（电路与系统专业论文）蓝牙技术鉴权加密算法的硬件实现.pdf

摘要 蓝牙技术作为一种新技术和无线数据与语音通信的全球规范，越来越多的受 到广泛的关注，近几年蓝牙技术的发展相当迅速，其发展前景十分广阔。 蓝牙提供了短距离的对等层之间的通信技术，支持点对点的无线数据通信， 在现代通信过程中，在保证数据传送的实时性和正确性的同时，怎样避免数据被 非法窃取或是被攻击的数据的安全性问题显得尤为重要。 为了实现对用户数据的保护和信息的保密性，蓝牙系统在应用层和链路层提 供了安全措施，这些措施适合对等的环境，即在每个蓝牙设备使用整权和加密过 程。蓝牙的鉴权和加密操作在蓝牙系统的安全性方面起着关键作用，严密的算法 体制保证鉴权和加密操作的准确性和高速性，有效的保护了用户的通信数据。蓝 牙技术可以采用软件和硬件的方式实现安全层的密钥生成和鉴权过程，但是软件 实现对于比较复杂的算法结构速度会变得很慢，因此在基于时间i | 缶界应用或当系 统包含过程设备时最好使用v l s i 硬件实现方式。 本课题为8 6 3 信息安全主题项目的一部分，为信息安全s o c ( 片上系统) 开 发平台提供蓝牙技术支持。本论文主要介绍鉴权算法原理和加密算法原理及其硬 件实现方案及其主要实现架构。 关键字：蓝牙鉴权加密 a b s t r a c t b i u e t o o t hi sag l o b a ls t a n d a r do fd a t aa n da u d i oc o m m u n i c a t i o n t h r o u g h w i r e l e s s t r a n s f e r i ta t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na san e w t e c h n i q u e b l u e t o o t ht e c h n o l o g y t h a th a sag o o df u t u r eh a sg o tr a p i d l yd e v e l o p m e n ti nr e c e n t y e a r s b l u e t o o t hi sd e s i g n e da saw i r e l e s sc a b l er e p l a c e m e n tt oc o n n e c taw i d e r a n g eo f d e v i c e s i tp r o v i d e sas h o r t r a n g e ，p e e r - t o p e e rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nt w o u n i t s i t si m p o r t a n tt oa v o i dt h ed a t ab e e na t t a c k e do rs t o l e nt h es o a t l et i m ew ee n s u r e t h ed a t ai st r a n s f e r r e dc o r r e c t l y t or e a l i z ed a t a e n c r y p t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o t e c t i o n ，b l u e t o o t hs y s t e m p r o v i d e se n c r y p t i o ni na p p l i c a t i o nl a y e ra n dl i n kl a y e r t h e s eo p e r a t i o ni n c l u d i n g a u t h e n t i c a t i o na n de n c r y p t i o ni su s e db ya n de a c hb l u e t o o t hd e v i c ea n de x e c u t e di n t h e e q u a ll a y e r u n a s s a i l a b l ea l g o r i t h mp r o t e c t s d a t aa n de n s u r e st h e o p e r a t i o n s e x e c u t e c o r r e c t l y a n d r a p i d l y b l u e t o o t h c a n i m p l e m e n t i t s s e c u r i t yl a y e r s k e y g e n e r a t i o n m e c h a n i s ma n da u t h e n t i c a t i o ni ns o f t w a r eo rh a r d w a r e b u t p r o c e s s i n g w i l lb e s l o ww h e nr e a l i z ea c o m p l e xa l g o r i t h mi ns o r w a r e s o ，i n t i m e c r i t i c a l a p p l i c a t i o n s o r p r o c e s s i n g - c o n t a i n e d d e v i c e s ， ah a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o ni sp r e f e r a b l e t h i st h e s i sw i l ls u p p o r tt h eh i g h p e r f o r m a n c ei n f o r m a t i o ns e c u r i t yd e v e l o p m e n t p l a t f o r m a s p a r t o ft h e “8 6 3 p r o g r a m ”t h ep r i n c i p l e o ft h e a l g o r i t h m i n a u t h e n t i c a t i o na n de n c r y p t i o na n dh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na r c h i t e c t u r ei si n t r o d u c e d i nt h et h e s i s k e y w o r d s ：b l u e t o o t h a u t h e n t i c a t i o n e n e r y p t i o n 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及取得的 研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得堑望盘堂或其他教育机 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谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘茔有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝哒茔一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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：年 月日签字日期：年 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 随着信息时代的来临，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；而无线通讯和i p 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。如今，能够使耳机、笔记本电脑、冰箱等 毫不相关的不同产品紧密结合在一起的“蓝牙技术”备受家电巨头们的青睐，蓝牙 ( b l u e t o o t h ) ，是由爱立信、i b m 、英特尔、诺基亚、东芝、摩托罗拉、微软、 3 c o m 、朗讯等九家i t 和通讯巨头共同倡导的一种低成本、短距离的全球无线连 接技术标准。它的通信距离最高为1 0 米，目前的主要传输速度为每秒1 m 。蓝 牙技术为解决各种无线消费电子产品和信息电器之间的信息传输架起了桥梁，它 的出现使各种技术上并不兼容的无线信息设备之间可以实现无线网络连接和集 成。它预示着一个由移动电话、个人数字助理、笔记本电脑、m p 3 播放机、信 息电器和掌上录像机所组成的无线互联世界的到来。人们今后无论是在家中、工 作场所，还是在旅途当中，都能够随时登录网络，与他人进行信息共享。随着应 用的不断发展，蓝牙技术可以让你在家中就可先行启动汽车，在临近工作地点时， 就可启动你的计算机、打印机。目前，蓝牙技术已经成为一个国际标准，推动和 促进中国的蓝牙技术发展，必将促进我国信息产业的发展。 本章作为绪论部分，主要论述以下内容： 项目背景 论文的研究意义及内容 浙江大学项士学位论文 1 1 技术背景资料 第一节项目背景 ( 1 ) 蓝牙技术实质：一种短距离无线通信标准。 ( 2 ) 蓝牙技术内容：要建立通用的无线空中接口( r a d i oa i ri n t e r f a c e ) 及其控制 软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在 没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、相互操作的性 能。 ( 3 ) 蓝牙技术目的：使特定的移动电话、便携式电脑以及各种便携式通信设备 的主机之间在近距离内实现无缝的资源共享。它利用短程无线链路取代专用电 缆，不但免去相互之间连接的麻烦，而且便于人们在室内或户外流动操作； ( 4 ) 全球范围内的工作：b l u e t o o t h 的基本出发点是可使其设备能够在全球范围 内应用于任意的小范围通信。任一b l u e t o o t h 设备，都可根据i e e e8 0 2 标准得到 一个唯一的4 8 - b “的b da d d r ，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动 进行查询。在b da d d r 基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和 安全码，从而保证了设备识别码( i d ，i d e n t i f i c a t i o n ) 在全球的唯一性，以及通信过 程中设备的鉴权和通信的安全保密。 1 2 微微网和分散网 b l u e t 0 0 t h 设备的组网：b l u e t o o t h 根据网路的概念提供点对点和点对多点的 无线链接。在任意一个有效通信范围内，所有设备的地位都是平等的。首先提出 通信要求的设备称为主设名- ( m a s t e r ) ，被动进行通信的设备称为从设备( s l a v e ) 。 利用t d m a ，一个m a s t e r 最多可同时与7 个s l a v e 进行通信并和多个s l a v e ( 最多可达2 5 6 个) 保持同步但不通信。一个m a s t e r 和一个以上的s l a v e 构成的 网路称为b 1 u e t o o t h i n ( p i e o n e t ) 。若两个以上的微微网p i c o n e t 之间存在设 备间的通信，n g 成tb l u e t o o t hn 劈- n n ( s e a t t e m e t ) 。微微网p i c o n e t 和分散网 s c a t t e m e t 的示意图如下图所示。 塑查兰堕主兰竺笙苎 图1 蓝牙设备组网 其中图中a 是单个从节点的操作过程，b 是多个从节点的操作过程，c 是分 散网的操作。 ( 1 ) 微微网p i c o n e t ：通过蓝牙技术连接在一起的所有设备被认为是一个微微网 p i c o n e t ，一个微微网p i c o n e t 可以只是两台相连的设备，如一台便携式电脑和 部移动电话，也可以是八台连在一起的设备。在一个微微网p i c o n e t 中，所有设 备都是级别相同的单元，具有相同的权限。但是在微微网p i c o n e t 网络初建时， 其中一个单元被定义为主设备m a s t e r ，其它单元被定义为从设备s l a v e 。 ( 2 ) 分散网s c a t t e m e t ：几个独立且不同步的微微网p i e o n e t 组成一个扩散网 s c a t t e m e t 。 ( 3 ) 主设备单元和从设备单元 m a s t e ru n i t ：主设备单元，即在一个微微网p i c o n e t 中，其时钟和跳频顺序被用来 同步其它单元的设备。 s l a v eu n i t s ：从设备单元，即微微网p i c o n e t 中不是主设备m a s t e r 的所有设备。 由于蓝牙支持主从角色的转换，因此，主设备和从设备的定义是暂时的， 是有时间可变性的，一般而言都是基于当前的连接和通信。 基于t d m a 原理和b l u e t o o t h 设备的平等性，任一b l u e t o o t h 设备在微微网 p i c o n e t 和分散网s c a t t e r n e t 中，既可作主设备m a s t e r ，又可作从设备s l a v e ，还 可同时既是m a s t e r 又是s l a v e ，蓝牙技术支持主从角色切换。因此，在b l u e t o o t h 中没有基站的概念。另外，所有设备都是可移动的。 浙江大学硕士学位论文 1 3 蓝牙的应用 b l u e t o o t h 的目标是在所有移动设备之间以及任何小范围内各种信息传输设 备乃至于各种电器设备之间建立起无线连接。在其1 1 版本的标准中，己定义了 包括使用w a p ( w i r e l e s s a p p l i c a t i o n p r o t o c 0 1 ) 协议联结i n t e m e t 的多种应用，随着 版本的不断升级，应用将更加广泛，其性能也将更加完善。就目前的发展来看， b l u e t o o t h 产品将会较快地和如下设备或系统融为一体，从而提供新的服务。 1 、各种电话系统 b l u e t o o t h 为品将会首先应用于数字手机、家庭及办公室电话、小型电话系 统中，实现真正意义上的个人通信。 目前，国际上各大手机制造商都在加紧开发新一代b l u e t o o t h 手机，无绳电 话和有线电话的制造商也感受到b l u e t o o t h 带来的挑战和机遇，竞相研发带有 b l u e t o o t h 的新产品，这些都将极大的推动它迅速发展。 2 、无线电缆 无论是实验室、办公室还是家庭，计算机及其外设的应用越来越普及，它 们之间的通信传统上必然要通过网线，这给使用带来很大的不便。b l u e t o o t h 基 于无线电缆的概念，使这类信息传输设备除电源线外再无其它连线，甚至包括键 盘、鼠标等也采用无线传输。b l u e t o o t h 建立一个无线的工作环境和生活环境， 由于这些设备类多量广，无论是硬件还是软件，都有着极大的商机和良好的前景。 3 、无线公事包 以便携式计算机和掌上计算机为代表，采用无线方式和其他设备或网络相 连接，使人们拥有一个可流动的办公室。b l u e t o o t h 标准已制定了和计算机以及 与i n t e m e t 、p s t n 、i s d n ( i n t e g r a t e d s e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k ) 、l a n 、w a n 、 x d s l r x d i g i t a ls u b s c r i b e r l o o p ) 等网路的接口协议兼容，其目标是用单一的 b l u e t o o t h 标准即可用来建立起和众多国际标准的连接。目前它的速率为1 m b s ， 不久根据i e e e8 0 2 1 5 的发展计划，可以将速率提高到2 0 m b s 以上。 4 、各类数字电子设备 数字照相机、数字摄像机等设备装上b l u e t o o t h 系统，既可免去使用电缆的 不便，p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 个人数字助理) 装上b l u e t o o t h 系统后，采 用无线方式收、发e m a i l 甚至浏览网页将更为方便- 浙江大学硕士学位论文 b l u e t o o t h 的硬件电路可以做到微型化，在耳机上应用非常合适。装上 b l u e t o o t h 系统的蓝牙耳机可以使它和手机进行无线连接，也可以使人在小范围 内自由走动地打电话、收听音乐，在较大的范围内召开电话会议，应用前景良好。 微型化、低功耗和低成本的特性给b l u e t o o t h 在人们日常生活中的应用开拓 了近乎无限的空间。 5 、电子商务 b l u e t o o t h 的安全保密特性将大大扩展现有电子商务系统的功能。例如，可 用它在很多消费场合构成电子付费系统，宾馆接待处的电子登记服务等。 6 、将来的应用和前景 现在蓝牙技术的发展显然已经超出了当初的设想，一整套的蓝牙系统可以 用一个手机控制家中的任何电器，包括加入了蓝牙芯片的门窗。b l u e t o o t hj 苎= 片 的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控 制、智能化建筑物等场合开辟广阔的应用前景。 为了推动b l u e t o o t h 的发展，b l u e t o o t h 的标准是非专利性的。b l u e t o o t h 已成 为目前通信领域的一个新热点，已经可成为小范围无线多媒体通信的国际标准。 跳频、t d d 和t d m a 等技术的使用使得b l u e t o o t h 的射频电路较为简单， 通信协议的大部分内容可以用专用积成电路和软件来实现，因此从技术上保证了 b l u e t o o t h 设备的高性能和低成本。 b l u e t o o t h 使移动电话系统、无绳通信系统、无线局域网和因特网等现有网 路增添了新功能，使各类计算机、传真机、打印机乃至各种室内电子、信息和电 器设备增添了无线传输和组网的功能，应用空间将极为广阔。 可以预言，蓝牙将成为新的通信增长点，并成为无线局域网市场的有力竞争对 象。对于g s m 网络高速发展的我国而言，将具有很好的适用性。 浙江大学硕士学位论文 第二节本论文研究意义、内容以及安排 l 、研究惹义 本课题为8 6 3 信息安全主题项目的一部分，为信息安全s o c ( 片上系统) 开 发平台提供蓝牙技术支持。 市场分析报告指出，目前的信息产品和消费类电子产品的正飞速发展，其良 好的发展态势同时促进了蓝牙技术的应用和发展。b l u e t o o t h 规定数据连接级的 设备鉴定和安全加密服务，然而在许多应用( 商业) 是需要更高级别的安全性( 如 用户授权等) ，而面对不同的的设备以及b l u e t o o t h 交互作用，很难用简单的方法 来保证运行在不同平台上的应用能够安全共存。通信双方的身份识别和安全性 的程度问题在通信过程中起到不容忽视的作用因为其重要程度较高，需要给予 足够的重视。蓝牙技术可以采用软件和硬件的方式实现安全层的密钥生成和鉴权 过程，但是软件实现对于比较复杂的算法结构速度会变得很慢，因此在基于时间 临界应用或当系统包含过程设备时最好使用v l s i 硬件实现方式。 2 、研究内容 本论文的研究内容主要包括两个部分：鉴权部分和加密部分及其加密算法的 硬件实现。 主要研究加密算法的原理及其v e d l o g 硬件描述语言实现以及鉴权算法的原 理及其v e r i l o g 硬件描述语言实现，通过划分功能模块把顶层模块的功能划分到 次一级模块，然后通过v e r i l o gh d l 语言描述模块功能，通过搭建测试平台，对 系统的功能和性能进行测试，通过s y n o p s y s 的综合工具d e s i g nc o m p i l e r 对其进 行逻辑综合。确定安全部分的实现架构和整体模块功能及其与蓝牙系统的兼容和 同步工作。 3 、论文内容的安排： 本论文余下部分的内容组织如下：第二章为蓝牙技术概述部分：第三章为鉴 权加密的原理部分：第四章为蓝牙鉴权和加密的硬件实现部分，主要介绍了安全 架构以及实验结果和数据：第五章为分析与总结部分，以及对技术前景的展望； 为便于查询，后附蓝牙技术缩略语的列表：最后是参考文献和致谢a 1 1 概述 浙江大学硕二b 学位论文 第二章蓝牙技术 第一节蓝牙概述 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。 随着技术的发展，便携的数字处理设备已经成为人们日常生活和工作的必需 品，如笔记本电脑、个人数字助理( p d a ) 、移动电话、客户电子产品等等。目 前这些设备还需要电缆的连接，即使用不便，又浪费资源，有很大的局限性。目 前已有无线局域网( w l a n ) 和红外线数据传输技术在特点条件下可以代替电缆， 但由于它们自身的技术原因也存在局限性。蓝牙技术为便携式设备和其他设备之 间提供无线、低成本、短范围的无线电连接，如个人电脑、打印机、扫描仪、移 动电话、膝上电脑和p d a ( 个人数据辅助设备) 等。蓝牙无线通讯工作在i s m ( 工业一科学一医药) 2 4 g h z 频段( 在大多数国家是一个自由使用的频段) ，应 用跳频技术进行通信。从射频r f 和物理层硬件部分开始，蓝牙包括了一些内嵌 的软件以控制和更高层应用协议。蘸牙被设计到可以支持许多已经存在的系统， 如：i r d a ，l a n ，声音，传真等很多其他的应用。 蓝牙是为了满足人们在个人操作空间的无线互连而设计的，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，真正实现了设备之间的 可移动互连，目前蓝牙技术已经成为个人区域网络或短距离无线网络的标准。 1 2 蓝牙组织结构 蓝牙技术的最初倡导者是五家世界著名的计算机和通信公司：爱立信 e r i c s s o n 、国际商用机器i b m 、英特尔i n t e l 、 诺基亚n o k i a 、和东芝t o s h i b a 。 并于1 9 9 8 年5 月成立了蓝牙特殊利益集团( b l u e t o o t h s p e c i a l i n t e r e s t g r o u p - s i g ) ，该组织采取了向产业界无偿转让该项专利技术的策略，以实现其 全球统一标准的目标。蓝牙技术的设计初衷就是将智能移动电话与笔记本电脑、 浙江大学硕士学位论文 掌上电脑以及各种数字化的信息设备都能不再用电缆，而是用一种小型的、低成 本的无线通信技术连接起来；进而形成一种个人身边的网络，使得在其范围之内 各种信息化的移动便携设备都能很好的实现资源共享。 1 3 蓝牙技术特点 蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其程序写在一个9 x9m m 的微芯片中。例如，如果把蓝牙技术引入到移动电话和膝上型电脑中， 就可以去掉移动电话与膝上型电脑之间的连接电缆而通过无线使其建立通信。打 印机、p d a 、桌上型电脑、传真机、键盘以及所有其它的数字设备都可以成为蓝 牙系统的一部分。除此之外，蓝牙无线技术还为已存在的数字网络和外设提供通 用接口以组建一个远离固定网络的个人特别连接设备群。 蓝牙设备的数据传输速率为1 m b s ，时分双工传输方案被用来实现全双工传 输。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的确认和跳频方案以确保链路稳定。 跳频技术是把频带分成若干个跳频信道( h o pc 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，称为伪随机码) 不断地从一个信道跳频 到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰按同样的 规律进行跳频的概率几乎为零；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，这使得蓝牙比其它系统都更 稳定。f e c ( f o r w a r de 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。应用了二进制调频( f m ) 技术的跳频收发器被用来抑$ 0 - t - 扰和防 止衰减。 蓝牙系统中的功能模块分为：无线射频单元( r f ) 、链路控制单元( l c ) 、链路 管理单元( l m ) 、软件结构。无线射频单元主要规定硬件设备的功能，它负责射 频处理和基频调制的功能。链路控制单元主要完成底层通信协议( 如物理层、 m a c 层) 的功能，链路管理单元主要负责基带连接的设定及管理，基带数据的 分段及重组、多路复用和q o s ( q u a l i t y o fs e r v i c e 服务质量) 等功能a 软件结构 浙江大学硕士学位论文 主要为各种应用( 如语音、数据等) 提供应用软件所需的通信协议与应用程序接 口，如t c p i p 、r f c o m m 等。蓝牙技术采用了全开放的框架结构，可以充分利 用现存的多种标准，如：o b e x 、t c p i p 等，而并不是重新制定标准，通过采用 i r d a 的对象交换协议( o b e x ) ，蓝牙可以直接沿用i r d a 的软件资源。蓝牙系 统的软件结构将实现的功能有：配置及诊断、蓝牙设备的发现、电缆仿真、与外 设通信、语音通信及呼叫控制，以及交换名片和电话号码等。在安全保密性方面， 蓝牙系统认证与加密服务由物理层提供，采用流密码加密技术，适于硬件实现， 密钥长度可以是o 、4 0 、6 4 或更高位，密钥由高层软件管理。如果用户有更高级 别的保密要求，可以使用更高级更有效的传输层和应用层安全机制。 r f 通过微波信号，实现数据位流的过滤和传输，基带负责跳频和数据帧传 输，链路管理负责连接的建立和拆除以及链路控制，逻辑链路控制和适配协议完 成数据的拆装、服务质量和协议复用等功能。a u d i o 模块与下层模块合作可实 现语音的无线传输。整个协议结构简单，使用重传等机制保证链路的可靠性，在 基带、链路管理和应用层中可实现分级的多种安全机制。遵循蓝牙协议的设备将 能够用微波取代传统网络中错综复杂的电缆，非常方便的实现快速灵活、安全、 低代价、低功耗的数据和话音通信，各种应用程序可以通过各自对应的剖面实现 无线通信。拨号网络应用可以通过由r f c o m m 仿真的串口访问微微网，数据设 备也可由此接入传统的局域网：用户可以通过协议栈中的a u d i o 层在手机和耳塞 中实现音频流的无线传输；多台p c 或笔记本电脑之间不用任何连线，即可快速 灵活的传输文件，共享信息，多台设备也可由此实现操作的同步。随着手机功能 的不断增强，手机无线遥控也将成为蓝牙技术的主要应用方向之一。遵循蓝牙协 议的各种应用都将保证简单易用的安装和操作、高效的安全机制和完全的互操作 性，从而实现随时随地的通信。蓝牙技术将在多种领域迅速发展，其典型应用环 境包括无线办公环境、汽车工业、医疗设备等。 国内外有许多蓝牙及其相关产品相继问世，随着技术的革新和应用的不断发 展，b l u e t o o t l l 必将在人们的日常生活和工作中发挥重要作用，具有巨大的潜力， 其发展趋势及应用前景很好。 塑坚查兰堡主兰竺堕苎 1 4 蓝牙协议结构 整个蓝牙协议体系结构可以分为底层硬件模块、中间协议层和高端应用层三 大部分，如下图所示： 图2蓝牙协议体系结构 链路管理层( l m ) 、基带层( b b ) 、和射频( r f ) 构成蓝牙的底层模块。 r f 通过2 4 g h z 无需授权的i s m 频段，实现数据位流的过滤和传输，它主要定 义了蓝牙收发器应该满足的要求。b b 层负责跳频和蓝牙数据以及信息帧的传输。 l m 层负责连接的建立和去除以及链路的安全和控制，它们为上层的软件模块提 供了不同的访问入口。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( h c i ) 的解释才能进行，也就是说，h c i 是蓝牙协议中的软硬件之间的接 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 以下的功能则由蓝牙设备 来完成，二者之间通过传输层来进行交互。 中间协议层包括逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 、服务发现协议( s d p ) 、 串口仿真协议( r f c o m m ) 和电话控制协议规范( t c s ) 。l 2 c a p 完成数据拆装、 服务质量控制、协议复用和组提取等功能，是其他上层协议实现的基础，因此也 是蓝牙协议栈的核心部分。s d p 为上层应用程序提供一种机制来发现网络可用的 服务及其特性。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 浙江大学硕士学位论文 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。 在蓝牙协议的最上部分是高端应用层，它对应于各种应用模型的剖面 ( p r o f i l e ) ，是剖面的一部分，目前蓝牙共定义了1 3 种剖面。 、底层模块 蓝牙的底层模块是蓝牙技术的核心，是任何蓝牙设备都必须包括的部分。 采用了蓝牙技术的设备将有7 2 0 k b i f f s 的数据交换速率。蓝牙r f 定义了三种 功率级别，即1 0 0 m w 、2 5 r o w 和l m w 。当蓝牙社别的功率为l m w 时，其发射范 围一般可达1 0 米。在发送过程种蓝牙采用了功率控制技术，蓝牙技术采用跳频 技术来消除干扰和降低衰落。 蓝牙支持电路交换和分组交换两种技术，分别定义了两种链路类型，即面向 连接的同步链路( s c o ) 和面向无连接的异步链路( a c l ) 每种链路支持1 6 种 不同的分组类型，其中4 种是控制分组。s c o 数据包即可以传送话音也可以传 送数据，但在传送数据时，只用于重发被损坏的那部分数据。s c o 帧内的收发 包结构必须时对称的，即必须同时包含1 个、2 个或者3 个时隙。s c o 数据包在 保留的时隙内发送：一旦s c o 链路建立，主从节点就直接发送s c o 数据分组， 无需轮询( p o l l ) 。为了建立s c o 连接，必须先建立a c l 链路以传送控制信息。 a c l 支持对称和非对称两种帧格式。 蓝牙组网时最多可以有2 5 6 个蓝牙单元设备( 即蓝牙节点) 连接起来组成微 微网( p i c o n e t ) ，其中一个主节点和七个从节点处于工作状态，而其他的节点则 处于空闲模式。主节点负责控制a c l 链路的带宽，并决定微微网中的每个从节 点可以占用多少带宽以及连接的对称性。从节点只有被选中时才能传送数据，即 从节点在发射数据前必须接收轮询。a c l 链路也支持接收主节点发给微微网中 的所有从节点的广播消息。微微网之间可以重叠交叉，从设备单元可以共享。由 多个相互重叠的微微网组成的网络称为散射网( s c a a e m e t ) 。 为了在很低的功率状态下也能使蓝牙设备处于连接状态，蓝牙规定了三种节 能状态，即停等( p a r k ) 状态、保持( h o l d ) 状态和呼吸( s n i f f ) 状态。在呼吸 状态中，从节点降低了从微微网中“收听”消息的速率，间隔性的接收数据而 在保持状态中，节点停止传送数据，但一旦被激活，则数据传送就立即重新开始。 在停等状态中，节点被赋予停等节点地址( p m a ) ，并以一定的间隔监听主节点 浙江大学硕士学位论文 的消息。主节点的消息包括：( 1 ) 询问该节点是否想成为活动( a c t i v e ) 节点； ( 2 ) 询问任何停等的节点是否想成为活动节点：( 3 ) 广播消息。这集中工作模 式按照节能效率咀升序排列依次是：呼吸模式、保持模式和停等模式。 蓝牙技术的主要系统参数目前大都是以满足美国f c c 的要求为标准，对于 其他国家的应用，需要做一些改动，如发射功率和频带，可作适应性调整。 蓝牙采用三种纠错方案：1 3 前向纠错( f e c ) 、2 3 前向纠错和自动重发 ( a r q ) 。前向纠错的目的就是尽量减小数据重发的可能性，但同时也不可避免 的增加了系统的额外开销。然而，在一个合理、无错误率的环境中，多余的开销 回减少输出，降低数据处理和传送的效率，故分组定义的本身也保持灵活的方式， 因此在软件中可以定义是否采用f e c 。一般而言，在信道的噪声干扰比较大的情 况下，大多蓝牙通信系统都会采用前向纠错方案以保证通信的质量；对于s c o 链路，一般采用1 3 前向纠错，而对于a c l 链路，则常采用2 3 前向纠错。在无 编号的自动请求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时隙得到收到的 确认，否则就需要重新发送。只有数据在接收端通过了报头错误检测( h e c ) 和 循环冗余校验( c r c ) 之后认定没有错误发生时，才向发送端发回一个确认消息， 否则返回一个错误消息，重新发送上一个数据包的数据。 蓝牙系统的移动性和开放性使得安全问题变得极其重要。虽然蓝牙系统所采 用的跳频技术就已经提供了定的安全保障，但是蓝牙系统仍然需要链路层和应 用层的安全管理。在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密钥管理等功能。 每个用户都有一个个人标识码( p i n ) ，它会被译成1 2 8 b i t 的链路密钥( l i n kk e y ) 来进行单双向认证。一旦认证完毕，链路就会以不同长度的密码( e n c r y p t i o nk e y ) 来加密( 此密码以8 b i t 为单位，最大的长度是1 2 8 b i t ) ，为链路层安全机制提供 了大量的认证方案和一个灵活的加密方案( 即允许协商密码长度) ；当来自不同 国家的设备相互通信时，这种机制是非常重要的，因为某些国家会指定最大密码 长度。蓝牙系统会选取微微网中各个设备的最小的最大允许密码长度a 例如，美 国允许1 2 8 b i t 的密码长度进行加密，而西班牙仅仅允许4 8 b i t 长度的密码进行加 密，这样当来自两个国家的设备互相之间进行通信时，将选择4 8 b i t 的长度密码 来进行加密。蓝牙系统也支持高层协议栈的不同应用体系内的特殊业务安全机 制。蓝牙安全机制依赖于p i n 在设备之间建立信任关系，一旦这种关系建立， 2 浙江大学硕士学位论文 这些p i n 就可以存储在设备中以便将来更加便捷的连接。 二、软件模块 l 2 c a p 是数据链路层的一部分，位于基带协议之上。l 2 c a p 向上层提供面 向连接的和无连接的数据服务，它的功能包括：协议的复用能力、分组的分割能 力和重新组装( s e g m e n t a t i o n a n d r e a s s e m b l y ) 以及组提取( g r o u p a b s t r a c t i o n ) 。 l 2 c a p 允许高层协议和应用发送和接收6 4 k b y t e 的数据分组。 s d p 为应用提供了一个发现可用协议和决定这些可用协议的特性的方法。蓝 牙环境下的服务发现与传统的网络环境下的服务发现有很大的不同。在蓝牙环境 下，移动的r f 环境变化很大，因此业务的参数也是不断变化的。s d p 将强调蓝 牙环境的独特的特性。蓝牙使用基于客户服务器机制制定了根据蓝牙服务类型 和属性发现服务的方法，还提供t n 务浏览的方法。 r f c o m m 是射频通信协议，它可以仿真串行电缆接口协议( 如r s - - 2 3 2 、 v 2 4 等) ，符合e t s l 0 7 1 0 串口仿真协议、通过r f c o m m ，蓝牙可以在无线的环 境下实现对高层协议，如p p p 、t c p i p 、w a p 等的支持。另外r f c o m m 可以 支持a t 命令集，从而可以实现移动电话机和传真机以及调制解调器之间的无线 连接。 蓝牙对语音的支持是它与w l a n 相区别的一个重要标志。蓝牙电话控制规 范是一个基于i t u - - t 建议q 9 3 1 的采用面向比特的协议，它定义了用于蓝牙设 备之间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令以及用于处理蓝牙t c s 设备的移动 性管理过程。 1 5 蓝牙应用模型 蓝牙s i g 定义了几种基本的应用类型，其中包括：文件传输、因特网网桥、 局域网接入、同步、三合一电话( t h r e e i n - o n ep h o n e ) 、耳机等。 可提供的应用列举如下： ( 1 ) 手机与计算机相连。目前多数通过i r d a 红外线或是r s 一2 3 2 串口线，蓝 牙可以取而代之，不仅方便，而且资料传送的速度也不用担心( 有的情况 下，i r d a 的速度更快些) 。 ( 2 ) 可做无绳电话使用。内置蓝牙芯片的手机，在家里可以当作无绳电话使用， 浙江大学硕士学位论文 在离开房屋一段距离之后便自动切换至无线网络基站上。 ( 3 ) 数据共享、办公更简易。无论手机、计算机、p d a 、打印机或是数码相机、 m p 3 播放器、c d 播放器等等都可以用蓝牙互传语音、文字图像、文件等， 另外，白板记录仪、投影机等都可以利用蓝牙来简化操作。 ( 4 ) i n t e m e t 接入。当i n t e m e t 内置蓝牙芯片的笔记本型计算机或手机的时候， 不仅可以使用p s t n ( p u b l i c s w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k ，公共电话交换网) 、 i s d n ( i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k s ，综合业务数字网) 、l a n ( 1 0 c a l a r e an e t w o r k ) 、x d s l ( d s l - - d i g i t a ls u b s c r i b e rl i n e 用户数据线路的统称1 ， 而且蜂窝式移动网络照样可以进行高速连接。 ( 5 ) 无线免提。笔记本型电脑具有话筒以及扬声器，用蓝牙连接将来的手机( 也 许是宽带网) ，多人视频会议更为容易。 ( 6 ) 同步资料。在办公室或者家中，可以通过蓝牙及其相应的程序实现与其他 设备的同步。例如b m a i l 也可以被蓝牙设备接收并同步输入计算机。 ( 7 ) 影像传递。带有蓝牙功能的数码相机，在拍摄完成之后，影像可以传至手 机可直接送至世界的任何一个角落。当然，也可以将影像传入带有蓝牙设 备的打印机，实现即拍即现。 ( 8 ) 蓝牙还可以应用于键盘、鼠标、家庭网络、告诉无线内部网络、电子名片 等等。 第二节蓝牙基带规范 2 1 物理信道、链路和分组 2 1 i 物理信道 ( 1 ) 信道定义 信道表示为在7 9 个或2 3 个射频信道上跳变的伪随机跳频序列，每个微微网 的跳频序列是唯一的，有主节点的蓝牙设备地址决定，跳频序列的相位由主节点 的蓝牙时钟决定。信道分成时隙，每个时隙对应着一个射频频率，标称的跳频速 率是1 6 0 0 跳秒，属于一个微微网的所有节点与该信道都是时间同步的。 ( 2 ) 时隙 4 浙江大学硕士学位论文 信道被分成长度为6 2 5 u s 的时隙，时隙按微微网中主节点的时钟进行编号， 时隙编号从0 到2 ”一1 ，并以周期2 2 7 循环。 主节点与从节点在时隙中按照t d d 机制轮流进行数据传输。主节点只在偶 数时隙进行发送，从节点只在奇数时隙发送，分组的起始必须与时隙的起始同步， 同一个分组最多可以在5 个时隙中发送。 在一个分组发送期间，射频跳频频率保持固定，对于单个的分组，射频频率 由当前蓝牙时钟获得：对于多时隙分组，射频的频率与第一个发送时隙的跳频频 率相同。 2 1 2 物理链路 在主节点和从节点之间可以建立不同类型的链路，在蓝牙中定义了两种类型 的链路：s c o ( 同步面向连接链路) 和a c l ( 异步无连接链路) 。 ( 1 ) s c o 链路 s c o 链路是一个对称的、主节点与某个从节点之间的点到点的同步链路。 s c o 链路预留时隙，因而可以看作电路交换连接，它一般用于支持时间受限的 应用，如话音。主节点能够支持最多三个s c o 链路，到同一个从节点或者不同 的从节点。一个从节点能够支持三个来自同一个主节点的s c o 链路和来自不同 主节点的两个s c o 链路，s c o 分组不重传。 主节点以规定的时间间隔在预留的主一从时隙向从节点发送s c o 分组。在 接下来的从一主时隙中允许s c o 的从节点进行相应。如果s c o 从节点在接收到 的分组头中解析从地址失败，仍然允许其在预留的时隙返回一个s c o 分组。主 节点通过l m p 发送一个s c o 建立消息来建立s c o 链路。链路建立消息包含定 时参数，例如s e o 的间隔t s c o 和与预留时隙的偏移d s c o 。 ( 2 ) a c l 链路 对于没有被s c o 链路预