Материал: 6282
Существует и еще одна технология - IrDA (Infrared Data Association). Она обеспечивает беспроводное соединение между двумя устройствами, такими как мобильные телефоны, КПК и ПК. Однако большое число модификаций, сделанных различными компаниями, несовместимы между собой. Преимущества IrDA — скорость передачи данных (4 Мбит/с) — выше, чем у Bluetooth, устройства на ее основе стоят меньше. Серьезные недостатки — малая дальность передачи данных (1 м), а также то, что порты устройств должны находиться в зоне прямой видимости друг друга.
Таким образом мы приходим к тому, что, при преодолении определенных технических трудностей, различные стандарты беспроводной связи вместо конкуренции взаимодополняют друг друга.
Bluetooth относится к тем технологиям, которые при грамотном использовании могут, в самом деле, перевернуть весь человеческий быт. Уже сейчас на выставках демонстрируются принтеры с Bluetooth, которые не надо подключать к компьютеру, достаточно просто внести его в комнату, включить в розетку, и можно начинать печатать. То же самое верно и в обратном порядке, достаточно просто войти в комнату с ноутбуком, оснащённым Bluetooth в руках, и сразу же можно пользоваться принтером, войти в локальную сеть для обмена файлами и документами, воспользоваться Интернет соединением. RJ-45 розетки для ноутбуков, которые можно встретить в некоторых самолётах и особо продвинутых аэропортах скоро должны отойти в прошлое.
Системы hands free с использованием Bluetooth становятся настолько просты в использовании, насколько это только возможно. Достаточно что бы мобильный телефон с Bluetooth интерфейсом просто находился где-нибудь внутри автомобиля, а его подключение к hands free системе произойдёт автоматически.
Стандартизация, используемая в Bluetooth, позволит делать беспроводные мыши, клавиатуры, джойстики, которые будут подходить к любому PC, и, чтобы начать работу с любимым устройством, достаточно будет просто подойти к компьютеру. Благодаря той же стандартизации, можно рассчитывать на то, что через несколько лет мы избавимся от той кучи дистанционных пультов на диване, отдельного для телевизора, отдельного для видеомагнитофона, отдельного для музыкально центра, отдельного для DVD проигрывателя, отдельного для кондиционера и так далее, а будем управлять всей техникой в квартире с мобильного телефона. Но и это ещё не предел.
Интеграция Bluetooth с Интернетом может стать качественно новым этапом в развитии всемирной сетевой инфраструктуры.
В последнее время много говорится о концепции "цифрового дома". Некоторые, хорошо известные и весьма серьёзные корпорации буквально помешались на этом. Технология Bluetooth может поднять эту идею на новую высоту. Представьте себе, у вас имеется брелок (браслет, кольцо, да что угодно), с Bluetooth устройством, способным принимать ваш голос и передавать его на центральный компьютер в доме. Мощный сервер идентифицирует голос, распознает звуковую команду, и по тому же Bluetooth даст команду любой периферии, раскиданной по дому. Таким образом, голосовые команды можно будет давать всему что угодно в доме, телевизорам, лампочкам, шторам, кондиционерам, микроволновым печкам... И при этом не будет никакой необходимости, что бы вся эта периферия обладала достаточной вычислительной мощью для распознания голоса, достаточно чтобы подобной мощью обладал любимый компьютер, стоящий в доме. Более того, командовать своим домом можно будет и через мобильный телефон, практически с любой точки земного шара.
Но есть и свои недостатки у этого объединения. Это же если сейчас пойманный троян грозит только парой потерянных файлов, то в "цифровом доме" возможны гораздо более "интересные" эффекты. Конечно, прямо сейчас можно придумать с десяток мер, которые сильно затруднят жизнь взломщикам, но противодействие брони и снаряда
продолжается, и конца этому процессу не будет никогда. Но как, всё-таки, удобно всё может быть, если не принимать во внимание "мелкие технические неполадки".
Всё это в перспективе. А сегодня Bluetooth устройства можно встретить в основном только на выставках, или же в продаже, но по ценам, которые никак не могут способствовать их широкому распространению. Кроме этого, большинство демонстрируемых сегодня Bluetooth устройств не могут похвастаться достаточной универсальностью, то есть они далеко не всегда могут просто обнаружить друг друга, не говоря уже про то, чтобы воспользоваться предоставляемыми службами, если заранее не предусмотрено, что конкретно ЭТА железка должна работать с конкретно этой. На торгово-промышленной выставке CeBIT, прошедшей в начале года, инициатива представить участникам технологию Bluetooth потерпела полную неудачу, поскольку разнообразные устройства создали столько помех, что наладить связь оказалось невозможно. Но ведь это только начало, и как сама технология, так и программное обеспечение будут продолжать совершенствоваться, и когда-нибудь, может быть даже совсем скоро то, что сегодня кажется дикой фантастикой, станет реальностью.
Стандарт IEEE 802.15.4
Сегодня на рынке есть всё необходимое для быстрого распространения сенсорных радиосетей: сенсоры со встроенным цифровым интерфейсом, дешёвые сетевые устройства со встроенными функциями маршрутизации и несколько технологий создания сетей. Сетевые устройства (трансиверы) созданы в соответствии со стандартом IEEE 802.15.4 – 2003. Стандарт ориентирован на поддержку сетевых устройств с автономным питанием, хотя на его основе могут создаваться и низкоскоростные сети со стационарным питанием, но практически с произвольной сетевой топологией.
В 2005 году на основе стандарта альянсом компаний ZigBee утверждена сетевая технология с одноимённым названием, представляющая набор сетевых протоколов для автоматического создания сенсорных сетей, сетей мониторинга и контроля промышленной и медицинской аппаратурой, управления освещением, бытовой аппаратурой и, наконец, воплощения в жизнь концепции «Умный дом». Приведём в оригинале одно из изречений значимости ситуации: «Just as the personal computer was a symbol of the ’80s, and the symbol of the ’90s is the World Wide Web, the next nonlinear shift, is going to base the advent of cheap sensors» (Paul Saffo, Institute for the Future).
Физический уровень
Для построения персональной сети (Personal Area Network, PAN) выделено три диапазона частот: 2,4 ГГц, 868 и 915 МГц. Для нелицензируемого диапазона 2,4 ГГц выделено 16 частотных каналов, отстоящих друг от друга на 5 МГц. В диапазонах 868 и 915 МГц выделено 1 и 10 частотных каналов соответственно. В диапазоне 915 МГц шаг между частотными каналами составляет 2 МГц. В Европе диапазон 915 МГц является лицензируемым.
Все сетевые устройства в PAN работают в одном частотном канале. В результате в диапазоне 2,4 ГГц возможно развертывание в одном месте 16 различных PAN, не создающих друг другу электромагнитных помех.
Вдиапазоне 2,4 МГц скорость передачи данных сетевым устройством составляет 250 кбит/с. Используется квадратурная офсетная фазовая модуляция (Offset Quadrature Phase
Shift Keying, O_QPSK).
Вдиапазонах 868 и 915 МГц скорость передачи данных сетевым устройством равна 20 и 40 кбит/с соответственно. Используется относительная двоичная фазовая модуляция
(Binary PhaSe Keying, BPSK).
Для повышения помехоустойчивости приёма по отношению к сосредоточенным помехам используется сигнал с расширенным спектром, состоящий из 32 фазоманипулированных элементов (чипов). Спектр сигнала формируется в соответствии с
требованиями на электромагнитную совместимость других беспроводных устройств, работающих в этом же диапазоне. Эти требования регламентируются стандартом IEEE 802.15.2.
Типы физических устройств и их функции в сети
PAN строится с использованием двух типов физических устройств: полнофункционального устройства (Full Function Device, FFD) и устройства с ограниченным набором функций (Reduced Function Device, RFD). Одно FFD может осуществлять связь как с несколькими FDD, так и несколькими RFD. RFD не может осуществлять связь с другим RFD.
Разделение устройств на два типа оправдано различной стоимостью этих устройств, поскольку возможность связи с несколькими устройствами требует от них больших вычислительных ресурсов и большего объема памяти. К примеру, FFD может перед пересылкой данных соседнему устройству использовать оценку качества канала связи (Link Quality Indication, LQI) до этого устройства. Индикатор качества имеет 8 градаций. Использование этой функции позволяет на основе FFD реализовать интеллектуальные устройства для выбора маршрута передачи данных по сети, если в сферу его радиодоступа попадают несколько сетевых устройств. Если попадает лишь одно устройство или же ему достаточно «слышать» лишь одного соседа в сети, то и нет смысла наделять его интеллектом.
Полнофункциональное сетевое устройство может быть настроено для работы в трёх режимах: координатор PAN, координатор и простое устройство.
Функцией координатора PAN (PAN Coordinator) обладает одно FFD в PAN. Это устройство инициирует процесс самоорганизации сети, под которым понимается способность сетевых узлов обнаруживать новые сетевые узлы и включать их в существующую сетевую структуру без вмешательства человека (Self_organizing). В функцию координатора PAN входит сканирование частотных каналов для нахождения свободного канала и создания сети. Найдя свободный канал, координатор PAN формирует 16_разрядный адрес PAN (PAN identifier), который можно интерпретировать как корень дерева адресного пространства сети. После этого координатор PAN может начать «зазывать» в сеть периодически передаваемыми сигналами маяков (Beacons) новые сетевые устройства, которые могут сканировать эфир с целью обнаружения этих сигналов и дальнейшего присоединения к существующей PAN. Для этого служит функция обнаружения сигнала (Energy Detection, ED). В адресном пространстве PAN два типа устройств отличаются специальным битом в поле MAC адреса, значение которого указывает тип устройства (FFD или RFD). PAN может включать 264 сетевых устройств.
Для присоединения к сети удалённых от координатора PAN новых сетевых устройств могут использоваться уже присоединённые к сети FFD в режиме координатора. В этом режиме они, как и изначально координатор PAN, «зазывают» маяками в сеть новые сетевые устройства. В результате формируется кластер из сетевых устройств, которые «слышат» своего координатора. Тем не менее, вся информация о кластере доступна координатору PAN. Подобным образом могут формироваться мультикластеры из сетевых устройств.
При передаче данных между сетевыми устройствами функция координатора сводится к излучению кадров синхронизации доступа к радиоканалу. Эти кадры передаются между сигналами маяков, поэтому временные интервалы между этими сигналами называются кадрами маяков (Beacon Frame). Передача данных по сети, однако, может быть организована и без синхронизации доступа.
При передаче пакета данных (Data Frame) по сети сетевое устройство преобразует его в кадр данных, включающий адрес назначения, преамбулу для синхронизации, 2 проверочных байта циклического кода (CRC) для обнаружения ошибок и т.п. Максимальный размер кадра составляет 127 байт. Кадр данных может быть зашифрован 128 - битным ключом в соответствии со стандартом AES (Advanced Encryption Standard).
Базовые топологии сетей
Функциональные возможности физических устройств позволяют строить сети с двумя базовыми топологиями: Star (звезда) и Peer-to-Peer (равный - равному) (рис.8.2).
В центре «звезды» – координатор PAN. Все устройства PAN «слышат» лишь координатора PAN и поэтому могут обращаться друг другу только через него.
Рис. 8.17. Базовые топологии сетей стандарта IEEE 802.15.4.
Примером сети с топологией «звезда» может служить сеть управления домашней автоматикой и бытовой аппаратурой. Простейшая сетевая топология «точка - точка» является частным случаем топологии «звезда» при взаимодействии двух устройств и, значит, должна содержать координатор PAN. В несколько иной терминологии это означает, что одно из двух устройств должно быть ведущим (master), другое – ведомым (slave). Взаимодействие этих устройств состоится лишь при выполнении двух условий. Во-первых, у ведущего устройства должен быть адрес PAN. Во-вторых, адрес ведомого устройства (к примеру, инфракрасного сенсора телевизора) «прописан» в памяти у ведущего устройства (пульта управления). «Прописка», то есть присоединение устройства к PAN, может выполняться автоматически. Для этого координатор PAN использует сигналы маяков, которые распознаёт любое сетевое устройство. Распознав эти сигналы, оно посылает запрос на присоединение в сеть. В ответ получает сетевой адрес.
В топологии Pear-to-Pear у каждого сетевого устройства есть несколько соседей. Каждого из них оно "слышит" и может с "поговорить с соседом на равных". Поэтому группа соседей может образовать ячейку (Mesh), в которой все могут "поговорить" друг с другом. Такая ячейка и приведена на рис.1. Если, кроме того, устройства постоянно не «спят» и «слушают» своих соседей и не экономят энергопотребление, то сеть из нескольких ячеек может обладать свойством самовосстановления (Self-healing) – способностью выявлять и исправлять неисправности в работе сетевых узлов и связей между узлами без вмешательства человека. Эта способность может быть основана на проверке качества линий связи между FFD благодаря постоянному прослушиванию эфира и наличии функции LQI. В такой сети доставка данных может никак не координироваться из центра, а осуществляться по принципу "взаимовыручки” соседей. Сеть, построенная на базе топологии Peer-to-Peer c децентрализованной доставкой данных, называют сетью Mesh. Роль координатора PAN сводится лишь к функции первого сетевого устройства, являющегося носителем адреса PAN. Для передачи данных по сети координатор PAN не требуется. Конкретные методы реализации подобных сетей стандартом 802.15.4 не рассматриваются и являются предметом сетевых технологий, к примеру, ZigBee.
Возможность самоорганизации и самовосстановления сети на базе топологии Peer- to-Peer позволяет спонтанно и оперативно создавать сети. Примером может служить сеть, узлы которой представляют FFD с сенсором. Большое число таких узлов, разбросанных по некоторой территории, автоматически формирует сеть. Подключив к одному из FFD
центр сбора информации, формируется сенсорная радиосеть сбора информации. Если, однако, все сетевые узлы сети (или их большинство) имеют автономное питание, существует проблема ограниченного времени функционирования такой сети (см. раздел «Сети без синхронизации доступа»). Уменьшается оно и с увеличением территории охвата сетью. Тем не менее, существует большое число областей человеческой деятельности, в которых оперативность и отсутствие затрат на координирование является главным критерием. Спонтанно создаваемые сети именуются латинским термином Ad-Hoc, что означает «по случаю». Отличительной чертой таких сетей является ограниченная возможность в расширении во времени и в пространстве.
Алгоритмы доступа к радиоканалу
Базовым алгоритмом доступа к радиоканалу является алгоритм доступа на конкурентной основе с обнаружением несущей частоты и предотвращением коллизий
(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance, CSMA/CA).
В отличие от стандарта 802.11 в алгоритме CSMA /CA отсутствует механизм предварительного запроса канала доступа, при котором сетевое устройство - отправитель перед отправкой информационного кадра сначала делает запрос устройству - получателю на разрешение передачи. Этот механизм в стандарте 802.11 реализуется с использованием двух кадров: кадра готовности отослать RTS (Ready To Send) и кадра готовности принять и CTS (Clear To Send).
Алгоритм CSMA /CA используется как в сетях без синхронизации, так и в сетях с синхронизацией доступа. В полностью асинхронных сетях использование этого алгоритма в сочетании со «спячкой» сетевых устройств мало эффективно. Наличие синхронизации доступа позволяет экономно расходовать энергопотребление сетевых устройств. Кроме того, в сетях с синхронизацией доступа возможно использование сочетания СSMA/CA с доступом на неконкурентной основе. Эта возможность обеспечивается выделением гарантированного временного слота (Guaranteed Time Slot, GTS) устройству по предварительному от него запросу.
Сети без синхронизации доступа
Рассмотрим использование алгоритма СSMA/CA в сетях без синхронизации доступа к радиоканалу. В таких сетях передача данных производится при отсутствии сигналов маяков, и по этой причине они названы сетями без маяков (Not Beacon - enabled PAN).
Пусть сетевому устройству в случайный момент требуется передать кадр данных. Тогда попытка передачи данных начинается с «прослушивания» эфира.
Если принимается решение о наличии свободного канала (несущая не обнаружена), то через интервал времени, равный некоторому случайному числу из заданного интервала времени T1, устройство передаёт кадр данных. Начало времени передачи и выбирается случайным для предотвращения коллизии с кадром данных от другого устройства.
Если было принято решение о том, что канал занят (несущая обнаружена), попытка передачи возобновляется через интервал времени, равный некоторому случайному числу из заданного интервала времени T2.
Приём кадра данных может подтверждаться кадром - квитанцией (Acknowledgement Frame). Приём считается правильным в случае отсутствия ошибок в кадре данных. Эта проверка производится кодом CRC. Если кадр - квитанция получена с ошибками, попытка передачи кадра данных производится повторно.
Возможен, однако, и режим доступа без кадра - квитанции. Это позволяет снизить энергопотребление, связанное как с передачей этого сигнала, так и с его приёмом. Этот режим доступа называют неполным алгоритмом СSMA/CA.
Отметим, что использование алгоритма CSMA /CA крайне неэффективно в случае передачи данных «просыпающимися» в случайные моменты времени передатчиками, адресованные в основном «спящим» приёмникам. Для сетей c топологией «звезда» это означает, что координатор PAN должен постоянно «слушать» эфир. Для сетей с