Mạng máy tính - Công nghệ bluetooth

Tổng quan về BluetoothCác tầng giao thức BluetoothQuá trình hình thành PiconetCơ chế truyền và sửa lỗiBluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn ở dải tần 2.40- 2.48 GHz. Bluetooth được thiết kế để thay thế dây cable giữa máy tính và các thiết bị truyền thông cá nhân, kết nối vô tuyến giữa các thiết bị điện tử với nhau.Bluetooth khi kích hoạt có thể tự định vị những thiết bị khác có chung công nghệ trong vùng xung quanh và bắt đầu kết nối với chúng.2. 2001 Buetooth phát triển kit-XTND Access Blue SDK3. 11/2003 Tốc độ truyền dữ liệu cao lên đến 721 kbps4. 10/11/2004 Tốc độ truyền tải tăng từ 3 lên 10 lần. Enhanced Data Rate (EDR) (3.0 Mbps)5. 26/07/2007 tăng cường tính bảo mật, công năng sử dụng, HID, QoS, 6. 21/04/2009 hỗ trợ công nghệ radio mới Ultra-wideband (UWB) (24Mb/s)7. Bluetooth 4.0 mới nhất chỉ dành cho các ứng dụng trong lĩnh vực y tế, chăm sóc sức khoẻ và an ninh1.11.22.02.13.04.01.01.7/1999 Các chuyên gia SIG đưa ra kỹ thuật Bluetooth 1.0Thiết bị thông minhThiết bị truyền thanhThiết bị truyền dữ liệuCác ứng dụng nhúngCác ứng dụng khácCông nghệ Bluetooth gắn sẵn trên thiết bị di động có thể kết nối với tai phone Bluetootth, Camera kĩ thuật số, quay phim, nghe MP3, FM,duyệt web và Email trên điện thoại. Palm Tungsten cung cấp 1 sự kết hợp tinh vi của công nghệ điện tử không dây,được chế tạo với 1 trong những sóng vô tuyến nhanh nhất hiện nay. Nó được dùng như 1 chiếc điện thoại với tai nghe Bluetooth Gồm: điện thoại di động, PDA, CellphoneGồm các loại tai nghe (headset), loa và các trạm thu âm thanh . Gồm chuột, bàn phím, Joystick, Bút kĩ thuật số, Máy in, LAN access point,.Điều khiển nguồn năng lượng trong xe hơi, các loại nhạc cụ, trong công nghiệp,y tếBao gồm cả các thiết bị dân dụng như tủ lạnh, lò vi sóng, máy điều hòa nhiệt độ, các loại đồ chơi, Ưu điểm của Bluetooth Truyền dữ liệu giữa các thiết bị không cần cáp. Sử dụng băng tần không cần đăng ký 2.4GHz. Khả năng bảo mật từ 8 đến 128 bits. Sử dụng ít năng lượng. Hỗ trợ 3 kênh thoại và 1 kênh dữ liệu. Giá thành thiết bị rẻ, truyền dữ liệu miễn phí. Thiết lập kết nối dễ dàng không cần access point. Khả năng kết nối point-point, point-multipoint. Được hỗ trợ bởi nhiều tập đoàn khổng lồ. Nhược điểm của Bluetooth Khoảng cách kết nối còn ngắn. Số lượng kết nối còn hạn chế Tốc độ truyền của Bluetooth không cao Bị nhiễu bởi một số thiết bị sử dụng sóng radio khác Hạn chế về kỹ thuật bảo mậtCác giao thức cốt lõi trong BluetoothBluetooth radioBasebandLink Manager Protocol – LMPLogical Link Control and Adaption Protocol – L2CAPRadio Frequency Communication – RFCOMMService Discovery Protocol – SDPTelephony Control Protocol – TCP Adopted Protocol – AP Bluetooth radioLà tầng thấp nhất được định nghĩa trong đặc tả BluetoothĐịnh nghĩa những yêu cầu cho bộ phận thu phát sóng hoạt động ở tần số 2.4GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical)Nhờ giao tiếp bằng sóng radio nên sóng Bluetooth có thể đâm xuyên được qua các vật thể rắn và phi kimSóng radio của Bluetooth được truyền đi bằng cách nhảy tần số (Frequency Hopping)Bluetooth được thiết kế để tiêu thụ ít năng lượng nhấtThiết bị có khả năng điều khiển mức năng lượng có thể tối ưu hóa năng lượng bằng cách dùng các lệnh LMP (Link Manager Protocol)2. BasebandGiao thức này nằm ở tầng vật lý của BluetoothTầng Baseband cũng quản lý những kết nối đồng bộ và không đồng bộ, quản lý các gói tin, thực hiện tìm kiếm và yêu cầu kết nối đến các thiết bị Bluetooth khácNetwork topology Liên kết SCO và ACL Địa chỉ thiết bịĐịnh dạng gói tin Quản lý trạng tháiThiết lập kết nốiCác chế độ kết nốiNhững chức năng khác của Baseband Bluetooth có 2 loại network topologyPiconetScatternetHai hoặc nhiều thiết bị kết nối với nhau tạo thành một piconetTrong một piconet, một thiết bị đóng vai trò là Master (thường là thiết bị đầu tiên tạo kết nối), các thiết bị sau đó đóng vai trò là SlavePiconet không cho phép truyền thông trực tiếp giữa Slave – SlaveVai trò Master trong 1 piconet không cố địnhKhi có 2 hay nhiều piconet kết hợp lại truyền thông với nhau, ta có một ScatternetCó 2 loại Scatternet:Một Slave trong piconet này cũng là Slave trong piconet khácMột Slave trong piconet này là Master trong piconet khácTầng Baseband quản lý 2 dạng kết nối:SCO (Synchronous Connection Oriented)ACL (Asynchronous Connectionless Link) Là một kết nối đối xứng point-to-point giữa một Master và một Slave trong 1 piconetKết nối SCO chủ yếu dùng để truyền âm thanh, hình ảnhMaster có thể hỗ trợ tối đa 3 kết nối SCO đồng thờiSCO packet không chứa CRC (Cyclic Redundancy Check) và không bao giờ truyền lạiLà một kết nối point-to-multipoint giữa Master và tất cả các Slave tham gia trong piconetHầu hết các ACL packet đều có thể truyền lạiKết nối ACL dùng để truyền dữ liệuCó 4 loại địa chỉ khác nhau có thể gán cho một thiết bị Bluetooth:BD_ADDRAM_ADDR PM_ADDR AR_ADDR48 bit địa chỉ MAC theo tiêu chuẩn IEEE quy định (Giống như địa chỉ MAC trên mỗi card mạng), xác định duy nhất 1 thiết bị Bluetooth trên toàn cầu, trong đó 3 byte cho nhà sản xuất thiết bị và 3 byte cho sản phẩm.Nó là một con số 3 bit dùng để phân biệt giữa các active slave tham gia trong 1 piconet. 23 = 8 nên có tối đa 7 Slave active trong 1 piconet, còn 000 là địa chỉ Broadcast (truyền đến tất cả các thành viên trong piconet). Địa chỉ này chỉ tồn tại khi Slave ở trạng thái active.Là một con số 8 bit, phân biệt các parked SlaveDo đó có tối đa 255 thiết bị ở trạng thái parked. Địa chỉ này chỉ tồn tại khi Slave ở trạng thái parkedCó 4 trạng thái chính của một thiết bị Bluetooth trong một piconet:Inquiring device (inquiry mode): Thiết bị đang phát tín hiệu tìm những thiết bị Bluetooth khácInquiry scanning device (inquiry scan mode): Thiết bị nhận tín hiệu inquiry của inquiry device và trả lờiPaging device (page mode): Thiết bị phát tín hiệu yêu cầu kết nối với thiết bị đã inquiry từ trướcPage scanning device (page scan mode): Thiết bị nhận yêu cầu kết nối từ paging device và trả lờiLink Manager (LM) thực hiện việc thiết lập kênh truyền, xác nhận hợp lệ, cấu hình kênh truyền. Nó tìm kiếm những LM khác và giao tiếp với chúng thông qua Link Manager Protocol. Để thực hiện được vai trò của mình, LM dùng những dịch vụ do tầng Link Controller bên dưới cung cấpVề cơ bản, các lệnh LMP bao gồm các PDU (Protocol Data Unit – Xem thêm trong phần SDP bên dưới) được gửi từ thiết bị này sang thiết bị khácHCI cung cấp một giao diện cho phép các tầng bên trên điều khiển Baseband Controller và Link Manager, đồng thời cho phép truy cập đến trạng thái của phần cứng và các thanh ghi điều khiểnVề bản chất, giao diện này cung cấp một phương thức duy nhất để truy cập đến những khả năng của băng tần cơ sở. HCI tồn tại trong 3 phần: Host – Transport layer – Host controller. Mỗi phần đóng một vai trò khác nhau trong hệ thống HCIL2CAP nằm bên trên giao thức băng tần cơ sở (Baseband protocol) và nằm ở tầng Data LinkL2CAP cung cấp những dịch vụ hướng kết nối (connection-oriented) và phi kết nối (connectionless) cho những tầng giao thức bên trên. L2CAP có khả năng phân kênh (multiplexing), phân đoạn (segmentation), tái tổ hợp (reassembly operation). L2CAP cho phép những giao thức ở tầng cao hơn và những ứng dụng truyền, nhận những dữ liệuMỗi gói dữ liệu L2CAP tối đa 64 kilobytes.Giao thức RFCOMM cho phép giả lập cổng serial thông qua giao thức L2CAP. Giao thức này dựa trên chuẩn ETSI TS 07.10. Chỉ có một phần của chuẩn TS 07.10 được dùng và được chỉnh sửa cho phù hợp với BluetoothRFCOMM hỗ trợ tối đa 60 kết nối cùng một lúc giữa 2 thiết bị Bluetooth. Số kết nối tối đa tùy thuộc vào nhà sản xuất. Đối với RFCOMM, một kết nối bao gồm 2 ứng dụng chạy trên 2 thiết bị riêng biệt (2 thiết bị đầu cuối)SDP cho phép các ứng dụng tìm kiếm những dịch vụ và thuộc tính của các dịch vụ có trong một thiết bị Bluetooth. SDP. Điều này rất cần thiết bởi vì các dịch vụ mà một thiết bị Bluetooth cung cấp sẽ thay đổi tùy theo mỗi thiết bị.Có Master rồi Master thực hiện Paging để kết nối 1 Slave.Một Host lắng nghe tín hiệu mà thiết bị nó truy cập được.Khi có sự chuyển đổi vai trò giữa Master và Slave.Khi có 1 Host chuyển sang trạng thái Active.Một Piconet được tạo bằng 4 cách:PageInquiryConnectionQuá trình truy vấn tạo kết nốiCho phép 1 Host phát hiện các Host khác trong tầm hoạt động cùng địa chỉ và đồng hồ của chúng.Kết nối chỉ thực hiện giữa các thiết bị mang địa chỉ Bluetooth. Host nào thiết lập kết nối phải thực hiện tiến trình paging và tự động trở thành Master của kết nối.Để thiết lập một kết nối giữa các Unit thì phải thông qua 2 tiến trình là INQUIRY và PAGEINQUIRYPAGEMỗi thiết bị định kì phát đi 1 tập các vấn tin thông qua quảng bá.Các nút lân cận sẽ phản hồi lại bằng gói tin đồng bộ nhảy tần FHS.Cuối cùng, mỗi thiết bị nhận biết được sự có mặt của các thiết bị khác ở lân cận và các FHS của chúng.Tiến trình inquiryMaster liên tục gửi các tin nhắn page chứa thông tin thứ tự kênh đến slave.Khi slave nhận được gói tin page, nó cũng sẽ hồi đáp lại master 1 gói page tương ứng.Sau khi nhận được hồi đáp master sẽ gửi gói tin FHS (bao gồm địa chỉ Bluetooth và đồng hồ của nó) đến slave.Tiến trình PageSlave nhận được gói FHS sẽ phản hồi ACK chấp nhận đến master.Master nhận được ACK sẽ tạo ra 1 thứ tự nhảy tầng dựa vào địa chỉ và đồng hồ Bluetooth riêng của nó.Slave sau đó sử dụng địa chỉ master và đồng hồ đó để tạo ra nhảy tầng giống với nhảy tầng của master. Quá trình page hoàn thành.Cách thức hoạt động của bluetooth là sử dụng kỹ thuật vô tuyến FHSS. Nhảy 1600/s=> chống nhiễu.tăng tốc độ truyền.Sử dụng giải băng tần IMS 2.4Ghz được chia thành 79 kênh tần.Mỗi packet truyền trên 1 kênh tần khác nhau.Mỗi packet nằm trong 1 slot thời gian 625µs.Các packet cũng có thể mở rộng trên nhiều khe thời gian=> tăng tốc độ truyền đồng thời cũng tăng khả năng xung đột.Bluetooth hoạt động trên băng tần ISM nên nó cũng sẽ hoạt động chung băng tần với các thiết bị khác như mạng 802.11, hệ thống quản lý cửa gara, lò vi ba, etc...vì thế không trách khỏi việc nhiễu sóng.Bluetooth sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần (Frequence Hoping Spread Spectrum - FHSS) để tránh bị nhiễu sóng. Với kỹ thuật này, mọi packet được truyền đi trên nhũng tần số khác nhau. Tốc độ nhảy nhanh giúp tránh nhiễu tốt. Hầu hết các nước dùng 79 bước nhảy, mỗi bước nhảy cách nhau 1 MHz, bắt đầu ở 2.402 GHz và kết thúc ở 2.480 GHz. Ở một vài nước như Pháp, Nhật 23 bước nhảy. Kỹ thuật Bluetooth dùng kỹ thuật nhảy tần số trong các timeslot (TS), được thiết kế để làm việc trong môi trường nhiễu tần số radio, Bluetooth dùng chiến lược nhảy tần để tạo nên sức mạnh liên kết truyền thông và truyền thông thông minh. Cứ mỗi lần gửi hay nhận một Packet xong, Bluetooth lại nhảy sang một tần số mới, cứ như thế sẽ tránh được nhiễu từ các tín hiệu khác. So sánh với các hệ thống khác làm việc trong cùng băng tần, sóng radio của Bluetooth nhảy tần nhanh và dùng packet ngắn hơn. Vì nhảy nhanh và packet ngắn sẽ làm giảm va chạm với sóng từ lò vi sóng và các phương tiện gây nhiễu khác trong khí quyển.Có 3 phương pháp được sử dụng trong việc kiểm tra tính đúng đắn của dữ liệu truyền đi : Forwad Error Correction: Thêm 1 số bit kiểm tra vào phần Header hay Payload của packet Automatic Repeat Request: dữ liệu sẽ được truyền lại cho tới khi bên nhận gửi thông báo là đã nhận đúng.Cyclic Redundancy Check: mã CRC thêm vào các packet để kiếm chứng liệu Payload có đúng không.