基于藍牙技術的無線個域網

摘要：

文章介紹了多個藍牙設備如何組成無線個域網，以及藍牙個域網如何通過網絡接入點接入公眾網絡的應用，并討論了其網絡構成、協議體系、組網過程和安全機制等問題。

關鍵詞：

無線個域網；藍牙；Adhoc網絡

ABSTRACT:

InthispaperitisintroducedhowtobuildWPANwithsomeBluetoothenableddevi

cesandhowtoletBluetoothWPANaccesstothepublicnetworkthroughthenetwor

kaccesspoint.Thenetworkstructure，protocolstack，networkingprocessand

securitymechanismofBluetoothWPANarealsodiscussedindetail.

KEYWORDS:

WPAN;Bluetooth;Adhocnetwork

1引言

人們所攜帶的電子信息設備越來越多，像筆記本電腦、移動電話、PDA等已不再只是商務人員的必備工具，正逐步進入百姓的日常生活。雖然這些信息設備的功能越來越強大，同時尺寸卻越來越小，但是人們已不能僅僅滿足于它們各自獨立工作，而是迫切需要各種設備之間能方便地進行信息的交互。因此，在小范圍內能夠將個人設備互聯而組成的網絡——無線個域網(WPAN)便應運而生。

藍牙(Bluetooth)作為一種小范圍無線連接技術，能夠在設備間實現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據和語音通信，是目前實現無線個域網的主流技術之一。同時，藍牙系統以Adhoc的方式工作，每個藍牙設備都可以在網絡中實現路由選擇的功能，可以形成移動自組織網絡。藍牙的特性在許多方面正好符合Adhoc和WPAN的概念，顯示其真正的潛力所在。而且，將藍牙與其他網絡相連接可帶來更廣泛的應用，例如接入Internet、PSTN或公眾移動通信網，可以使用戶應用更方便或帶來更大的實惠。

本文主要介紹兩個或多個藍牙設備如何組成一個Adhoc網絡，以及如何用同樣的機制通過網絡接入點(NAP)接入公眾網絡，并討論有關應用場景、協議結構、組網過程和安全模式等問題。對于一般情況下的Adhoc網絡，即藍牙設備在不同的微微網絡(Piconet)中的情況，將牽涉更多路由的問題，本文不作討論。

2藍牙技術與個域網

藍牙的設計初衷就是利用一種小型化、低成本和微功率的無線通信技術，形成一種個人身邊的網絡，使得其覆蓋范圍之內各種信息化的移動或固定設備都能“無縫”地實現資源共享。其實質內容是要建立通用的無線電空中接口及其控制軟件的公開標準，使通信和計算機進一步結合，使不同廠家生產的這類設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，也能在近距離范圍內具有互用、互操作的性能。1998年5月，由愛立信(Ericsson)、諾基亞(Nokia)等公司聯合發起，組織成立了BluetoothSpecialInterestGroup，簡稱BSIG或SIG，旨在制定和修改Bluetooth的技術規范和推廣其應用。到目前為止，BSIG的成員已接近3000個。2001年2月，SIG對外公布了藍牙1.1版本的標準，今后還會不斷推出更新的版本，其中，從1.0B開始的各版本都是可生產的。下面的介紹依據的是1.1版本標準。

藍牙設備工作在2.4GHz的工科醫(ISM)頻段，大多數國家為2400~2483.5MHz，使用79頻道，間隔均為1MHz；采用時分雙工(TDD)方式；調制方式為BT=0.5的GFSK，調制指數為0.28~0.35；最大發射功率分為如下3個等級：100mW(20dBm)、2.5mW(4dBm)和1mW(0dBm)，在4~20dBm范圍內要求采用功率控制。可見，藍牙考慮的最大通信距離大約為100m。另外，直到1.1版本，藍牙的基帶符號速率仍為1Mbit/s，采用數據包的形式按時隙傳送，每時隙0.625μs。不排除將來采用更高的符號速率。藍牙支持64kbit/s的實時語音傳輸和各種速率的數據傳輸，語音編碼采用對數PCM或連續可變斜率增量調制(CVSD)，語音和數據可單獨或同時傳輸。跳頻也是藍牙使用的關鍵技術之一，對應于單時隙包，藍牙的跳頻速率為1600跳每秒；對應于多時隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時(包括尋呼和查詢)速率則提高為3200跳每秒。使用這樣高的跳頻速率，藍牙系統應該具有足夠高的抗干擾潛力和多址能力。

藍牙根據網絡的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接。在任意一個有效通信范圍內，所有設備的地位都是平等的。首先提出通信要求的設備稱為主設備(Master)，被動進行通信的設備稱為從設備(Slave)。利用時分多址(TDMA)，一個主設備最多可同時與7個從設備進行通信并和多個從設備(最多可超過200個)保持同步但不通信。一個主設備和一個以上的從設備構成的網絡稱為藍牙的微微網絡。若兩個以上的微微網絡之間存在著設備間的通信，則構成了藍牙的分散網絡(Scatternet)。基于TDMA原理和藍牙設備的平等性，任一藍牙設備在微微網絡和分散網絡中，既可作主設備又可作從設備，還可同時兼作主、從設備。所以，它是典型的無中心網絡，具有自然靈活的組網方式。

藍牙的出現使嵌入式無線電的概念悄然興起。當嵌入式的無線電芯片價格可被接受時，它的應用可能會達到無所不在的程度。若干年后每個家庭可能會使用數十片甚至更多這樣的嵌入式無線電芯片，將家中的所有電子信息設備甚至電氣設備構成無線網絡；人們可以真正地把網絡隨身攜帶，無論是在家中、辦公室、公共場所還是在車上、旅途中，形成以人為核心的網絡。它可以最大限度地利用功能強大的固定網絡，采用小功率的無線接入技術將人所攜帶的便攜式設備和龐大的固定網絡相連接，這就是“無線個域網”的概念。藍牙直接促使了無線個域網概念的產生，并且已是后者的雛形，兩者相輔相成，將對未來的無線移動數據通信業務產生巨大的推動作用。

3協議結構

為了用藍牙技術實現Adhoc或無線個域網(以下簡稱藍牙個域網)，藍牙SIG正在加強藍牙功能以提供更好的網絡支持。其中一個關鍵且必須的特性就是能夠非常有效地承載IP，可以傳進、傳出以及在藍牙個域網中交換IP包。這是因為藍牙個域網無論接入Internet、3G網絡還是公共或私有的WLAN，都需要用IP承載。因此，好的IP承載能力將給藍牙網絡以更寬廣、更開放的接口，是推進藍牙新的發展應用的動力。

在NAP或是GN(Adhoc組群網絡)中轉發數據包主要是通過IP層，為了保持IP獨立于鏈路層，并使下層藍牙鏈路傳輸看作和以太網完全相同，藍牙SIG加入了藍牙網絡封裝協議(BNEP)，該協議對上層提供類似于以太網的接口。網絡接入點的協議棧如圖1所示。

圖1中，HCI(HostControlInterface)為主機控制接口，是基帶對上層協議的接口；LMP(LinkManagementProtocol)是鏈路控制協議，負責基帶的鏈路管理；L2CAP(LogicalLinkControlandAdaptationProtocol)是邏輯鏈路控制和適應協議，通過控制邏輯鏈路來支持多種上層協議的復用，在這種應用中相當于以太網的MAC層；SDP(ServiceDiscoveryProtocol)是服務發現協議，通過它可以查詢到設備信息和服務類型，從而完成相應的服務。ME(ManagementEntity)是管理實體，協調和管理設備初始化、配置以及連接過程。

針對PAN應用而設計的BNEP協議，用來在藍牙媒體上傳輸常用的網絡協議。它可以和IEEE802.3以太網封裝支持同樣的上層網絡協議(通常的網絡協議如IPv4、IPv6、IPX，以及其他的網絡協議)。在協議棧中，上層網絡協議的包封裝在BNEP的包中，直接通過藍牙L2CAP層傳輸。在WPAN中，藍牙和以太網、令牌環、ATM在OSI7層協議中處于同一層次。

4組網過程

藍牙網絡具有Adhoc的特性，各個設備可以方便地進入和離開網絡，不需要額外的網絡配置。但是為了完成適當的網絡功能，還是要有一定的初始工作。

(1)初始NAP/GN服務

初始過程要適當配置NAP/GN設備，包括設置參數，如：最大的用戶數目，設置為可被發現或不可被發現模式，輸入合適的NAP/GN設備名等等。如果需要，還可以設置任何藍牙PIN(PersonalInformationNumber)或鏈路密鑰。NAP/GN端必須注冊NAP/GN服務，PANU端不要求注冊這個服務。注冊NAP/GN服務還包括初始

PFD(PacketFilterDatabase)以及安全數據庫，設定必要的相關信息，如鑒權模式、保密機制等。初始化完成后，設備才可以接受NAP/GN服務連接。

(2)NAP/GN服務連接

以PANU主動接入網絡的過程為例，下面給出連接建立的主要步驟：

第1步，選擇合適的NAP/GN和其提供的NAP/GN服務。用戶可能用下列方式之一來完成：

①先發現NAP/GN，再發現其提供的服務，然后選擇一個合適的服務。

②應用層將所有設備提供的服務列出(同樣的就只寫一個)，然后由用戶選擇服務，PANU自動選擇合適的NAP/GN。

③PANU鍵入一個服務名稱，如“NETWORK”，PANU就自動選擇合適的設備提供服務。

當然，一些應用還可以利用藍牙服務發現機制得到信息，來自動選擇NAP/GN，完全不需要用戶參與。

第2步，PANU建立物理連接到NAP/GN服務。

第3步，通過PIN或是鏈路密鑰來完成鑒權，或者在BNEP層用IEEE802.1x的安全模式接入。

(3)失去連接時的情況

如果是PANU失去連接，視情況而定，可能PANU會再次建鏈，這需要其保存原有的NAP/GN服務參數，如PIN、鏈路密鑰、用戶名及其密碼等信息。如果PANU設備覺得不能再建鏈或是無需再建鏈時，可以向用戶或應用層通知。如果是NAP/GN，同樣視情況而定，可能保留資源等對方再建鏈；或是放棄資源，讓別的PANU來建鏈；或是主動再建鏈。

如果想離開網絡，每個設備都可以主動斷鏈。

5安全機制

藍牙標準本身提供了一系列的安全管理，可以針對特別的藍牙設備或是服務進行鑒權，同時也可以給數據加密。這里給出藍牙個域網安全機制的建議，其鑒權和加密都可以在基帶完成。鑒權依賴鏈路密鑰，并可以從中得到加密的密鑰。鏈路密鑰基于兩個設備之間的PIN，也可以直接從應用層得來。在藍牙安全機制之上，可以采用其他的安全機制，如IEEE802.1x、IPsec、TLS/WTLS和應用級的安全機制等等。

(1)藍牙本身的安全模式

藍牙本身包括3種安全模式：無安全模式，在藍牙層次上不作任何保護，但是這不影響采用上層的安全模式；服務級安全模式，即在L2CAP建鏈時作安全檢查；鏈路級安全模式，即在LMP建鏈時作安全檢查。

(2)NAP/GN服務的安全

在藍牙PAN中，服務級安全模式可被擴展為PAN服務級安全模式，可以同時利用藍牙基帶或是更高鏈路層或其他層次的安全機制。例如，假定NAP/GN配置為PAN服務級的安全模式，并且和一個PANU建立了連接。如果現在PANU要建立NAP/GN服務，在BNEP信道上，發送L2CAP請求建鏈命令，這時NAP/GN就根據藍牙安全機制開始連接，在建立了L2CAP信道后啟動高層安全機制。不同級別的安全設置可以同時應用。

(3)PAN授權模式

藍牙PAN授權模式指定了接入PAN可以通過不同級別的授權。PAN授權模式由NAP/GN指定，并在相應的服務記錄中說明。鑒權和授權機制在NAP/GN收到為建立BNEP信道而發送的L2CAP建鏈請求時啟動。該模式又分為開放式PAN，即不需要鑒權和授權；只要求鑒權；既要求鑒權又要求授權這3種方式。

(4)PAN加密模式

藍牙PAN加密模式指定了PAN中數據流的加密級別，由NAP/GN設置。該模式分為不用加密和完全加密兩種。完全加密情況下，PAN中的所有數據流都加密，這可以在基帶或是BNEP和IP層完成。任何時候，NAP/GN都可以改變加密的級別以達到更安全的模式，如果PANU不能適應模式的改變就被排斥在PAN之外。

(5)BNEP和更高層協議的安全模式

藍牙基帶可以提供鏈路層的安全模式，類似于其他鏈路層的通信協議(如IEEE802.1x)，但是并不提供端到端數據傳輸的安全。而利用比藍牙更高的層次上的安全機制，如VPN、IPsec、TLS/WTLS和應用層安全設置，可以為藍牙PAN網絡提供足夠的安全。這里提出的安全機制只能是保護藍牙PAN不被未授權的設備加入和鏈路層的藍牙信息流不被竊聽。但是，這種安全機制并不能阻止加入者的惡意行為，以及通過連接的外部網絡采取的惡意行為。如需要保護，必須采用阻止這種攻擊的安全機制，如IPsec、TLS/WTLS和應用層安全機制。

6結束語

靈活有效、安全穩定的無線個域網在實際生活中存在巨大的應用潛力，將藍牙技術與其它網絡技術有效地聯合起來，可以為無線個域網組建和接入其他網絡提供良好的條件。如果可以將多個藍牙微微網絡組合并解決相關問題，基于藍牙實現的無線個域網將會更加靈活有效，并有著更廣闊的應用空間。

參考文獻

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3JohanssonP，KazantzidisM，KapoorR，etal.Bluetooth:AnEnablerforPersona

lAreaNetworking.IEEENetworkMagazine，2001，15(5):28—37

(收稿日期：2001-12-14)

作者簡介

宋晨靜，東南大學移動通信國家重點實驗室通信與信息系統專業研究生。目前研究方向為寬帶無線多媒體通信等。

沈連豐，東南大學移動通信國家重點實驗室教授，博士生導師，江蘇省通信學會常務理事。目前研究方向為擴頻通信、寬帶無線多媒體通信和無線因特網技術等。