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摘 要 本文概要介紹了藍牙的由來及藍牙技術的發(fā)展。文中詳細討論了藍牙技術的特點、協(xié)議標準、應用規(guī)范及安全問題。
關鍵詞 藍牙技術 協(xié)議標準 應用規(guī)范 安全問題
1 概述
“藍牙”是一種開放的技術規(guī)范，它可在世界上的任何地方實現(xiàn)短距離的無線語音和數(shù)據(jù)通信。藍牙技術的發(fā)展：1994年，愛立信移動通信公司開始研究在移動電話及其附件之間實現(xiàn)低功耗、低成本無線接口的可行性。隨著項目的進展，愛立信公司意識到短距無線通信（Short Distance Wireless Communication）的應用前景無限廣闊。愛立信將這項新的無線通信技術命名為藍牙（Bluetooth）。Bluetooth 取自10世紀丹麥國王 Harald Bluetooth 的名字。愛立信意識到要使這項技術最終獲得成功，必須得到業(yè)界其他公司的支持與應用。1998年5月，愛立信聯(lián)合諾基亞（Nokia）、英特爾（Intel）、IBM 、東芝（Toshiba）這4家公司一起成立了藍牙特殊利益集團（Special Interest Group，SIG），負責藍牙技術標準的制定、產(chǎn)品測試，并協(xié)調(diào)各國藍牙的具體使用。3Com、朗訊（Lucent）、微軟（Microsoft）和摩托羅拉（Motorola）很快加盟SIG，與SIG的5個創(chuàng)始公司一同成為SIG的9個倡導發(fā)起者。自藍牙規(guī)范1.0版推出后，藍牙技術的推廣與應用得到了迅猛發(fā)展。截至目前，SIG的成員已經(jīng)超過了2 500家，幾乎覆蓋了全球各行各業(yè)，包括通信廠商、網(wǎng)絡廠商、外設廠商、芯片廠商、軟件廠商等，甚至消費類電器廠商和汽車制造商加入了SIG。
2 藍牙技術的特點
藍牙是一種短距無線通信的技術規(guī)范，它最初的目標是取代現(xiàn)有的掌上電腦、移動電話等各種數(shù)字設備上的有線電纜連接。在制定藍牙規(guī)范之初，就建立了統(tǒng)一全球的目標，向全球公開發(fā)布，工作頻段為全球統(tǒng)一開放的2.4GHz工業(yè)、科學和醫(yī)學（Industrial, Scientific and Medical, ISM）頻段。從目前的應用來看，由于藍牙體積小、功率低，其應用已不局限于計算機外設，幾乎可以被集成到任何數(shù)字設備之中，特別是那些對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備。藍牙技術的特點可歸納為如下幾點：
�。�1）全球范圍適用：藍牙工作在2.4GHz的 ISM頻段，全球大多數(shù)國家ISM頻段的范圍是2.4~2.4835GHz，使用該頻段無需向各國的無線電資源管理部門申請許可證。
�。�2）同時可傳輸語音和數(shù)據(jù)：藍牙采用電路交換和分組交換技術，支持異步數(shù)據(jù)信道、三路語音信道以及異步數(shù)據(jù)與同步語音同時傳輸?shù)男诺�。每個語音信道數(shù)據(jù)速率為64kbit/s，語音信號編碼采用脈沖編碼調(diào)制（PCM）或連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（CVSD）方法。當采用非對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，速率最高為721kbit/s，反向為57.6kbit/s；當采用對稱信道傳輸數(shù)據(jù)時，速率最高為342.6kbit/s。藍牙有兩種鏈路類型：異步無連接（Asynchronous Connection-Less，ACL）鏈路和同步面向連接（Synchronous Connection-Oriented，SCO）鏈路。
�。�3）可以建立臨時性的對等連接（Ad-hoc Connection)：根據(jù)藍牙設備在網(wǎng)絡中的角色，可分為主設備（Master）與從設備（Slave）。主設備是組網(wǎng)連接主動發(fā)起連接請求的藍牙設備，幾個藍牙設備連接成一個皮網(wǎng)（Piconet）時，其中只有一個主設備，其余的均為從設備。皮網(wǎng)是藍牙最基本的一種網(wǎng)絡形式，最簡單的皮網(wǎng)是一個主設備和一個從設備組成的點對點的通信連接。
通過時分復用技術，一個藍牙設備便可以同時與幾個不同的皮網(wǎng)保持同步，具體來說，就是該設備按照一定的時間順序參與不同的皮網(wǎng)，即某一時刻參與某一皮網(wǎng)，而下一時刻參與另一個皮網(wǎng)。
�。�4）具有很好的抗干擾能力：工作在ISM頻段的無線電設備有很多種，如家用微波爐、無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Network，WLAN）和HomeRF等產(chǎn)品，為了很好地抵抗來自這些設備的干擾，藍牙采用了跳頻（Frequency Hopping）方式來擴展頻譜（Spread Spectrum），將2.402～2.48GHz頻段分成79個頻點，相鄰頻點間隔1MHz。藍牙設備在某個頻點發(fā)送數(shù)據(jù)之后，再跳到另一個頻點發(fā)送，而頻點的排列順序則是偽隨機的，每秒鐘頻率改變1600次，每個頻率持續(xù)625μｓ。
�。�5）藍牙模塊體積很小、便于集成：由于個人移動設備的體積較小，嵌入其內(nèi)部的藍牙模塊體積就應該更小，如愛立信公司的藍牙模塊ROK101008的外形尺寸僅為32.8mm×16.8mm×2.95mm。
�。�6）低功耗：藍牙設備在通信連接（Connection）狀態(tài)下，有四種工作模式——激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模式、保持（Hold）模式和休眠（Park）模式。Active 模式是正常的工作狀態(tài)，另外三種模式是為了節(jié)能所規(guī)定的低功耗模式。
�。�7）開放的接口標準：SIG為了推廣藍牙技術的使用，將藍牙的技術標準全部公開，全世界范圍內(nèi)的任何單位和個人都可以進行藍牙產(chǎn)品的開發(fā)，只要最終通過SIG的藍牙產(chǎn)品兼容性測試，就可以推向市場。
�。�8）成本低：隨著市場需求的擴大，各個供應商紛紛推出自己的藍牙芯片和模塊，藍牙產(chǎn)品價格飛速下降。
3 藍牙技術的協(xié)議標準
SIG 所頒布的藍牙規(guī)范（Specification of the Bluetooth System）就是藍牙無線通信協(xié)議標準，它規(guī)定了藍牙應用產(chǎn)品應遵循的標準和需要達到的要求。
藍牙規(guī)范包括核心協(xié)議（Core）與應用框架（Profiles）兩個文件。協(xié)議規(guī)范部分定義了藍牙的各層通信協(xié)議，應用框架指出了如何采用這些協(xié)議實現(xiàn)具體的應用產(chǎn)品。藍牙協(xié)議規(guī)范遵循開放系統(tǒng)互連參考模型（Open System Interconnetion/Referenced Model, OSI/RM），從低到高地定義了藍牙協(xié)議堆棧的各個層次。
按照藍牙協(xié)議的邏輯功能，協(xié)議堆棧由下至上分為3個部分：傳輸協(xié)議、中介協(xié)議和應用協(xié)議。其功能簡介如下。
3.1 傳輸協(xié)議
負責藍牙設備間相互確認對方的位置，以及建立和管理藍牙設備間的物理和邏輯鏈路。這一部分又進一步分為低層傳輸協(xié)議和高層傳輸協(xié)議。低層傳輸協(xié)議側(cè)重于語音與數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)奈锢韺崿F(xiàn)以及藍牙設備的物理和邏輯鏈路。低層傳輸協(xié)議包括藍牙的射頻（Radio）部分、基帶與鏈路管理協(xié)議（Baseband && Link Manager Protocol, LMP）。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制的物理實現(xiàn)以及藍牙設備間的連接于組網(wǎng)。高層傳輸協(xié)議包括邏輯鏈路控制與適配協(xié)議（Logical Link Control and Adaptation Protocol, L2CAP）和主機控制器接口（Host Controller Interface, HCI）。這部分為高層應用程序屏蔽了諸如跳頻序列選擇等低層傳輸操作，并為高層應用傳輸提供了更加有效和更有利于實現(xiàn)的數(shù)據(jù)分組格式。
3.2 中介協(xié)議
為高層應用協(xié)議或程序在藍牙邏輯鏈路上工作提供了必要的支持，為應用曾提供了各種不同的標準接口。這部分協(xié)議包括以下幾部分。
1. 串口仿真協(xié)議（RFCOMM）
基于歐洲電信標準化協(xié)會（European Telecommunication Standardization Institute, ETSI）的TS07.10標準制定。該協(xié)議用于模擬串行接口環(huán)境，使得基于串口的傳統(tǒng)應用僅作少量的修改或者不做任何修改可以直接在該層上運行。
2. 服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（Service Didcovery Protocol，SDP）
為實現(xiàn)藍牙設備之間相互查詢及訪問對方提供的服務。
3. IrDA（Infrared Data Association）互操作協(xié)議
藍牙規(guī)范采用了IrDA的對象交換協(xié)議（OBEX），使得傳統(tǒng)的基于紅外技術的對象（如電子名片（vCard）和電子日歷（vCal）等)交換應用同樣可以運行在藍牙無線接口之上。
網(wǎng)絡訪問協(xié)議：該部分協(xié)議包括點對點協(xié)議（Point to Point Protocol, PPP）、網(wǎng)際協(xié)議（Internet Protocol, IP）、傳輸控制協(xié)議（Transfer Control Protocol, TCP）和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（User Datagram Protocol, UDP）等，用于實現(xiàn)藍牙設備的撥號上網(wǎng)，或通過網(wǎng)絡接入點訪問Internet 和本地局域網(wǎng)。
4. 電話控制協(xié)議
該協(xié)議包括TCS、AT指令集和音頻。電話控制協(xié)議性能（Telephone Control Protocol Specification，TCS）是基于國際電信聯(lián)盟電信標準化部門（International Telecommunication Union-Telecommunication，ITU-T）的Q.931標準制定的，用于支持電話功能；藍牙直接在基帶上處理音頻信號（主要指數(shù)字語音信號），采用SCO鏈路傳輸語音，可以實現(xiàn)頭戴式耳機和無繩電話等的應用。
3.3 應用協(xié)議
是指那些位于藍牙協(xié)議堆棧之上的應用軟件和其中所涉及的協(xié)議，包括開發(fā)驅(qū)動各種諸如撥號上網(wǎng)和通信等功能的藍牙應用程序。藍牙規(guī)范提供了傳輸層及中介層定義和應用框架，在傳輸層及中介層之上，不同的藍牙設備必須采用統(tǒng)一符合藍牙規(guī)范的形式；而在應用層上，完全由開發(fā)人員自主實現(xiàn)。事實上，許多傳統(tǒng)的應用都可以幾乎不用修改就在藍牙協(xié)議堆棧之上運行，如基于串口和OBEX協(xié)議的應用。通常藍牙技術應用程序接口（Application Programming Interface，API）函數(shù)的開發(fā)由開發(fā)工具的設計人員來完成，這樣有利于藍牙技術與各類應用的緊密結合。
4 藍牙應用規(guī)范
藍牙規(guī)范的應用模式有很多，如（圖2）中所示的四種應用模式是所有用戶模式和應用的基礎，也為以后可能出現(xiàn)的用戶模式和應用提供了基礎。
�。�1）通用訪問應用（GAP）模式：定義了兩個藍牙單元如何互發(fā)現(xiàn)和建立連接，它是用來處理連接設備之間的相互發(fā)現(xiàn)和建立連接的。它保證兩個藍牙設備，不管是哪一家廠商的產(chǎn)品，都能夠發(fā)現(xiàn)設備支持何種應用，并能夠交換信息。
�。�2）服務發(fā)現(xiàn)應用（SDAP）模式：定義了發(fā)現(xiàn)注冊在其他藍牙設備中的服務的過程，并且可以獲得與這些服務相關的信息。
�。�3）串口應用（SPP）模式：定義了在兩個藍牙設備間基于RFCOMM建立虛擬的串口連接的過程和要求。
（4）通用對象交換應用（GOEP）模式：定義了處理對象交換的協(xié)議和步驟，文件傳輸應用和同步應用都是基于這一應用的，筆記本電腦、PDA、移動電話是這一應用模式的典型應用。
5 藍牙無線網(wǎng)絡的安全問題
藍牙網(wǎng)絡與任何一種通信網(wǎng)絡一樣，會面對各種問題如：假冒、竊聽、未授權訪問和拒絕服務等。因此，藍牙協(xié)議體系就需要設立安全管理機制以保證通信的可靠性。
藍牙安全體系結構為藍牙設備提出了三種安全模式：
安全模式1——藍牙設備沒有受到任何安全保護的模式。
安全模式2——服務級安全模式，它是建立在L2CAP層以上的安全保護模式。
安全模式3——鏈路級安全模式，即在LMP連接建立之前要進行鑒權或數(shù)據(jù)加密。
6 結束語
毫無疑問，藍牙技術已成為近年應用最快的無線通信技術，其席卷全球之勢不可阻擋，它必將在不久的將來滲透到我們生活的各個方面。
----《中國數(shù)據(jù)通信》
