（计算机应用技术专业论文）基于蓝牙技术的文件传输系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 蓝牙是短距离、低成本无线通讯技术之一它可以用于替代移动设备之间 的通讯电缆，从而形成个人无线网络。它不仅使计算机和通信的融合成为可 能，而且随着它的不断进步，还可以把家电、娱乐电子产品与计算机、通信系 统的终端融为一体，使人们在家里、办公室或其他公共场所就能实现统一的操 作和控制，为办公室的自动化和家庭通信的实施创造了良好的条件。蓝牙技术 可视为开放的、全球无线语音和数据通信的技术标准之一。 基于蓝牙系统上的文件传输技术就是蓝牙的一个典型应用，它的开发为后 期的蓝牙应用研究奠定了基础。 蓝牙系统上的文件传输技术是在其文件传输协议栈的基础上实现的，主要 由电缆替代协议层( r f c o m m ) 、逻辑链路控制与适配协议层0 a c a p ) 、服务发 现协议层( s d p ) ，对象交换协议层( 0 b e 均和基带层( b a s e b a n d ) 组成。本文研究分 析了o b e x 会话层的应用接口模型；r f c o m m 协议层的帧类型和帧结构； l 2 c a p 层的状态变迁事件和动作以及l 2 c a p 层通信信道建立、配置和终止过 程；s d p 层的服务发现与搜索。实现了r f c o m m 层的服务注册与撤消、链接 的建立与断开以及发送数据等功能；l 2 c a p 层建立链接以及发送数据等，并给 出了部分功能环节的实现流程和设计步骤。 本文在分析实现文件传输模式的基础上，还进一步分析了蓝牙安全机制。 研究分析了蓝牙通信协议规范中设计的蓝牙安全体系，以及各个协议层中所涉 及的安全体系设计。针对现有的安全机制中存在的闯题提出解决方案。 关键词蓝牙；蓝牙协议；文件传输模式；o b e x ：加密 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b l u e t o o t hi so n eo ft h es h o r t - d i s t a n c e , l o w - c o s tw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s i tw a sb r o u g h tt or e p l a c ec a b l e sb e t w e e np o r t a b l ed e v i c e st of o r ma p e r s o n a lw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k b l u e t o o t hc a nn o to n l ym a k ei tp o s s i b l et o c o m b i n ec o m p u t e rw i t hc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，b u ta l s oi n t e 舯t ch o m e a p p l i a n c e ，e n t e r t a i n m e n te l e c t r i cd e v i c e s , c o m p u t e r sa n dc o m m u n i c a t i o nt e r m i n a l s t h i sw i l lb r i n gc o n v e n i e n c ei nm a n ys i t u a t i o n ss u c ha sh o m ee n t e r t a i n m e n t , o f f i c e a f f a i r s0 1 i ns o m ep u b l i cs e c t o r sb e a t , a u s cb l u e t o o t hc a np r o v i d eu n i v e r s a lo p e r a t i o n s a n dc o n u o h i no t h e rw o r d s , b l u e t o o t hp r o v i d e su sa l le a s ya p p r o a c ho fo f f i c e a u t o m a t i o na n dh o m ec o m m u n i c a t i o n b l u e t o o t hc a nb er e g a r d e da sa k i n do fo p e n , g l o b a lw i r e l e s ss t a n d a r do f v o i c ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s f i l et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h eb l u e t o o t hs y s t e mi sat y p i ca p p l i c a t i o n , i tb u i l du pt h eb a s ef o rt h eb l u e t o o t ha p p l i c a t i o nr e s e a r c hi nf u t u r e f i l et r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yb a s e do nt h eb l u e t o o t hs y s t e mi si m p l e m e n t e do n t h eb a s i so ft h ep r o t o c o ls m c k i t ss o f t w a r es e c t i o nc o n s i s t so fr f c o m m , l 2 c a p , s d p , o b e x ( o b j e c te x c h a n g e ) a n db a s e b a n dp r o t o c 0 1 t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y s e st h e a p p l i c a t i o n i n t e r f a c em o d e lo fo b e x ；t h ef r a m et y p ea n df r a m es t r u c t u r eo f r f c o m mp r o t o c o l ；t h ee v e n ta n da c t i o no fc h a n g es t a t eo fl 2 c a pa n dc s t a b l i 妣 c o n f i g u r e ，t e r m i n a t eo fc o m m u n i c a t i o nc h a n n e lo fl 2 c a pp r o t o c o l ；s d pp r o v i d e sa m e a n sf o ra p p f i c a f i o nt od i s c o v e rw h i c hs e r v i c e sa r ea v a i l a b l e r f c o m ma n d l 2 c a p p r o t o c o i s a r e d e s i g n e d o ft h es e r v i c e r e g i s t r a t i o n a n d d e r e g i s u a f i o n ，c o n n e c t i o na n dd i s c o n n e c t i o n ，s e n d i n gd a t aa n ds oo n , a n dt h ep a r t f l o w c h a r t sa n ds t e p sa r eg i v e n t h ep a c k e tf o r m a to ff i l et r a n s m i s s i o na n dt h ec o d i n g t e c h n i q u e so fe r r o rc o r r e c t i o na r ed e s i g n e db a s e do n t h ea n a l y s i so ft h ep a c k e tf o r m a t a n ds t r u c t u r eo fb a s e b a n d o nt h eb a s eo fa n a l y s eo ff i l et r a n s p o r tm o d e , t h i sp a p e ra l s oa n a l y s e st h e s e c u r i t ya n ds e c u r i t yd e s i g no fe a c hp r o t o c o lo fb l u e t o o t hs y s t e m , a n dt ot a b l ea p r o p o s a l t ot h ep r o b l e mi ns e c u r i t ys y s t e m k e y w o r d sb l u e t o o t h ；b l u e t o o t hp r o t o c o l ；f i l et r a n s p o r tp r o f i l e ；o b e x ；e n c r y p t i o n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景、目的及意义 以爱立信为首，由五家r r 界巨人e r i c s s o n 、1 d s h m a 、m m 、啪l 和 n o k i a 于1 9 9 8 年5 月共同提出来一种近距离无线数字通信的技术标准旨在创 立一项软、硬件结合的公开规范，为所有不同设备提供具有互操作性、可交叉 并发的工具，这个工具便是蓝牙技术。 由于蓝牙技术目前专为个人网络应用而设，通过改进技术可增加蓝牙技术 在其他全新领域内的应用，例如环境传感、音频流应用、多人连线游戏及个别 档案分享等领域。 2 0 0 5 年，蓝牙兴趣小组测试并推出一项全新的蓝牙规范，进一步提高多装 置应用的可用性，改善整体的安全性并大幅度降低电量，从而确保蓝牙感应电 池的使用寿命。服务质量的改进将使用户在同一时间内、不受延误或影响地接 入及运行多个蓝牙设备成为可能。通过提高服务质量，设备内部可自行沟通数 据的传输需求，并将按优先次序分配传输需求。例如，蓝牙技术能够判断打印 命令可以延迟1 秒执行，但针对鼠标或立体声耳机的命令不能有任何延时。 这一规范提高验证字符串更长、同时包含文字及数字的密码时的隐秘性， 大大减少安全性受到威胁的可能。 进一步改善耗电量及将微微网( p i c o n e t ) 最大容量由7 个接收器( s l a v e s ) 及一个发送器( m a s t e r ) 增加至2 5 5 个接受设备及1 个发送器，将令蓝牙技术 完全适应在传感环境中的应用，例如家庭安全系统和工业自动化。同时，蓝牙 技术能使用户采用其他具备蓝牙功能的设备连接感应系统例如，用户只需在 手机上按一个键，即可解除家中的安全系统警告；工厂主管只需将感应器与电 脑连接，便可监测生产工序等 在2 0 0 6 年，蓝牙兴趣小组继续致力于改进蓝牙规范在可用性、安全性及 性能等方面的表现。 多播功能允许用户将同一信息同时传送至多个装置，改善多人连线游戏、 多个立体声耳机及扩音器的可用性并降低耗电量。远程连接虽然存在一定风 险，但隐私保护增强功能将确保处于隐蔽模式的设备免受外部攻击。另外通过 改进性能可使耗电量极低的蓝牙感应器将其感应范围增加至大约1 0 0 米。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究概况 1 2 1 蓝牙技术的现状 自从1 9 9 8 年提出蓝牙技术以来，蓝牙技术的发展异常迅速。蓝牙 b l u e t o o t h 作为一种新的短距离无线通信技术标准，受到全世界越来越多工业界 生产厂商和研究机构的广泛关注。成立了世界蓝牙组织b l u e t o o t hs i g ，采用技 术标准公开的策略来推广蓝牙技术，现已发展成为一个相当大的工业界高新技 术标准化组织，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，一项公开的、全球统一的技术规范得到了工业界如此广泛的关注和支持在 以往是罕见的。近年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术 标准的制定和发展。例如，i e e e 的标准化结构，也已经成立了8 0 2 1 5 工作 组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。i e e e8 0 2 ，1 5 1 t g l 就是讨论建立与蓝牙技术1 0 版本相一致的标准；i e e e8 0 2 1 5 2t g 2 是探 讨蓝牙如何与i e e e8 0 2 i l b 无线局域网技术共存的问题；而i e e e8 0 2 1 5 3t g 3 则是研究未来蓝牙技术向更高速率( 如1 0 - - 2 0 m b i m s ) 发展的闯题。国内的一 些生产厂家与研究部门也准备开始组织蓝牙技术产品的开发。由来自国家主管 部门、企业界、学术界以及研究生产机构的领导、专家、教授等权威人士发起 成立的中国蓝牙技术发展与应用论坛，吸引了众多关注蓝牙技术的各界人士、 还组织国内各界与世界组织s i g 的代表，就双方所关注的阎题进行了认真的讨 论并就双方今后进一步加强联系、共享蓝牙技术信息资源、共同促进蓝牙技 术在中国的推广与应用等问题达成共识。 蓝牙是取代数据电缆的短距离无线通信技术，可以支持物体与物体之间的 通信，工作频段是全球开放的2 4 g h z 频段，可以同时进行数据和语音传输， 传输速率可达到1 m b s ，使得在其范围内的各种信息化设备都能实现无缝资源 共享。蓝牙技术被认为是可应用非常广泛而且极具潜力的一种技术，它可以应 用于无线设备( 如p d a 、手机、智能电话、无绳电话) 、图像处理设备( 照相 机、打印机、扫描议) 、安全产品( 智能卡、身份识别、票据管理、安全检 查) 、消费娱乐( 耳机、m p 3 、游戏) 、汽车产品( g p s 、a b s 、动力系统、安 全气袋) 、家用电器( 电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机) 、医 疗健身、建筑、玩具等领域。蓝牙行业对于市场的持续增长感到欣慰。现在没 有人在置疑它的生命力。2 0 0 2 年，4 0 0 余种蓝牙产品的销量总共达到了3 0 0 0 2 武汉理工大学硕士学位论文 万件；而2 0 0 3 年的数字是2 0 0 2 年的2 倍。i n s t a t m d r 公司预测，蓝牙市场 的规模在2 0 0 7 年将膨胀到6 亿件。爱立信技术授权公司的总裁m a f i ak h o r s a n d 表示：“在如此艰难的经济环境下，蓝牙是少数仍在增长的产品之一”。 1 2 2 蓝牙技术的发展前景及面临的问题 1 蓝牙芯片 蓝牙芯片是蓝牙系统的关键技术。1 9 9 9 年底，朗讯公司宣布了它的第一个 蓝牙集成芯片w 7 0 2 0 ，该产品由一个单芯片无线发送予系统、一个基带控制器 和蓝牙协议软件组成。2 0 0 0 年6 月m i t c l 宜布推出m t l 0 2 0 ，称是世界上第一 种蓝牙基频宽控制器，可进行语音和数据处理。2 0 0 0 年6 月下旬，英国初创公 司( c s r ) 宣布推出第一个支持短距离射频( r f ) 技术的单芯片r f 及基频i c ，该芯 片采用低价策略，每颗售价8 美元，并于2 0 0 1 年底降到了5 美元。c s r 芯片 组可支持的蓝牙频段达2 4 g h z ，并支持蓝牙软件层的快速闪存，能传输语音数 据等多种数据。2 0 0 0 年7 月，日本冲绳电气公司开始出厂了蓝牙芯片组及中间 软件的工业样品。 ， 2 无线耳机 1 9 9 9 年1 1 月，爱立信公司展示了采用蓝牙技术的实用电话耳机，这是第 一个采用蓝牙技术使手得以解放的产品。蓝牙耳机轻巧、无线，通过内建蓝牙 无线发送芯片同插入移动电话上的蓝牙相连，与人通话十分方便 3 手机 在2 0 0 0 年6 月新加坡举办的“通信技术亚洲展览会”上，爱立信公司展 示了内置蓝牙芯片的g p r s 手机r 5 2 0 m 和t 3 6 。 4 笔记本电脑 作为蓝牙技术的倡导者，m m 宣布出台了一系列新的无线增强技术，以与 m m 成功的t h i n k p a d 笔记本电脑的线路设计相配套，同时推出应用蓝牙技术 的全新的t h i n k p a d 笔记本电脑，该电脑带有p o r t o f m o 端口，能方便的连接到 无线调制解调器、照相机和其它设备上，通过蓝牙技术，笔记本电脑将不再需 要无线调制解调器或单独的i s p 帐号，而是将来自笔记本电脑的数据通过无线 电设备发送到蜂窝电话，然后再由蜂窝电话进行传输。 5 无线操作的便携式硬盘 它可利用蓝牙技术无线接收数据，加以存储( 总容量可达2 0 0 兆) ，有了这 种设备之后，用户可在电脑主杌与硬盘之间可进行无线操作。当他离开时可将 硬盘带走，防止他人非法操作 武汉理工大学硕士学位论文 6 个人电脑附件 东芝于2 0 0 0 年8 月推出了具备蓝牙通信功能的p c 卡“p a b t c 0 0 1 ”和可以 安装该p c 卡的模拟m o d e m ”p a b t s 0 0 f 。使用p c 卡。p a b t c 0 0 i ”可以在笔记 本电脑之间通过无线方式传输文件。摩托罗拉公司也于同年公布了其第一批蓝 牙产品，包括一个p c m c i a 卡，个u s b 附件。p c m c i a 卡和u s b 附件都是 个人电脑的附加设备，可以允许个人电脑用无线方式交换信息和整理数据。 信息家电的大浪正席卷而来，“信息产品家电化”与“家电产品信息化” 将是大势所趋。未来的家电产品将越来越趋于网络化、智能化、个性化，成为 信息终端，提供网络服务。未来的信息产品也将不断降低应用门槛，成为方 便、易用，人人都离不开的家庭消费品。丽无线通讯和口宽带网的发展将使先 进的网络终端大显身手，加速信息产品和家电产品的融合。因此，一体化家电 将成为各大家电巨头争夺的焦点。 1 3 蓝牙技术的特点 蓝牙是一种短距离无线通信的技术规范，它最初的目标是取代现有的掌上 电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连接。从目前的应用来看，由于 蓝牙体积小、功率低，其应用已不局限于计算机外设，几乎可以被集成到任何 数字设备之中。蓝牙技术的特点可归纳如下： ( 1 ) 蓝牙技术的开放性 由蓝牙特殊利益集团( s i g ) 制定的蓝牙无线通信的规范完全是公开的和 共享的。只要是s i g 的成员，都有权无偿使用蓝牙的新技术，而且蓝牙技术标 准制定后，任何厂商都可以无偿地拿来生产产品，只要产品通过s i g 组织的测 试并符合蓝牙标准后，品牌即可投入市场。 蓝牙在全球范围内适用。蓝牙工作在2 4 g h z 的i s m 频段，全球大多数国 家i s m 的范围是2 4 2 4 8 3 5 g h z ，使用该频段无须向各国的无线电资源管理部 门申请许可证。 ( 2 ) 短距离 蓝牙无线技术通信距离较短( 一般为1 0 m ) ，消耗功率极低；蓝牙模块体 积很小，可以方便地集成到各种设备中。所以更适合于小巧的、便携式的、并 由蓄电池供电的个人装置。 蓝牙设备在通信链接状态下，有四种工作模式：激活( a c t i v e ) 模式、呼 吸( s n i f f ) 模式、保持( h o l d ) 模式和休眠( p a r k ) 模式激活模式是正常的 工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低功耗模式。呼吸模式下的从设 4 武汉理工大学硕士学位论文 备周期性地被激活；保持模式下的从设备停止监听来自主设备的数据分组，但 保持其激活成员地址；休眠模式下的主从设备间仍保持同步，但从设备不需要 保留其激活成员地址。这三种节能模式中，呼吸模式的功耗最高，对于主设备 的响应最快。 ( 3 ) 蓝牙技术的无线性 蓝牙技术最初是以取消连接各种电器之间的连线为目标的。通过无线的方 式将它们连成一个围绕个人的网络，省去了用户连线的烦恼，在各种便携设备 之间实现无缝的资源共享。 ( 4 ) 蓝牙产品的互操作性和兼容性 蓝牙产品在满足蓝牙规范的前提下，还必须通过s i g 的认证程序，只有通 过了认证程序，才能走向市场。这就保证了即使是不同公司的蓝牙产品，也可 实现互操作和数据共享，达到完全兼容的目的。 ( 5 ) 语音和数据 蓝牙无线通信同时采用电路交换和分组交换技术，支持异步数据信道、三 路语言信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。蓝牙技术以其中一种方 式或两种方式同时使用，能使用所有类型的设备产生通信连接，因此蓝牙是统 一这一领域的理想技术。 ( 6 ) 对人体安全影响不大 随着无线技术的深入人心，辐射也成了消费者非常关心的问题。而目前并 未发现蓝牙产品的辐射对人体有影响。蓝牙产品的输出功率仅为l m w ，而这些 输出只有一小部分被人体吸收。 = 1 4 蓝牙技术和其它技术比较 1 4 1i e e e 8 0 2 u 、h o m e r f 和蓝牙之间的比较 无线个人局域网( w p a n ) 是当前发展最迅速的领域之一，相应的新技术 也层出不穷，目前无线个人区域网的技术主要有w i f i 、h o m e r f 和蓝牙，它 们都可以工作在2 4 g h z 频段上。 l 、w i f i 第一个版本发表于1 9 9 7 年，其中定义了介质访问接入控制层( m a c 层) 和物理层。物理层定义了工作在2 4 g i - i z 的i s m 频段上的两种无线调频方式和 一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为2 m b i t s 。两个设备之间的通信可 5 武汉理工大学硕士学位论文 以自由直接( a dh o c ) 的方式进行，也可以在基站( b a s es t a t i o n ，b s ) 或者访 问点( a c c e s sp o i n t ，a p ) 的协调下进行。 虽然人们常把无线l a n 当作一种应用于大楼的通信技术，但是i e e e 8 0 2 1 1 标准并不局限于室内通信。除了用在大厅、商场、医院办公大楼和住宅 外，它还可以用在室外通信，如停车场、校园和储藏室。i e e e s 0 2 1 1 考虑的另 个环境是无线覆盖区域。由于实际无线传输范围比期望的物理覆盖区域小得 多，所以它采用分布式结构来扩大覆盖范围。i e e e s 0 2 1 1 支持1 1 1 m b s 较高 的数据速率，但是它只支持数据通信，为进行无线数据通信，数据设备先要安 装无线网卡。 2 、h o m e r f h o m e r f 是由h o m e r f 工作组开发的，是在家庭区域范围内的任何地方， 在p c 和用户电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。作为无线技 术方案，它代替了需要铺设昂贵传输线的有线家庭网络，为网络中的设备，如 笔记本电脑和i n t e m e t 应用提供了漫游功能。 h o m e r f 工作组于1 9 9 8 年制定了共享无线访问协议s w a p ( s h a r e d w i r e l e s sp r o t o c 0 1 ) 。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的 i e e e s 0 2 1 1 协议标准，沿用了以太网带有冲突检测的载波监听多址技术 c s m a c d ；在进行语音通信时它采用d e c t ( d i g i t a le n h a n c e d c o r d l e s s t e l e p h o n y ) 标准，使用t d m a 时分多址技术。h o m e r f 工作频段是2 4 g h z ， 支持数据和音频。基于该协议的网络是对等网，也就是说，网上的每一个节点 都是相对独立的，不受中央节点的控制，因此，任何一节点离开网络都不会影 响网络上其他节点的正常工作。它的另外一个特点是低功耗，很适合笔记本电 脑。就短距离无线连接技术而言，它通常被看作是蓝牙和i e e e 8 0 2 1 1 协议的主 要竞争对手。 3 、与其他技术不同点 蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的 跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。 总的来说，w i f i 比较适于办公室中的企业无线网络，h o m e r f 可应用于家庭 中的移动数据和语音设备与主机之间的通信，而蓝牙技术则可以应用与任何可 以用无线方式替代线缆的场合。 经历了数年的默默无闻，蓝牙技术终于走出了w i f i 无线局域技术的阴 影，找到了自己的用武之地之一手机和无线耳机市场，并开始成熟。越来越多 的手机制造商开始在其手机中配置蓝牙芯片，而这无疑又会带动蓝牙手机的需 求增长。蓝牙手机和蓝牙手机持有用户之间可以进行无线会话。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2 红外线与蓝牙技术的比较 红外线和蓝牙技术各有所长；而且红外和蓝牙之间正好还可以取长补短 以两个设备问交换名片信息为例，通常会发生在会议室或展览大厅等场 合，那里还有大量要交换名片信息的设备。这正是红外的长处所在。在那里的 场合，红外所要求的短距离和小角度( 不超过3 0 度) 容易得到满足，这使得 用户容易将其设备对准其他接收设备并将名片信息发送出去。显然，交换名片 相距咫尺也是正常的。红外特有的短距离和有限角度等特性允许其他用户之间 完成类似的操作，提供足够的安全性且无干扰。 在同样的情况下，蓝牙设备间的通信就不同于红外设备。具有全向通信能 力的蓝牙设备必须首先发现潜在的接受者。用户不能仅仅是对准接收者，因为 蓝牙设备必须完成一个发现操作，这一操作将可能发现可通信距离内的其他多 个蓝牙设备。在这种情况下，相距咫尺并无优势。用户将不得不从多个已被发 现的蓝牙设备中进行选择，然后运行安全机制以防止没有授权的接入者。所有 这些烦琐的过程使得蓝牙设备交换名片成为一种既费劲又没有必要的耗时过 程。 然而，在其他交换数据的场合蓝牙设备可能是优先的选择。蓝牙无线通信 可以穿透物体并能在微网中实现多个设备问相互通信，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。 对于传送数据而言，虽然在蓝牙刚刚推出的时候。蓝牙传输的速率比红外 传输速率慢。但是随着蓝牙技术的不断发展，蓝牙的传输速率已经得到很大的 提高，并已经应用在数码相机、扫描仪和p c 间的大型图像文件传送。 蓝牙和红外都有的一个重要性能是提供便携设备和有线网络之间的无线连 接。然而，蓝牙更适合于这种应用，因为对蓝牙没有直线视距的要求，而红外 既要求直线视距也要求近距离。所以蓝牙用户在室内可以更灵活地实现局域网 接入点( l a p ) 。而且，一旦红外设备连向l a n ，那么在整个数据传送期间就 必须保持相对静止。对于连上l a p 的蓝牙便携设备，只要用户处在距离l a p 的1 0 m 范围内，就可以随便移动 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章蓝牙体系结构 如下图2 - 1 所示，蓝牙体系结构主要分成三大部分：底层硬件模块、中问 协议层和高层应用。 2 1 底层硬件单元 图2 1 蓝牙协议栈【1 】 底层硬件部分包括无线跳频( r a d i of r e q u e n c y ，r f ) 、基带( b a s e b a n d ，b b ) 和链路管理器( l i n km a n a g e r ，l m ) 。 1 、无线跳频( r f ) 1 1 1 r f 层通过2 4 g h z 无需授权全球通用的i s m 频段的微波，实现数据位流的 过滤和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需要满足的 要求。 由于蓝牙工作在全球通用的2 4 g h z l s m ( 即工业、科学、医学) 频段，而 i s m 频带是对所有无线电系统都开放的频带，所以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、微波炉等等，都可能是干扰 源。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术把 频带分成若干个跳频信道( h o pc h a n n e l ) ，在一个连接中，无线电收发器按一 定的伪随机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 8 武汉理工大学硕士学位论文 进行通信的，而其它的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是 很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能 造成的影响变得很小。 频率选择模块( f r e q u e n c ys e l e c t i o nm o d u l e ，f s m ) 就是用来完成跳频选 择功能的。f s m 的组成框图如图2 2 所示。对于给定的国家模式，时钟输入决 定了要使用哪一个频率以及何时使用这个频率，而实际的跳频序列选择通过地 址输入来决定【2 j 。 图2 2 f s m 的组成 微微网主设备通过寻呼( p a g e ) 操作来“邀请”其他设备组成微微网，使 它们成为自己的从设备。主设备称为寻呼设备，从设备称为寻呼扫描设备或被 寻呼设备。寻呼过程中的跳频选择序列称为寻呼跳频序列( p a g eh o p p i n g s e q u e n c e ) 。寻呼设备和寻呼扫描设备都使用寻呼扫描设备的b d _ a d d r 低2 8 位( 即2 4 位的l a p 和u a p 的低4 位) ，作为各自f s m 的地址输入。寻呼跳频 序列为一个均匀分布在7 9 个跳频频点上的3 2 个频点序列，周期是3 2 跳。 蓝牙设备通过查询操作来发现邻近的设各，查询过程中使用了查询跳变序 列( i n q u i r i n gh o p p i n gs e q u e n c e ) 。查询与查询应答设备使用“查询地址”的低 2 8 位作为各自的f s m 地址输入。查询跳交序列由均匀分布在7 9 个跳频频点上 的3 2 个频点组成。 2 、基带( b a s e b a n d ) 基带负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。包括了微微网和设备控制功能 ( 如连接的创建、跳频序列的选择和同步) 、操作方式( 如功率控制和安全操 作) 以及媒体访问功能( 如轮询、分组类型、分组处理和链路类型) 。基带功 能如下图2 3 所示1 2 j 。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3 基带功能示意图 3 、链路管理器 链路管理器主要负责完成设备功率管理、链路质量管理、链路控制管理、 数据分组管理和链路安全管理五个方面的任务。链路管理器运行在蓝牙模块 中，蓝牙设备用户通过链路管理器可以对本地或远端蓝牙设备的链路情况进行 设置和控制。 蓝牙设备的链路管理器接收到高层的控制信息后，不是向自身的基带部分 发送控制信息，就是与另一设备的链路管理器进行协商。这些信息封装在链路 管理器协议数据单元( l m p p d u ) 中。 2 2 中间协议层 中间协议层部分包括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 ) 和电缆替代协议( r f c o m m ) 。 武汉理工大学硕士学位论文 在b b 和l m 上与l 2 c a p 之间还有一个主机控制接1 1 1 层( h o s tc o n t r o l l e r i n t e r f a c e ，h e 0 。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。 2 2 1 蓝牙主机控制接口( h c i ) 蓝牙主机控制接口( h c i ) 作为蓝牙软件协议堆栈中的软硬件接口，它提 供了一个控制基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件的统一接 口。当主机和主机控制器通信时，h c i 层以上的协议在主机上运行，而h a 层 以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来完成，它们通过h c i 传输层进行通信。主 机和主机控制器中都有h c i ，它们具有相同的接口标准。蓝牙主机和主机控制 器模型如下图2 - 4 所示。 蓝牙主机 物理总线硬件 蓝牙主机控制器硬件 l 用户应用程序 l ： 其它高层驱动程序( l 2 c a p 、 r f c o m m 、b n e p ) ： h c i 驱动程序 0 物理总线接口( u s b 、r s 2 3 2 ) 驱动程序 1 广 物理总线接口( b s b 、r s 2 3 2 ) 固件 ， if u h a 固件 l 链路控制器固件 。0 墓带与链路控制器 ： 射频 图2 4 蓝牙主机和主机控制器模型 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 主机控制器中的h c i 解释来自主机的信息并将信息发向相应的硬件模块单 元，同时还将模块中的信息( 包括数据和硬件固件信息) 根据需要向上转发给 主机。 2 2 2 逻辑链路控制和适配协议( l 2 0 垤) 逻辑链路控制和适配协议( 1o g i c a ll i n kc o n t r o l & a d a p t a t i o np r o t o c o l ， l 2 c a p ) 属于低层的蓝牙传输协议，其侧重于语音与数据无线通信在物理链路 的实现，在实际的应用开发过程中，这部分功能集成在蓝牙模块中，对于面向 高层协议的应用开发人员来说，并不关心这些低层协议的细节。同时，基带层 的数据分组长度较短，而高层协议为了提高频带的使用频率通常使用较大的分 组，二者很难匹配，因此，需要一个适配层来为高层协议与低层协议之间不同 长度的p d u ( 协议数据单元) 的传输建立一座桥梁，并且为较高的协议层屏蔽 低层传输协议的特性。这个适配层经过发展和丰富，就形成了现在蓝牙规范中 的逻辑链路控制与适配协议层即l 2 c a p 层。 l 2 c a p 位于基带层之上，将基带层的数据分组转换为便于高层应用的数据 分组格式，并提供协议复用和服务质量交换等功能。l 2 c a p 层只支持a c l ( 异步无连接) 数据的传输，而不支持s c o ( 同步连接) 数据的传输。l 2 c a p 层支持高层协议的多路复用，此外，它还使较大的高层数据分组和较小的基带 数据分组之问的分割和重组变得容易。另外，l 2 c a p 层支持服务质量( q o s ) 信息的交换，它通过对期望q o s 的支持来帮助实现传输资源的控制。最后， l 2 c a p 层还向高层提供组抽象( g r o u pa b s t r a c t i o n ) ，以使将高层协议地址组映 射到微微网时不必向高层提供微微网的概念。但是，l 2 c a p 本身不提供任何安 全机制来保证它的p d u 传输的可靠性，而是依靠基带层的重传过程来向高层 提供足够可靠的通信信道。 2 2 3 服务发现协议( s d p ) s d p 是一个基于客户服务器结构的协议，它为客户应用提供一种发现服务 器所提供的服务和服务属性的机制，服务的属性包括服务类型( 或称为服务 类) 以及使用该服务所需的机制或协议信息。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 5 服务发现机制简图 如上图2 5 所示，服务器维护一个服务记录列表，服务记录列表描述与该 服务器有关的服务器有关的服务的特征。每个服务列表包括一个服务的信息。 客户端可以通过发送一个s d p 请求从服务器记录中索取服务信息、如果一个客 户或与客户有关的应用决定使用一个服务，它必须打开一个到服务提供者的连 接。s d p 提供的是发现服务及其属性的机制，包括相应的服务接入协议，但它 不提供使用这些服务的机制。 一对蓝牙设备中最多只有一个s d p 服务器，如果蓝牙设备只充当客户端， 它就不需要s d p 服务器。一般地，一个蓝牙设备既可以是s d p 服务器又可以 是s d p 客户端。如果一个设备上有多个应用提供服务，使用一个s d p 服务器 就可以充当这些服务的提供者，负责处理请求这些服务的信息。 相似地，多个客户应用也可以使用一个s d p 客户端作为客户应用的代表请 求服务。随着服务器到客户端的距离变化，s d p 服务器向s d p 客户提供服务集 也动态地变化。当s d p 服务器可用后，潜在的客户必须使用不同于s d p 的机 制通知服务器，它要使用s d p 协议查询服务器的服务。同样，当服务器由于某 种原因离开服务区而不能提供服务时，也不会用s d p 协议进行显式地通知 2 2 4 电缆替代协议( r f c o m m ) b l u e t o o t hs i g 提出的r f c o m m 的主要目的是对现有使用串行线接口的应 用软件提供支持，同时r f c o m m 符合e t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d i z e di n s t i t u t e ) 标准，使得协议栈比较容易地嵌入到g s m 移动通讯设备 中i t 。r f c o m m 层完成了对串口的仿真，它的作用类似于t c p i p 协议族中的 t c p 协议，为各种高层应用提供多端口，实现端到端的通信。 2 3 高层应用 高层应用协议包括点对点协议( p p p ) 、t c p a j d p f l p 、对象交换协议 ( o b e x ) 、无线应用协议( w a p ) 等。 1 、点对点协议( p p p ) 亟堡里三奎堂堡主堂篁堡苎 在蓝牙技术中，p p p 位于r f c o m m 上层，完成点对点的链接。p p p 是一 个面向数据包的协议，因此必须使用r f c o m m 的串口模拟机制将数据包流转 化为串行数据流。 2 、t c p u d p i p 该协议是由互联n t 程任务组制定，广泛应用于互联网通信的协议在蓝 牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相链接的设备进行通信。 3 、无线应用协议( w a p ) 该协议是由无线应用协议论坛制定，它融合了各种广域无线网络技术，其 目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端 上。 4 、对象交换协议( o b e x ) 在蓝牙系统中，o b e x 协议的目的是在于实现数据对象的交换。o b e x 是 蓝牙系统中的一种可选协议，它属于会话层协议，采用简单的自发的方式交换 对象。它类似于h 兀甲协议，执行过程为客户机与服务器彼此间以请求一回应 的交谈方式来发送对象。o b e x 主要运用于文件传输，通过o b e x 协议，应用 程序就可以和r f c o m m 协议层实现通信。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章蓝牙应用模式 前文已经介绍了蓝牙核心规范，在本章将介绍几种对应于蓝牙核心规范的 蓝牙应用模式实例。其中重点介绍文件传输模式实例1 4 】。 3 1 因特网网桥模式 这种用户模式可通过手机或无线调制解调器向p c 提供拨号入网和收发传 真的功能，而不必与p c 有物理上的连接。拨号上网需要两列协议栈( 不包括 s d p ) ，如下图3 - 1 所示。a t 命令集用来控制移动电话或调制解调器以及传送 其他业务数据的协议栈。传真采用类似协议栈，但不使用p p p 及基于p p p 的其 他网络协议，而由应用软件利用r f c o m m 直接发送。 i m 。d 锄e m 山撕mmd t i v e ra p p t t “6 i 舶 啪m m a n d s p p ps d p i r f c o m mr f c o m m 1 l l 2 c a p i 3 2 局域网访问模式 图3 - 1 因特网网桥模式 该用户模式下，多功能数据终端( d t s ) 经局域网访问点( l a p ) 无线接 入局域网，然后，d t s 的操作与通过拨号方式接入局域网的设备的操作一样。 其协议栈如下图3 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 同步模式 i , a n a c c e s s a p p l c a t o n i 1 2 c a p i 图3 - 2 局域网访阿模式 同步用户模式提供设备到设备的个人资料管理( p i m ) 的同步更新功能， 其典型应用如电话薄、日历、通知和记录等。它要求p c 、蜂窝电话和个人数字 助理( p d a ) 在传输和处理名片、日历及任务通知时，使用通用的协议和格 式。其协议栈如下图3 3 所示，其中同步应用模块代表红外移动通信( i r m c ) 客户机或服务器。 l s y n c h r o n i z a t i o na p p l i c a t i o n i i r m c l l o b e xs d p l jr f c o m m i i l 2 c a p l 图3 3 同步模式 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 一机三用电话模式 手持电话机有三种使用方法：第一，接入公用电话网，作为普通电话使 用；第二，作为不计费的内部电话使用；第三，作为蜂窝移动电话使用。无线 电话和内部电话使用相同的协议栈；语音数据流直接与基带协议接口，不经过 l 2 c a p ，如下图3 - 4 所示。 3 5 头戴式设备模式 图3 _ 4 电话模式 使用该模式，用户打电话时可自由移动通过无线连接，头戴式设备通常 作为蜂窝电话、无线电话或p c 的音频输入输出设备。头戴式设备协议栈如下 图3 5 所示，语音数据不经过l 2 c a p 层而直接接入基带协议层。头戴式设备必 须能收发并处理a t 命令。 l h sg 姗a yo rh e a d ta p p l i c a t i m ii i 戌m = 0 一d s l i s d pa u d i o l r f c o m m i 1 2 c a p 图3 - 5 头戴式设备模式 武汉理工大学硕士学位论文 3 6 文件传输模式 文件传输模式提供两终端问的数据通信功能，可传输后 缀x l s 、p p