i p l e , t h i sa r t i c l ed e s i g n e da n d r e a l i z e dt h eb l u e t o o t hp a na u t o m a t e dt 鳅s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o no ft h i sa u t o m a t e dt e s ts y s t e ma p p l i c a t i o n , t h ep e r f o r m a n c ea n ds m b i l i t yo f b l u e t o o t h 洲i sc o n f i r m e d a tt h es a m et i m e , p a na u t o m a t e dt e s th a sp r o v i d e dt h e r e f e r e n c ef o ra u t o m a t e dt e s to f o t h e rb l u e t o o t hp r o f i l em o d e l a sap a r to f b l u c t o o t hs o f t w a r eb l u e s o l c f l5 x ，b l u e t o o t hp a nw h i c hd e s i g n e da n d r e a l i z e db yt h i sa r t i c l eh a sa l r e a d ye n t e r e dt h ed o m e s t i c 硼1 df o r e i g nm a r k e t s , o b t a i n e d l i s e r sa p p r o v a l a n da c h i e v e dt h ea n t i c i p a t e dg o a l k e y w o r d s ：m o d u l et e c h n o l o g y ；, p e r s o n a la r e an e t w o r k ( p a n ) ；b l u c 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 o l ( b n e p ) ；g r o u pa d - h o cn e t w o r k ( g n ) ；n e t w o r k a c c e s s p o i n t ( n a p ) c l a s s n o ：t p 3 1 1 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲计喻名：彩谤七 签字日期：矽kp 月一日 签字日期：川年，刃乃日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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作 了明确的说明并表示了谢意。 学位敝储张朝褊签锢期：沸2 月g 日 6 1 致谢 本论文的工作是在我的导师李伟生教授的悉心指导下完成的，李伟生教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 李伟生老师对我的关心和指导。 李伟生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向李伟生老师表示衷心的谢意。 须德教授和宋泽海老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，杨松华、祁飞、张敬、官腾飞等同学对我论 文中的蓝牙通信原理和蓝牙协议栈研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我 的感激之情。 另外也感谢我的父亲和母亲，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 1 1 课题的背景和意义 l 绪论 随着科学技术的发展和信息时代的来临，现在人们所携带的电子信息设备越 来越多，像笔记本电脑、移动电话、p d a 等已不再只是商务人员的必备工具，正 逐步进入百姓的日常生活。这些信息设备的功能越来越强大，同时尺寸却越来越 小，人们己不能仅仅满足于它们各自独立工作，丽是迫切需要各种设备之间能方 便地进行信息的交互。因此，在小范围内能够将个人设备互联而组成的网络一 个人局域网( p a n ，p e r s o n a la r e an e t w o r k ) 便应运而生。p a n 核心思想是用无线电 或红外线代替传统的有线电缆，实现个人信息终端的智能化互联，组建个人化的 信息网络。从计算机网络的角度来看，p a n 是一个局域网；而从电信网络的角度 来看，p ：a n 是一个接入网。 蓝牙技术刚一在国外推出我们就意识到这项技术将是未来无线局域网技术 发展的方向。蓝牙作为一种小范围无线连接技术，面向的是移动设备间的小范围 连接，本质上说它是一种电缆替代技术， 全、低成本、低功耗的数据和语音通信， 同的主流技术之一。 它能够在设备问实现方便快捷、灵活安 因此，蓝牙成为目前实现无线个人局域 由于目前i n t e r a c 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 r n e t 相同的t c p i p 协议进行通信。蓝牙的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 ) 协议提供了蓝牙数据包和以太网数据包的无缝切换u j ，因 此使用蓝牙实现无线网络替代有线网络成为实现个人局域网的首选方案。 蓝牙技术的研究与应用是北京交通大学立项的研究课题，个人局域网作为蓝 牙技术在平台应用中的重要组成部分，越来越被用户认可，特别是在欧美等发达 国家，因此蓝牙个人局域网有着广阔的发展前景和市场需求。在研究本课题以及 撰写论文过程中，得到了艾威梯软件技术( 北京) 有限公司的大力支持，作者一 直在生产的第一线从事蓝牙个人局域网的研究、设计和软件开发工作。撰写本文 的时候，本课题设计并实现的蓝牙个人局域网模块作为该公司主打软件产品 b l u e s o l e i l5 x 的一部分，已经进入国内外市场，并且被正式发布给c s r 等国际知 名厂商，取得了良好的反响，达到了预期的目标。 不仅如此，蓝牙个人局域网也是目前比较有前途的研究方向，蓝牙技术本身也 正在进行与时俱进的更新。据蓝牙标准化组织s i g 介绍，日后蓝牙的传输速率将 达到每秒数百兆字节，这将使得制约蓝牙个人局域网的速率瓶颈问题迎刃而解， 使得蓝牙个人局域网真正替代有线网络成为可能。因为蓝牙技术有着光明的前途， 并且使用蓝牙技术实现个人局域网无可匹敌的优势，再加上本课题实际的工程背 景，所以使得本课题有着非常广泛的理论与实际意义。 1 2 国内外的研究现状 纵观国内外p a n 的研究现状，p a n 的实现技术不外乎四种：i r d a 、8 0 2 1 1 、 h o m e r f 和蓝牙。下面，分别对这四种技术进行分析比较。 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它在技术上具有移动通信设 备所必需的体积小、功率低、耗电量低的特点。传输速率在这四种技术中是最高 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 。但 是，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i 另外，i r d a 设备中的核心部件一红外线 l e d 并不耐用，如果经常用装配i r d a 端口的手机上网，可能很快就不堪重负了。 8 0 2 1 1 、h o m e r f 和蓝牙的工作频段均为非授权的工业、医学、科学频段( 2 4 g h 的i s m 频段) ，从而保证能在全球范围内可以不用申请就直接使用。i e e e 8 0 2 1 l 工作在开放式系统互联参考模型( o s 删的物理层和m a c 层 2 1 其m a c 层利用 载波监听多重访问，冲突避免( c s m a c a ) 协议；而在物理层，i e e e 8 0 2 1 l 定义了三 种不同的物理介质：红外线、跳频扩频方式( f i ) 以及直扩方式( d s ) 。i e e e 8 0 2 1 1 支持1 1 1 m b s 较高的数据速率，但是由于它的成本比较高而且功耗比较大，因此 很少用在p a n 的实现中。 h o m e r f 是专门为家庭用户设计的。h o m e r f 利用跳频扩频方式，通过家庭中 的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音 通信，又可以通过载波监听多重访问冲突避免协议提供数据通信服务。 蓝牙技术是一种支持点到点、点到多点的话音、数据业务的短距离无线通信 技术。蓝牙技术的发展极大地推动了p a n 技术的发展，蓝牙的设计初衷就是利用 一种小型化、低成本和低功率的无线通信技术，形成一种个人身边的网络，使得 其覆盖范围之内各种信息化的移动或固定设备都能无缝”地实现资源共享。其实质 内容是要建立通用的无线电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，使不同厂家生产的这类设备在没有电线或电缆相互连接的情况下， 也能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。因为蓝牙技术可以方便地嵌入到 单一的c m o s 芯片中，因此它特别适用于小型的移动通信设备。 2 总的来讲，h 1 ) a 对于要求传输速率高、使用次数少、移动范围小、价格比较 低的设备，如打印机、扫描仪、数码像机等比较适合；i e e e 8 0 2 1 1 传输距离长， 速度快，比较适于公司企业中距离较大的无线网络。h o m e r f 技术比较适于家居环 境的通信，因为这种环境的活动半径大于蓝牙技术规定的活动范围，而且一般又 小于i e e e8 0 2 1 l 的半径。蓝牙技术跳频快功耗低、灵活性强，因而在移动设备 互连方面更具有优势，尤其适合于那种活动范围比较广、要求能和多种设备迅速 互联的设备，如：笔记本电脑、数字无绳电话、p d a 、手机等，从而在新兴的个人 局域网领域也更具有吸引力和竞争力。 1 3 本课题的主要工作 本课题所要完成的主要任务是研究基于蓝牙技术的个人局域网，在研究的基 础上结合实际工程的需求，设计并实现了的基于蓝牙技术的个人局域网，使之能 够兼容w m d o w s v i s t a x p 2 0 0 0 三种操作系统平台目前该产品已经上市，得到了 国内外用户的认可，达到了预期的效果。 本课题的主要工作有： 1 调研与分析蓝牙技术和个人局域网的相关知识，包括蓝牙协议栈、蓝牙网 络封装协议、虚拟蓝牙网卡、蓝牙数据流和控制流、动态口地址配置与检测以及 相应的系统安全机制等等，找到相应的解决方案并归纳出实现要点。 2 运用驱动层、协议栈层、应用层的自底向上软件分层结构设计了基于c o m 架构的蓝牙个人局域网，定义了各个模块之间的消息传递和a p i 调用方式，设计 了p a n 的工作机制以及数据流的传输机制等。 3 运用组件技术在w i n d o w s 平台上实现了蓝牙个人局域网的功能，包括底 层通信机制和蓝牙虚拟网卡的实现、p a n 服务管理的实现、p a n 连接管理的实现 等，并把这个模块整合到蓝牙软件之中，使之成为一个整体。 4 从实际项目需求出发，结合蓝牙互操作性测试原理，设计出p a n 的自动测 试模型并实现了该系统。通过自动测试系统的实际应用，验证了蓝牙个人局域网 的性能和稳定性，并为其他蓝牙应用模型的自动化测试提供了参考。 本课题使用c o m 技术设计并实现蓝牙个人局域网，使得整个软件体系结构清 晰、层次明确，提高了软件的稳定性并易于维护和扩展。通过对本课题的研究， 不仅完成了一个完整的系统软件来实现蓝牙个人局域网这个具体的蓝牙应用，同 时还对其它蓝牙产品的开发和测试提供了一整套思路和方法。 3 1 4 本文的组织结构 第一章介绍了课题的产生背景和研究的意义、国内外研究现状，并阐述了本 课题的主要工作和论文的组织结构。 第二章主要讲述蓝牙技术和蓝牙个人局域网的原理。介绍了蓝牙技术的特征、 微微网和分布式网络、蓝牙连接的建立、工作状态的转换以及蓝牙应用规范，分 别描述了组成蓝牙个人局域网的三种成员，最后分析了蓝牙网络封装协议( b n e p ) 。 第三章是在前文调研和分析的基础上，设计了在w i n d o w s 平台上实现的蓝牙 个人局域网。首先是驱动程序结构的设计和蓝牙虚拟网卡的设计，然后根据蓝牙 应用软件的体系结构设计出p a n 的自底向上的层次结构，最后设计了蓝牙p a n 数 据传输的机制，其中包括发送和接收数据的流程。 第四章是蓝牙个人局域网的实现。详细阐述了蓝牙p a n 底层通信机制、服务 管理、连接管理等模块的具体实现。其中包括虚拟网卡的实现，协议栈初始化流 程，服务的注册、启动、停止，连接的建立、拆除等内容。最后介绍了实际工作 中遇到的几个问题和相应的解决方案。 第五章是蓝牙p a n 的自动测试的实现。首先根据蓝牙一致性测试模型归纳出 p a n 的测试模型，然后分析了自动测试的实现原理和思想，接着实现了p a n 的自 动测试系统，最后通过对测试结果的分析总结出的关于蓝牙应用的互操作性自动 测试通用框架。 第六章是结论部分。总结了本课题的主要研究成果，并探讨了面临的问题和 进一步的研究方向。 4 2 蓝牙与个人局域网的原理 2 1 蓝牙技术简介 蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一种短距离的无线通信技术，它的提出基于个人通信的， 思想，目标是取代有线电缆。b l u e t o o t h 网络是广域无线通信网络的重要补充 b l u e ；t o o t h 主要支持三大类的应用：话音数据业务的接入、设备的互联和个人局域 网。 蓝牙技术的基本实现原理是蓝牙设备依靠专用的蓝牙微芯片能使设备在短距 离范围内发送无线电信号，来寻找另一个蓝牙设备。一旦找到，相互之间便开始 通信，交换信息。 2 1 1 蓝牙技术相关术语 微微网( p i e o n e t ) 是由采用蓝牙技术的设备以特定方式组成的网络。微微网 的建立是由两台设备( 如便携式电脑和蜂窝电话) 的连接开始，最多由8 台设备 构成。所有的蓝牙设备都是对等的，以同样的方式工作。然而，当一个微微网建 立时，只有一台为主设备，其他均为从设备，而且在一个微微网存在期间将一直 维持这一状况。 分布式网络( s c a t t e m e t ) 是由多个独立、非同步的微微网形成的。 主设备( m a s t e ru n i t ) 是指在微微网中，如果某台设备的时钟和跳频序列用于 同步其他设备，则称它为主设备。从设备( s l a v eu n i t ) 是指微微网中非主设备的 设备。 m a c 地址( m a ca d d r e s s ) 是用3 比特表示的地址，用于区分微微网中的设 备。休眠设备( p a r k e du n i t s ) 是在微微网中只参与同步，但没有m a c 地址的设备。 监听及保持方式( s n i f f a n dh o l dm o d e ) 指微微网中从设备的两种低功耗工作方式。 2 1 2 蓝牙无线通信技术的特征 蓝牙的无线通信技术采用每秒1 6 0 0 次的快跳频和短分组技术，减少干扰和信 号衰落，保证传输的可靠性；以时分方式进行全双工通信，传输速率设计为i m l - l z ： 采用前向纠错( f e c ) 编码技术，减少远距离传输时的随机噪声影响；其工作频段 为非授权的工业、医学、科学频段( 2 4 g h z 的i s m 频段) ，保证能在全球范围内 5 使用这种无线通用接口和通信技术； 制( c v s d ) 编码方式以提高话音质量； 话音采用抗衰落能力很强的连续可变斜率调 采用频率调制方式，降低设备的复杂性。 2 1 3 微微网和分布式网络的拓扑结构 蓝牙系统支持点对点以及点对多点通信。典型的微微网包括一个主设备和七 个从设备。在同一微微网中，所有的用户均用同跳频序列同步【3 】。几个相互独立、 以特定方式连接在一起的微微网构成分布式网络，各微微网由不同的跳频序列来 区分 4 1 。由两个微微网组成的分布式网络的拓扑结构如图2 1 所示。 图2 1 微微网组成的分布式网络 f i g u r e2 1p i c o n e t sf o r m ss c a t t e m e t 2 1 4 蓝牙连接的建立和工作状态的改变 在微微网建立之前，所有设备都处于就绪( s t a n d b 状态。在该状态下，未 连接的设备每隔1 2 8 秒监听一次消息，设备一旦被唤醒，就在预先设定的3 2 个跳 频频率上监听信息。跳频数目因地区而异，但3 2 个跳频频率为绝大多数国家所采 用。连接进程由主设备初始化。如果一个设备的地址已知，就采用寻呼消息( p a g e m e s s a g e ) 建立连接；如果地址未知，就采用紧随寻呼消息的查询消息( i n q u i r y m e s s a g e ) 建立连接。查询消息主要用来查询地址未知的设备( 如公用打印机、传真 机等) ，它与寻呼消息类似，但需要附加一个周期来收集所有的应答。在寻呼状态 ( p a g es t a t e ) ，主设备在1 6 个跳频频率上发送一串相同的页信息给从设备，如果没 有收到应答，主设备就在另外的1 6 个跳频频率上发送寻呼消息。主设备到从设备 6 的最大时延为两个唤醒周期( 2 5 6 秒) ，平均时延为半个唤醒周期( o 6 4 秒) 。 在微微网中，无数据传输的设备转入节能工作状态。主设备可将从设备设置为 保持方式( h o l dm o d e ) ，此时，只有内部定时器工作；从设备也可以要求转入保持 方式。设备由保持方式转出后，可以立即恢复数据传输。连接几个微微网或管理 低功耗器件( 如温度传感器) 时，常使用保持方式。监听方式( s t u f fm o d e ) 和休眠 方式( p 捌【m o d e ) 是另外两种低功耗工作方式。在监听方式下，从设备监听网 络的时间间隔增大，其间隔大小视应用情况由编程确定；在休眠方式下，设备放 弃了m a c 地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息各节能方式依电源效 率高低排列为：休眠方式一保持方式一监听方式 2 1 5 蓝牙协议和应用规范 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 ) 和应用规范( p r o m e ) 两个部分 协议定义了各功能元素( 如串口仿真协议( r f c o m d 、逻辑链路控制和适配协议 ( l 2 c a p ) 等) 各自的工作方式，而应用规范则阐述了为了实现一个特定的应用模型 ( u s a g em o d e l ) ，各层协议问的运转协同机制。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。较典型的p r o f i l e 有拨号网络( d i a l - u pn e t w o r k i n g ) 、 耳机( h e a d s e o 、个人局域网( p a n ) 和文件传输( f i l e t r a n s f e r ) 等，它们分别对应一种 应用模型。图2 2 简要刻画了蓝牙的协议栈结构。 察 籁 c 蝴t o , 8 ，lc s o 现p 蝴lc r f c o m m ，l 瓣黯 ( 电话通信协议) l ( 臌务发现协议) l ( 串口仿真协议) i ! ：盆五葛、 糍 摄 a u d i o ( 音频) l 2 c a p ( 逻辑链路控制与适配协议) 器 趟 h o s tc o n t r o l l e ri n t e r f a c e ( 主机控制器接口) l i n km a n a g e rp r o t o c o l ( 链路管理协议) b a s e b a n d ( 基带层) 图2 2 蓝牙协议栈 f i g u r e2 2b l a e t o o t hp r o t o c o lo t _ c k 7 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 2 中所示的链路管理层( l m ) 、基带层( b b ) 和射频层( r f ) 属 于蓝牙的硬件模块。r f 层通过2 a g h z 无需授权的i s m 频段的微波，实现数据位流 的过滤和传输，它主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所满足的要求。b b 层 负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。l m 层负责连接的建立和拆除以及链路的安 全和控制。它们为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是两个模块接口之间 的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口( h c d 的解释才能进行。也就是说， h c i 是蓝牙协议中软硬件之间的接口，它提供了一个调用下层b b 、l m 、状态和控 制寄存器等硬件的统一命令接口。h c i 协议以上的协议软件实体运行在主机上而 h c i 以下的功能由蓝牙设备来完成，二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交 互。 中间协议层包括逻辑链路控制和适配协议( l 2 c a p ：l 0 画c a ll 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 0 1 ) 、服务发现协议( s d p ：s e r v i c ed i s c o v 铽y p r o t o c 0 1 ) 、串口仿 真协议( r f c o m m ) 、电话通信协议( t c s ：t e l e p h o n ec o n ( a o lp r o t o c 0 1 ) 和蓝牙网 络封装协议( b n e p ：b l u e t o o t h n e l w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) 嘲。l 2 c a p 完成数 据拆装、服务质量控制和协议复用等功能，是其他上层协议实现的基础，因此也 是蓝牙协议栈的核心成分。s d p 为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的 服务及其特性。砒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。t c s 提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令。b n e p 提供蓝牙协议栈和 t c p i p 协议栈的转换，是实现p a n 的前提。 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 矗l e ，是p r o 丘l e 的一部分 2 2 蓝牙个人局域网的组成 蓝牙个人局域网( p a n ) 应用规范定义了使蓝牙设备能加入个人局域网的方法， 规定了单个主从网中蓝牙设备之间的网络发现、网络形成、地址分配、地址解析、 域名解析、桥接或路由和网络安全，一个或多个蓝牙设备的网络接入，使用b n e p 协议将完全未做改动的以太网负荷( p a y l o a d ) 在蓝牙设备间交换【6 】。p a n 定位在家庭 与小型办公室的应用场合，其主要应用范围包括话音通信网关、数据通信网关、 信息电器互联与信息自动交换等。 蓝牙个人局域网应用框架中包括两种网络结构，网络接入点( n a p ，n e t w o r k a c c e s sp o i n t ) 和组网( o n ，g r o u pa d - h o cn e t w o r k ) 。网络接入点又称为网络访问点， 是带有一个或多个蓝牙射频的装置，作为l a n 、g s m 等网络和蓝牙网络之间的网 桥、代理或路由器的设备。网络接入点为每个相连的蓝牙设备提供了网络服务， 如l a n 上共享的资源。组网是由一些移动设备在不需要其他网络硬件或网络设施 下组成的无线自组网络，这种网络为局域网内共享连接提供了支持 7 1 。蓝牙p a n 中还有一种称之为p a n u ( p a nu s e r ) 的设备，作为上述两种网络的客户端出现在蓝 牙网络中，在服务器端( g n 或者n a p ) 的支持下实现同步。 2 2 1 组网( g n ) 的网络模型 具有g n 服务的蓝牙设备能够与其他所有与它连接的蓝牙设备交换以太网包， 而这是通过盼咂p 的支持实现的。g n 允许移动主机不使用任何硬件设备组成一个 自组网络。g n 可以给连接到它的p a n u 提供同步、d h c p 地址分配等服务，g n 可以理解为一个典型的微微网( p i c o n e t ) 。在这个微微网中，g n 自己就是微微网中 的m a s t e r ，连接到它的一个或者多个p a n u 就是微微网中的s l a v e 。g n 可以和 p a n i 进行点对点或者点对多点的通信，但这些通信都是在g n 的控制之下进行 的。典型的g n 网络如图2 - 3 所示 图2 3 典型的g n 网络 f i g u r e2 3r e g u l a rg r o u pa d - h e cn e t w o r k 2 2 2 网络接入点( n a p ) 的网络模型 一个支持n a p 的蓝牙设备具有网桥的一些性质，以此来支持网络服务。如图 2 4 所示。n a p 直接与i n t e m e t 相连，它是其他计算机或设备与外部网络相连的中 介f 3 3 。计算机通过n a p 共享所有的网络资源。n a p 能够提供访问其他网络如 i s d n 、h o m ep n a 电话等的功能。具有n a p 服务的设备在所有连接的设备之间转 9 发以太网包，它拥有额外的网络连接，以太网包通过第二层的网桥机制或者第三 层的路由机制在网络中相互交换。n a p 和p a n u 之间也使用b n e p 交互数据 图2 4 典型的n a p 同络 f i g u r e2 4t e g l 山l n e t w o r k a c c e s sp o i n t 2 2 3 p a n 用户( p i a m ) 简介 p a n u 是n a p 和g n 的客户端，p a n u 的协议模型类似于o n ，只是p a n u 不提供d h c p 和同步等服务。本课题实现的p a n u 不能独立形成蓝牙p a n ，它只 能作为客户端加入g n 、n a p 组成的蓝牙个人局域网。 2 3 蓝牙网络封装协议( b n e p ) 的分析 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 ke n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) 是用于 p a n 应用模型的蓝牙协议，它描述了蓝牙设备组成的个人局域网中传输的数据包 的格式。b n e p 封装来自各种网络协议的数据报，它们直接通过蓝牙的逻辑链路 层( l 2 c a p ) 来传输。b n e p 同时还能够优化数据报的格式( 如省去源地址和目的地 址等) 以节省带宽。n a p 、g n 和蓝牙设备p a n u 之问就是通过b n e p 来交换数 据报的。 蓝牙标准化组织s i g 把b n e p 定义在了l 2 c a p 上层，它对上层口协议提供 了类似于以太网的接口。对于i e e e8 0 2 3 e t h e m e t 封装支持的网络协议，b n e p 均 支持。b n e p 的协议模型如图2 5 所示。 1 0 图2 5b n e p 在蓝牙p a n 中的位置 f i g u r e2 5l o c 曩伽no f b n e p i np a np r o f i l e b n e p 协议被用来在蓝牙无线网络上传输以太包，如图2 6 所示。b n e p 用 b n e p 包头取代以太网包头，包的正文则不变，然后通过蓝牙l 2 c a p 协议层进行 传输。b n e p 的包长是根据l 2 c a p 层的最大传输单元( m t u ，最小值1 6 9 1 b y t e s ) 而决定的，这样就可以确保下层协议有足够的空间来传输整个b n e p 包。 li ：l t m m e t 心附ie l h e m e t 艮i 删i 1 4 8 归 、。、0 - t 5 0 0 b 岫 一 。、t 、 b y 融 a t l e a s t ls y t e 0 t 5 0 0 b y 嚼 图2 6 删e p 报支和以太网报支的转换 f i 肿2 6 c o n v e r s i o a b e t w e e a e t h e r a e t p z e i t a a d b n e p p a c k e t 接收到以太网分组后，b n e p 将分组的以太网头部去掉并加上b n e p 头部( 包括 源地址和目标链路层地址) ，以太网有效载荷不型9 j ：然后在l 2 c a p 层b n e p 头部和 以太网有效载荷不变的基础上加上l 2 c a p 头部进行封装。分组在l 2 c a p 层被分割 成基带层能处理的帧并发送到队列中等待处理。由于蓝牙微微网的机制，g n 或者 n a p 需要维护多达七个这样的队列而p a n u 只维护一个队列【i 们。 数据接收刚好相反，接收到的基带帧首先进入l 2 c a p 层的接收队列，最后一 个帧接受完毕后经过b n e p 重新组装后发往b n e p 层。如果是g n 或者n a p 模式， 则需要重新检查目标链路地址，对于是发往本节点的数据简单处理后向上层传递， 对于需要转发的数据重新组包并转发到相应的目的节点；如果是p a n u 模式，则 表示本节点就是最终目标并将数据发往上层应用程序。b n e p 的最大有效载荷等于 l 2 c a p 的m r u ( 最小为1 6 9 1 字节) 减去1 9 1 字节( b n e p 头部保留字节) ，这样就保 证了所有的以太网分组都能够一次性传递。 1 2 3 蓝牙个人局域网的设计 蓝牙个人局域网( p a n ) 就是要用无线代替有线，用蓝牙硬件在不同设备之闯建 立一条虚拟的蓝牙链路，从而使现有的各种应用软件不经修改，就可以在不同蓝 牙设备之间进行数据传输和数据交换。蓝牙协议和规范指出的创建p a n 需要解决 五个问题【6 j ： 1 ) 组建动态的基于口地址的自组网络； 2 ) 必须提供语言和操作系统无关性： 3 ) 提供通用网络协议的支持，比如l p v 4 和i p v 6 ； 4 ) 为网络接入点提供支持，这样的网络接入点可以是l a n ，g s m 以及 其他数据网络； 5 ) 为小型设备的可用资源、处理器性能和用户接口提供自适应性 以这五个问题作为出发点，使用自底向上驱动、协议栈、应用程序三层的分 层结构来设计蓝牙个人局域网，本章将详细讲述在使用组件技术在w i n d o w s 平台 上设计思路和方法。 3 1 驱动程序结构设计 p a n 网络需要在上层协议和蓝牙协议之间建立一条无缝连接各个蓝牙设备的 无线链路，要实现这个链路，首先要处理和平台相关的驱动程序兼容性问题针 对这种问题，微软有比较成熟的解决方案，称之为网络驱动接口规范n d i s ( n e t w o r k d r i v e ri n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 。根据现有n d i s 的规定和本课题的实际需求，设计 出如图3 1 所示的结构。 图3 1 驱动程序结构 f i g u r e3 1a j h i t e c 札no f d r i v e rp r o g r a m 用户态p 核心态p 如图所示，因为在w m d o w s 驱动程序设计构架中，通讯协议( 如t c p , i p x s p x 等) 都是建立在m i n i p o r td r i v e r 之上的1 。因此，只需实现一个w i n d o w s 关于n d i s 的m i n i p o r t 驱动程序即可。从t c p i p 等高层协议过来的数据通过m i n i p o r t 进入 d i s p a t c hd r i v e r ，然后进入个人区域网应用程序，并通过应用程序进入蓝牙协议栈， 由封装了蓝牙协议栈的服务器进程实现蓝牙连接和硬件操作，这个过程对用户和 操作系统都是透明的。p a ni n t e r f a c e 是提供给蓝牙软件b l u e s o l e i l 使用的，因为建 立连接、断开连接的时候需要通过b l u e s o l e i l 的p a ni n t e r f a c e 进行操作，同样的， 真正的建链、断链的操作也要在协议栈中完成。 综上所述，蓝牙个人局域网的网络接口结构如图所示。 图3 6 蓝牙网络接口结构 f i g u r e 3 6 a r e h i t e e t u r e o f b l u e t o o t h n e t w o r k i n t e r f a c e 虚拟网卡c v n i c