Разработка методики интерактивного управления презентациями на основе протоколов Bluetooth

В середине 90-х годов, когда необходимость в переходе к 32-разрядным архитектурам окончательно сформировалась, началась разработка Symbian OS. В апреле 1997 года подразделением Psion Software представила Symbian OS Release 1. На базе, которой немедленно вышел Psion Series 5 (причины отсутствия модели с номером 4, скорее всего, те же, что и у Palm). Серия обновлений (Release 2, 3), вышедшая в течение 1997 года, включала исправление ошибок, приложения для работы с электронной почтой и Web, ПО для синхронизации с настольным компьютером.

Пятый релиз Symbian (в те времена фигурировавшей под названием EPOC/32), анонсированный в 1999 году, включал поддержку цветных дисплеев, Java, улучшенные коммуникационные возможности. На базе этой версии вышел один из первых серьезных смартфонов -- Ericsson R380.

Широкие возможности Symbian OS заинтересовали производителей мобильных устройств. Компания Psion Software была окончательно отделена от Psion Group, превратившись в Symbian Ltd. Капитал новоявленной фирмы состоял из инвестиций Nokia, Ericsson, Motorola и Psion. Задачей компании стала разработка универсальной ОС для мобильных устройств. В списке основных требований к будущей реализации Symbian числились реализация многозадачности, развитые возможности управления электропитанием, переносимость на разные типы процессоров, поддержка любых видов устройств ввода и разрешений экрана, интернационализация. К 2000 году был готов Release 6, на базе которого Nokia выпустила коммуникаторы серии 92x0/92x0i. Новая версия Symbian получилась полностью несовместимой со старым ПО, но проработанный набор приложений и ошеломляющий набор функций сгладили этот недостаток. Модульная конструкция позволяет создавать сборку ОС под конкретную аппаратную базу, и, в отличие от Windows CE или Palm OS, производителю устройства предоставляется полная свобода действий. В качестве примера обычно приводят Nokia 9120, Nokia 7650 и SonyEricsson P800 -- все эти устройства работают под управлением Symbian OS. Первое использует модификацию Crystal (для клавиатурных устройств), второе -- Pearl (смартфоны), третье -- MediaPhone (раннее название Quartz, бесклавиатурные коммуникаторы).

Будущее Symbian OS выглядит привлекательно. Отличные коммуникационные возможности, непревзойденный уровень реализации энергосберегающих технологий, модульная конструкция и другие немаловажные особенности позволяют назвать Symbian лучшей ОС для коммуникаторов/смартфонов. Рынок, который Microsoft собирается покорить, будет яростно сопротивляться.

2.3.4 Embedded Linux

В отличие от настольных компьютеров, первыми ОС для КПК стали вовсе не Unix-подобные системы. Но легкость портирования открытых ОС не оставляла сомнения в появлении версий для карманных устройств. В девяностых годах стартовал проект Embedded Linux. Плодами усилий программистов лучше всех смогла воспользоваться компания Sharp, выпустив серию устройств с названием Zaurus. Технические характеристики старших моделей находятся на уровне топовых устройств с Windows Mobile, в том числе VGA-экран, два разъема расширения и беспроводные интерфейсы. Устройства других производителей были менее успешными. Существует возможность установки Linux на КПК, изначально работающими под управлением Windows CE (например, серий Compaq/HP iPaq).

Как и положено "альтернативным" устройствам, Sharp Zaurus и другие КПК на Linux - мечта любителей поработать руками и головой. Тонкой настройке поддается абсолютно все. При некоторой сноровке, можно найти ПО для выполнения любых задач - от редактирования файлов Microsoft Word/Excel без конвертации до обслуживания серверов веб и баз данных. Одна беда, неподготовленный пользователь имеет все шансы завязнуть в пучине нового, незнакомого и неизвестного. Абсолютное большинство покупателей предпочитает готовые, доведённые дизайнерами до ума, продукты с полным набором ПО, необходимым для работы. Что бы ни утверждали апологеты Linux, на данный момент коммерческие ОС лучше отвечают этим требованиям. К тому же, прибыль от продажи КПК на "раскрученных" Windows Mobile и Palm OS заметно выше.

Если верить заявлению PalmSource о портировании Palm OS для работы с ядром Linux, перспективы объединенных платформ представляются в самом радужном свете. Еще бы, потрясающая мощность универсальность Unix с простотой использования Palm! Конкурент, достойный состязаться с сильными мира сего. К изучению Linux в качестве ОС для КПК мы еще не раз вернемся.

Таким образом, прогнозы, которые можно сделать на основании сложившейся ситуации, обрадуют сторонников продукции Microsoft. Агрессивная маркетинговая политика, проводимая корпорацией, непременно приведет к увеличению объемов продаж устройств с предустановленной Windows Mobile. Поклонники Linux и Palm OS тоже будут довольны: сочетание надёжности ядра и превосходного интерфейса пользователя - мечта каждого покупателя КПК. Нет поводов для беспокойства и у пользователей Symbian. Поддержка со стороны Nokia, SonyEricsson и Motorola - серьезный аргумент в пользу этой ОС.

По-видимому, три направления будут развиваться независимо друг от друга, постепенно становясь все более и более совместимыми. Первый шаг в этом направлении сделали PalmSource и Microsoft, совместно анонсировав Microsoft Exchange ActiveSync - ПО для смартфонов серии Treo для доступа к корпоративному серверу Exchange.

3. Характкристика технологии Bluetooth. Современное состояние и перспективы развития

Bluetooth - название, данное новому стандарту современной технологии беспроводной передачи данных, использующему радиоволны на близком расстоянии, заменяющему кабель для соединения мобильных или установленных электронных устройств. Этот стандарт позволяет соединять друг с другом при минимальном пользовательском участии практически любые устройства: мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты и даже холодильники, микроволновые печи, кондиционеры. Технология предлагает беспроводный доступ LAN, PSTN, сеть мобильных телефонов и Интернет для домашних приборов и портативных устройств.

Bluetooth имеет серьезные позиции в отрасли. В 2002 году он успешно прошел сертификацию в IEEE, получив регистрационный номер 802.15.1. Теперь спецификация Bluetooth 2.0 EDR (Enhanced Data Rate) доступна для массовой аудитории. Цель стандарта - обеспечить соединение любых устройств Bluetooth с другими устройствами Bluetooth, находящимися в непосредственной близости. Bluetooth допускает соединения электронных устройств и беспроводное сообщение через короткий диапазон, специальные сети, называемые piconet. Каждое устройство может соединяться максимально с семью устройствами в piconet.

Также, каждое устройство может принадлежать нескольким сетям. Эти сети устанавливаются динамически и автоматически, поскольку устройства Bluetooth вступают в связь и покидают соединение с устройствами, находящимися поблизости.

Первые версии стандарта Bluetooth использовали достаточно простой способ исключения взаимодействия с другими устройствами, обменивающимися данными по протоколу Bluetooth.

Во второй версии стандарта применяется более совершенная модуляция, чем-то напоминающая механизмы, применяющиеся в Wi-Fi. Между прочим, Bluetooth 2.0 беспрепятственно функционирует, даже когда рядом работают сети Wi-Fi, хотя частотный диапазон для Bluetooth лежит в районе 2,4 ГГц.

3.1 Технические характеристики

Технология работы Bluetooth напоминает реализацию стандарта RadioEthernet. Bluetooth использует частотный диапазон 2,402 ч 2,4835 ГГц с широкими защитными полосами: нижняя граница частотного диапазона составляет 2 ГГц, а верхняя - 3,5 ГГц. Точность заданий частоты (положение центра спектра) задается с точностью ± 75 кГц. Кодирование сигнала осуществляется по двухуровневой схеме GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying).

Логическому 0 и 1 соответствуют две разные частоты. В частотной полосе выделяется 79 радиоканалов по 1 МГц каждый. Каждый из каналов структурируется с помощью выделения временных слотов (доменов) длительностью 625 мкс.

По мощности передатчики делятся на три класса: 100 мВт (для связи до 100 м; 20 дБм); 2 мВт (до 10 м; 4 дБм) и 1 мВт (~10 см; 0 дБм).

Универсальность подхода Bluetooth позволяет организовывать каналы, по которым можно передавать как данные, так и голос. Одновременно могут поддерживаться три канала для передачи голоса или один канал для голоса и один - для данных. Пропускная способность при передаче голоса составляет 64 кбит/с.

Передача данных может происходить синхронно и асинхронно. Скорость передачи данных в асинхронном двунаправленном канале происходит со скоростью до 721 кбит/с или 2.1 Мегабит в спецификациях Enhanced Data Rate, которые были опубликованы в этом году. Если канал организован симметрично, то передача и приема происходит с одинаковой скоростью - до 432,6 кбит/с.

Технология FHSS позволяет, переходя с одной рабочей частоты на другую по псевдослучайному алгоритму (до 1600 переходов в секунду), поддерживать устойчивую помехозащищенную связь. Для полнодуплексной передачи применяется TTD -дуплекс с временным разделением. Каждый пакет передается на новой частоте. При взаимодействии нескольких Bluetooth-устройств одно становится главным и управляет частотной и пакетной синхронизацией, а остальные устройства (до 7) становятся подчиненными, если устройств станет больше - автоматически образуется еще одна сеть. Каждый элемент Bluetooth имеет свой уникальный 48-битовый адрес. При этом как голосовые, так и цифровые устройства равноправны и имеют одинаковую реализацию.

В режиме standby, когда ни одно устройство друг с другом не связано, каждые 1,28 секунды радиоинтерфейс посылает специальный запрос на установление соединения. То устройство Bluetooth, которое ранее других выступит в роли инициатора соединения, станет ведущим (master), а остальные - ведомыми (slave). При этом общее количество устройств в микросети в первой версии стандарта не может быть более восьми. Bluetooth 2.0 поддерживает в одном окружении уже не 8, а 256 устройств, причем теперь необязательно выбирать из них "главного", который управляет работой сети.

Технология случайных переходов рабочей частоты повышает защищенность системы как от помех, так и от несанкционированного перехвата информации. Применяется до трех уровней защиты (в зависимости от поставленной задачи:

1 Без специальной защиты;

2 Доступ только к зарегистрированным устройствам, включая ввод пароля пользователем;

3 Защита информации 128-битовым ключом при передаче в одну или обе стороны.

В отличие от IrDA, который требует, чтобы устройства были нацелены на друг друга в пределах видимости, Bluetooth использует радиоволны, которые проходят через стены и неметаллические барьеры.

3.2 Сферы применения Bluetooth технологии

Потребность в устройствах Bluetooth возникает из-за двух факторов: развитие технологий и рыночная конкуренция. Способность размещать большего количества чипов на небольшой области позволила маленьким устройствам выполнять сложные протоколы. Контроллеры в устройствах способны к программированию, управляемому и используемому в различных современных областях. Таким образом, интеллектуальные устройства могут быть внедрены в работу пользователя и домашнее использование. Для подключения устройств к Интернет доступны различные методы, формируя так называемый "встроенный Интернет". Существенный прогресс был сделан в развитии маленьких и дешевых датчиков, которые могут получать нужные сигналы от пользовательской среды без участия пользователя или явной команды. Стали доступны новые виды электронных тэгов, позволяющие взаимодействие среди разнообразных устройств. В этой среде устройства контролируются комбинацией интеллектуальных систем и стратегически расположенных датчиков, которые работают без явной пользовательской поддержки. Средство для автоматизации зависит от способности устройств к беспроводному соединению друг с другом, с более интеллектуальными центральными серверами. Bluetooth обеспечивает решение этой задачи.

Потребность в устройствах Bluetooth вызвана желанием соединить внешние устройства и устройства без кабелей. Технология инфракрасной связи IrDA обеспечивает связь лишь в зоне прямой видимости и только по принципу точка - точка. Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание персональных сетей, включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками. Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения периферии типа клавиатур или мышей, интерфейс позволяет организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие ею.

Также существует коммерческая необходимость обеспечить способностям, которые являются важными для карманных компьютеров и других мобильных устройств, и это предусмотрено Bluetooth. Основная сила Bluetooth - способность одновременно обрабатывать данные и передачи голоса, позволяя такие инновационные решения как hands-free для голосовых звонков, печать факса, автоматическая синхронизация с PDA, ноутбук и приложения для записной книжки телефона. Все это говорит о том, что технология подобно Bluetooth полезна и эффективна для развития пути приема информации.

3.3 Системные и технические требования к Bluetooth связи

Хотя технология Bluetooth изначально задумана для универсальных беспроводных соединений ноутбуков, РС и мобильных телефонов, стало очевидно, что существует много других приложений для использования стандарта Bluetooth. Таким образом, стандарт Bluetooth не только пытается преодолеть ограничения проводных сетей, но также предлагает разнообразие другого сервиса, создает возможности для новых моделей использования.

Сейчас система Bluetooth получила большее признание, чем замененная кабельная технология. Различные модели использования открывают новые области для возможности применения Bluetooth. Соответственно, к технологии предъявляются всё новые требования, некоторые из них описаны ниже.

Наиболее важным требованием от беспроводных соединений является то, что должна быть универсальная структура, которая предлагает доступные и удобные средства доступа к информации набора различных устройств (PDA, ноутбуков, PC, мобильных телефонов, домашних приложений и т.п.). В практическом исполнении ожидается, что не все устройства будут отвечать ко всем функциональным возможностям, и пользователи могут ожидать, что знакомые им устройства выполнят свои основные функции обычным способом. Поэтому Bluetooth должен предложить средство для взаимодействия между устройствами, находящимися вблизи друг от друга, где каждое устройство обеспечивает свойственную ему функцию, основанную на форме, интерфейсе пользователя, стоимости и мощности, но дополнительный сервис появляется в результате взаимодействия. Рассмотрим системные требования к Bluetooth:

1 Стандарт должен дать возможность устройствам установить инициативное подключение. Устройства могут соединяться без специальной команды пользователя или действия, что позволяет использовать различные информационные ресурсы. Предусматривается поддержка передачи данных и голоса, поскольку это два наиболее важных вида информации, передаваемых сегодня по сетям. (Требования видео и мультимедиа также налагаются на будущие версии Bluetooth).

2 Стандарт должен уметь включать новые модели использования без требования какой-либо регистрации нового сервиса. Соединения должны предоставлять защиту данных, подобную защите при соединения через кабель. Выполнение этого стандарта должно быть простым, не громоздким и эффективным для легкого мобильного использования.

Для быстрого развития системы и для наибольшей пользы Bluetooth необходимо на деле показать пользователям, что всё большее количество устройств подходит под стандарт Bluetooth. Эти устройства представляют собой неоднородный набор, и, конечно, никакая отдельная компания не сможет производить все эти устройства. Поэтому немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит платному лицензированию и ее использование не требует выплаты лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth.

Вышеупомянутые требования вносят большую техническую сложность не только в термины функциональных возможностей, которые будут обеспечены, но также и в термины по требованиям размера и мощности. Технология, разработанная для того, чтобы выполнить вышеупомянутые требования, должна столкнуться со следующими техническими требованиями:

1 Система должна использовать свободный от лицензирования диапазон для универсального использования, так как его используют не только системы научного эксперимента и системы связи, но также и устройства типа микроволновых печей. Таким образом, для Bluetooth был выбран диапазон, который в некоторых странах называют Industrial, Scientific и Medical (ISM). Предпочтительно, чтобы каждый передатчик самостоятельно использовал минимальное количество мощности, чтобы не мешать другим пользователям.

2 Передатчики должны быстро приспосабливаться к меняющейся окружающей среде, так как обычно используются мобильные устройства. Должны быть решены всем известные проблемы беспроводных системах, установленные соединения и протоколы маршрутизации должны работать в окружающей среде, где количество, разнообразие и разнообразие устройств Bluetooth будут динамически изменяться с соответствующей скоростью.

3 Размер исполнения должен быть маленький для легкой интеграции в карманные и мобильные устройства.

4 Потребление мощности не должно превышать лишь маленькой доли от общего количества потребления мощности основным устройством, в котором будет представлен Bluetooth.

5 Технология должна быть приспосабливаемой к устройствам изменения вычислительной мощности и ресурсов памяти, чтобы количество устройств, совместимых с Bluetooth, увеличивалось.

6 Должно быть обеспечено автоматическое установление соединения. Количество и идентичность устройств меняется довольно часто, и будет неудобно каждый раз вручную устанавливать подключение.

7 Также должна быть достигнута синхронизация часов среди сообщающихся устройств. Так как у каждого устройства будут свои собственные запущенные часы, то выполнение успешного соединения - вызов сам по себе.

Должны быть соблюдены также требования безопасности. Устройства Bluetooth в личном использовании будут содержать и сообщать конфиденциальную деловую информацию, информацию частного характера и другие данные, которые должны быть защищены. В стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации, что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны. В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.

Кроме того, целям безопасности служат ключи соединения, которые могут быть полупостоянными и временными. Первые хранятся в энергонезависимой памяти, вторые - обновляются при каждом соединении. Устройство может генерировать свой ключ. Возможно формирование совместного ключа, при его вычислении используются информация от обоих участников будущего обмена.

3.4 Протокол Bluetooth

Протокол использует коммутацию каналов и пакетов. Передача данных выполняется с использованием алгоритма доступа Time-Division Duplex Multiple Access. Каждый пакет передается с использованием иного частотного канала по отношению к предыдущему. Производится 1600 переключений частоты в секунду. Переключение частоты отводит на переходные процессы 250-260 мксек. Структура протоколов Bluetooth, представлена на рисунок 1, адаптирована к моделям OSI и TCP/IP,. В общем случае в спецификации определено 5 уровней: физический, базовый (baseband, управления каналом LMP (Link Management Protocol) и L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol), сетевой и уровень приложений.

Рисунок 1 - Взаимодействие уровней в протоколе Bluetooth

Физический уровень протокола соответствует принципам модели OSI.

На уровне baseband определено 13 типов пакетов данных. Максимальный размер поля данных - 341 байт. Уровень baseband специфицирует пять логических каналов: СC (Control Channel) и LM (Link Manager) используются на канальном уровне, а UA (User Asynchronous), UI (User Isosynchronous) и US (User Synchronous) служат для асинхронной, изосинхронной и синхронной транспортировки данных. Протокол L2CAP отвечает за формирование пакетов, деление на кадры и сборку пакетов, которые в данном стандарте могут достигать размера 64 кБ. L2CAP производит мультиплексирование и демультиплексирование для отправителей пакетов, кроме того, протокол ответственен за качество обслуживания как при передаче, так и во время ожидания. В стандарте Bluetooth предусмотрены обмены как с установлением соединения, так и без.

Для установления соединения, аутентификации и конфигурирования протоколов в сети Bluetooth используется специальное программное обеспечение - Link Manager (LM). В его функции входит также установка соединения с другим LM по протоколу LMP для организации "большой" сети на основе микросетей. Кроме того, LM в течение сеанса может несколько раз менять режим голос / данные, менять способ соединения и тип передаваемых пакетов, переводить устройство в различные режимы.

Все 79 каналов функционируют на основе временных слотов длительностью 625 мкс, которые могут быть заняты каким-либо пакетом данных. Пакеты уровня baseband, как правило, занимают один слот, хотя потенциально разрешается формировать фреймы в пять раз больше. Помимо формы распределения слотов (асинхронные каналы, ACL Link -- Asynchronous Connection-Less Link), существует и система квотирования, когда определенное их количество заранее отводится под трансляцию в реальном времени потоковых данных (синхронные каналы, SCO Link -- Synchronous Connection-Oriented Link). Чтобы упорядочить способы доставки управляющей и полезной информации, разработчики ввели 5 логических каналов. Канал Link Control (LC), который является высокоуровневым представлением заголовков пересланных пакетов, позволяет устанавливать низкоуровневые параметры соединения. Link Manager (LM) предназначен для обмена управляющей информацией между узлами сети пиконет. Данные канала LM кодируются пакетами DM. Каналы UA (User Asynchronous), UI (User Isochronous) и US (User Synchronous) обеспечивают пересылку асинхронных, изохронных и синхронных потоков данных посредством соответствующих типов пакетов.

3.5 Процесс установления Bluetooth соединений

Соединение между устройствами происходит следующим образом:

1 Если ничего не известно об удаленном устройстве, используются процедуры inquiry и page.

2 Если некоторая информация о партнере имеется, то достаточно процедуры page.

Процедура inquiry позволяет устройству определить, какие приборы доступны, выяснить адреса и осуществить синхронизацию. Для этого:

1 Посылаются пакеты inquiry;

2 Устройство адресат, получивший пакет inquiry, находится в состоянии inquiry scan (тогда он способен принимать такие пакеты);

3 Далее адресат переходит в состояние inquiry response и посылает отправителю пакет-отклик.

После того как процедура inquiry завершена, соединение может быть установлено с помощью процедуры paging. Процедура paging реализует соединение. Для осуществления этой процедуры необходим адрес. Устройство, выполняющее процедуру paging, автоматически становится хозяином этого соединения. Для этого:

1 Посылается пакет paging;

2 Адресат, который получает пакет находится в состоянии page scan;

3 Адресат-получатель посылает отправителю пакет-отклик и переходит в состоянии Slave Response;

4 Инициатор посылает адресату пакет FHS и переходит в состоянии Master Response;

5 Получатель посылает отправителю второй пакет-отклик и находится в состоянии Slave Response;

6 Получатель и отправитель устанавливают параметры канала заданные инициатором и находятся в состояниях Master Response & Slave Response соответственно;

7 После установления соединения главный узел (master) посылает пакет POLL, чтобы проверить, синхронизовал ли клиент свои часы и настроился ли на коммутацию частот. Клиент при этом может откликнуться любым пакетом.

Устройство Bluetooth при установлении соединения может работать в четырех режимах: Active, Hold, Sniff и Park (активный, удержание, прослушивание и пассивный, соответственно). Режимы работы Bluetooth представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Режимы работы BlueTooth

Название режима	Описание
Active	В активном режиме устройство Bluetooth участвует в работе канала. Главный узел (master) распределяет обмены на основе запросов трафика, поступающих от участников. Кроме того, этот режим предусматривает регулярные обмены с целью синхронизации клиентов. Активные клиенты прослушивают домены master-to-slave пакетов. Если к активному клиенту нет обращений, он может пребывать в пассивном состоянии (sleep) до очередной передачи со стороны главного узла.
Sniff	Устройства синхронизованные в рамках пикосети могут перейти в режим экономного расходования энергии, когда их активность понижается. В режиме SNIFF, устройство-клиент прослушивает пикосеть с пониженной частотой.
Hold	Устройства синхронизованные в рамках пикосети могут перейти в режим экономного расходования энергии, когда их активность понижается. Главный узел пикосети может перевести клиента в режим HOLD, когда работает только внутренний таймер. устройство-клиент может запросить перевода в режим HOLD. Передача данных возобновляется мгновенно, когда устройство выходит из режима HOLD.
Park	В режиме PARK, устройство еще синхронизовано в рамках пикосети, но не принимает участия в обменах. Пассивные устройства отказываются от своих МАС-адресов (AM_ADDR), прослушивают трафик главного модуля с целью ресинхронизации и отслеживают широковещательные сообщения. Данный режим имеет минимально возможную скважность (максимальная экономия энергии) из указанных 3 режимов (sniff, hold и park). Устройства, находящиеся в режиме park, должны посылать пакеты широковещательно, так как лишены собственного активного адреса.

Контроллер BlueTooth может работать автономно или в режиме соединения. Автономное состояние является режимом с пониженным энергопотреблением, при этом работает только внутренний задающий генератор. В состоянии соединения главный узел (master) и клиент (slave) могут обмениваться пакетами, используя код доступа к каналу.

Любой интерфейс Bluetooth может работать в нескольких режимах. Если длительное время не происходит передачи данных, то master-устройство может перевести slave-устройство в ждущий режим (hold). При решении специальных задач может быть программно установлен режим прослушивания сокращенного набора частот (sniff). Если устройство переводится в режим park, то это означает, что оно остается присоединенным к сети, но переводится "в запас" и лишается индивидуального адреса, который может быть присвоен новому "входящему" устройству. Все эти три дополнительных режима характеризуются низким энергопотреблением.

Состояния hold, sniff и park отличаются также и правилами адресации устройства. Узел в режиме hold сохраняет за собой нормальный адрес в пиконет, а в режиме park он получает два адреса: один позволяет мастеру различать узлы, находящиеся в этом состоянии, и обращаться к ним, второй же необходим, чтобы "запаркованный" узел мог самостоятельно отослать запрос мастеру. Следовательно, пакеты, отправляемые устройству в режиме park, должны быть широковещательными, так как эти узлы лишены собственного активного адреса.

Один из режимов установления или возобновления соединения называется paging state. В таком состоянии мастер буквально забрасывает эфир на всех частотах (hop frequencies) короткими ID-пакетами, содержащими только код доступа устройства (device access code). Поскольку пакеты невелики, в рамках одного временного фрейма удается передавать два пакета на двух разных частотах. Подчиненный узел в режиме paging также успевает прослушивать за один интервал 625 мкс две частоты, ожидая появления своего кода.

Установление соединения осуществляется и с помощью запросов. Запрашивающее устройство не сообщает никакой информации о себе за исключением типа устройств, которые отвечают: все или только, например, факсы. Соответственно узел, желающий быть обнаруженным, должен периодически (каждые 2,56 с) входить в состояние прослушивания запросов (inquiry state). Чтобы высвободить ресурсы своего передатчика, устройство может даже перевести в режим hold или park свои асинхронные соединения. Синхронные коммуникации продолжают осуществляться, и пакеты могут прерывать процесс прослушивания.

После того как ведомое устройство было обнаружено опрашивающим мастером и ответило пакетом FHS, информирующим о состоянии его внутренних часов, адресе и прочих характеристиках, ведущий узел генерирует пакет POLL, чтобы удостовериться в том, что подчиненный узел правильно настроил параметры приема и в состоянии получать данные. Подключаемое устройство может ответить любым пакетом, но если ответ не пришел, мастер снова переходит в состояние paging или inquiry.

3.6 Сети Bluetooth

Соединения бывают как типа "один к одному", так и "один ко многим", при этом один из узлов должен выполнять функции мастера (master), а прочим отводится подчиненная функция (slave). Обязанности мастера сводятся к формированию канала (случайная последовательность частотных скачков, генерируемая на основе адреса устройства-мастера) и поддержке синхронной слотовой структуры.

Основу сети BlueTooth составляют пикосети, пердставленные на рисунке 2, состоящие из одного главного узла и до семи клиентских узлов, размещенных в радиусе 10-100 м.



Рисунок 2 - Пикосеть

Все узлы такой сети работают на одной частоте и разделяют общий канал. В одной достаточно большой комнате могут располагаться несколько пикосетей. Эти сети могут связываться друг с другом через мосты. Пикосети, объединенные вместе составляют рассеянную (scatternet) сеть. Поскольку в каждой пикосети имеется свой master, последовательность и фазы переключения их частот не будут совпадать. Если пикосети взаимодействуют друг с другом, это приводит к понижению пропускной способности. Устройство BlueTooth может выступать в качестве клиента в нескольких пикосетях, но главным узлом (master) может быть только в одной пикосети. Кроме 7 активных клиентских узлов главный узел может поддерживать до 255 пассивных (спящих) узлов.

Иногда мастер и клиент могут захотеть поменяться ролями. Это может быть выполнено в два этапа.

1 Происходит отключение обоих участников процесса от пикосети и осуществляется переключение TDD (Time Division Duplex) трансиверов.

2 Если требуется, узлы старой пикосети образуют новую пикосеть

Самым низким уровнем протокола является уровень радиосвязи. На этом уровне данные передаются от главного узла к подчиненному бит за битом. Все узлы пикосети перестраивают частоту одновременно, последовательность частот определяется главным узлом (М на рис. 1). Главный узел (master) является источником синхронизации для всех клиентов пикосети.

Подчиненные узлы в пиконет работают в одном из двух режимов: активном и "подслушивания" (sniff). Суть первого из них очевидна, а другой представляет собой некое подобие состояния сна в энергосберегающих технологиях. Устройство в режиме sniff прослушивает эфир только в заранее определенные периоды времени.

Режимы sniff, park и hold также необходимы для подключения узлов сразу к нескольким пиконет. Чтобы подсоединиться к другой сети, устройство может запросить для себя в текущей пиконет режим park или hold. В случае состояния sniff узел имеет несколько свободных слотов между прослушиваниями своей основной сети, чтобы участвовать в обмене данными с другими сетями.

3.7 Адресация Bluetooth

Адрес Bluetooth это 48 битный идентификатор, в котором первые 3 байта адреса определяют производителя (по правилам IEEE), а последние 3 байта свободно определяются выпускающей конторой. Например, все адреса Bluetooth устройств Sony Ericsson начинаются с 00:0A:D9, так как именно этот номер зарегистрирован за компанией в IEEE.

Как уже было сказано, включение non-discoverable режима на Bluetooth устройстве должно защитить пользователя от неавторизованного соединения, однако на практике возможно найти это устройство. Существует ряд утилит для brute-force обнаружения скрытых устройствК сожалению, основным препятствием для работы таких устройств является скорость работы. На обнаружение одного устройства требуется от 2 до 10 секунд (в среднем 6), что при количестве адресов у того же Sony Ericsson 16.777.216 дает нам 1165 дней на перебор - более 3 лет на нахождение всех телефонов компании в области видимости. С другой стороны по поведению самого телефона можно предсказать есть ли на нем Bluetooth и включен ли он. Большинство моделей имеет синий индикатор, который показывает, включена связь или нет. Если связь включена, но устройство не сканируется - можно сузить набор адресов.

Прежде всего, если известен производитель устройства, то количество адресов однозначно определено в 16.777.216 единиц. Более того, некоторые производители предпочитают назначать довольно предсказуемые адреса для определенных моделей.

Например, большинство адресов коммуникаторов Sony Ericsson P900 начинаются с 00:0A:D9:E, что оставляет нам всего 5 неизвестных hex разрядов. Это уменьшает область поиска с 16 миллионов всего до 1. Более того, четвертый байт в адресе SE P900 обычно располагается в интервале E7-EE, что вдвое уменьшает сканируемый диапазон - до 524.288 штук. Это позволит нам просканировать весь диапазон за 36 дней, что конечно значительно меньше 3 лет, однако по прежнему недопустимо велико. Исследования по сужению адресного пула до сих пор ведутся, однако пока трудно предсказать к чему они приведут, например, ясно, что у Nokia проблем с распределением номеров нет и они определяются случайным образом для каждой модели.

Время, нужное для сканирования диапазона адресов, можно уменьшить не только за счет сужения диапазона, но и за счет использования нескольких устройств. Текущая версия RedFang (v.2.5) позволяет организовать несколько процессов сканирования. Если использовать 8 USB Bluetooth устройств, то в адресном пространстве Sony Ericsson P900 можно найти телефон за 4,5 дня.

3.8 Базовые профили технологии

На верхнем прикладном уровне спецификация Bluetooth определяет 13 типов поддерживаемых приложений, которые называются профилями (также существует 12 дополнительных профилей). Профили, предсталенные в таблице 2, являются регламентациями прикладного уровня.

Таблица 2 - Основные профили BlueTooth

N	Название	Описание
1	GAP (Generic Access Profile)	Процедура управления связью
2	SDAP (Service Discovery Application Profile)	Протокол определения предлагаемых сервисов
3	CTP (Cordless Telephony Profile)	Профиль беспроводной телефонии
4	GOEP (Generic Object Exchange Profile)	Протокол операций клиент-сервер при работе с объектами (обмен данными).
5	LAP (LAN Access Profile)	Протокол связи мобильной ЭВМ со стационарной LAN
6	DNP (Dial-up Networking Profile)	Протокол связи ЭВМ с сетью посредством мобильного телефона
7	FP (Fax Profile)	Протокол связи мобильного факса с мобильным телефоном
8	SPP (Serial Port Profile)	Профиль для работы с последовательным портом
9	IP (Intercom Profile)	Мобильные телефоны могут работать, как переносные цифровые рации
10	HS (Headset Profile)	Протокол связи устройства hands-free с мобильным телефоном
11	OPP (Object Push Profile)	Протокол пересылки простых объектов
12	FTP (File Transfer Profile)	Протокол пересылки файлов
13	SP (Synchronization Profile)	Протокол синхронизации PDA с другой ЭВМ

Профили 5-7 конкурируют с протоколом IEEE 802.11. Профиль удаленного доступа служит для подключения ЭВМ к мобильному телефону, снабженному модемом, без использования проводов. Профиль факс позволяет беспроводным факсам отсылать и получать факсы посредством мобильного телефона. Профили 8-10 имеют отношение к телефонии, в перспективе мобильный телефон и беспроводная трубка домашнего телефона станут взаимозаменяемы. Профиль 10 представляет собой приложение, позволяющее устройствам hands-free держать связь с базой, что удобно, например, при езде в автомобиле. Профили 11-13 служат для пересылки объектов между беспроводными устройствами.

Сервис является единственной сущностью (entity), которая предоставляет информацию для выполнения каких-либо действий. Сервис может реализовываться аппаратно или программно. Информация о сервисах содержится в записях, которые представляют собой списки атрибутов. Каждый атрибут описывает одну характеристику сервиса. Некоторые атрибуты являются общими для всех записей сервиса, но сервис-провайдеры могут определить свои собственные атрибуты услуг в зарезервированных полях. Различные виды сервиса группируются в классы. Все атрибуты, содержащиеся в записи сервиса, относятся к одному классу. Каждому классу присвоен уникальный идентификатор UUID.

3.9 Перспективы развития технологии

На сегодняшний день, после появления уже второй редакции спецификации Bluetooth, трудно найти какую-либо область человеческой деятельности, где бы не могла применяться эта технология.

Прежде всего, это производство мобильных аудиосистем. Ряд компаний - производителей аудиотехники класса hi-fi (например Bang&Olufsen) увидели в Bluetooth возможность создания радиомикрофонов с возможностью передачи звука по высококачественным цифровым каналам без применения специализированной дорогостоящей аппаратуры.

Другое применение Bluetooth - управление домашней бытовой техникой. Радиоинтерфейс встраивается в любое домашнее электронное устройство, и вы из любой точки мира можно управлять, скажем микроволновой печью. Однако, самой эффективной обещает быть работа Bluetooth в области оперативного управления. Портативный компьютер, сотовый телефон, принтер, цифровая камера могут быть в течение нескольких минут связаны в локальную сеть в любом месте без утомительной прокладки кабелей и настройки ПО.

Французская фирма Parrot представила беспроводный bluetooth car kit для автомобиля. Если вставить Parrot в прикуриватель автомобиля, тогда можно звонить и принимать звонки во время движения без проводов. Руки всегда остануться свободными, не нужно будет отвлекаться во время движения автомобиля. DriveBlue по желанию может отвечать на звонки автоматически - это еще один плюс. Также, Parrot DriveBlue поддерживает работу с 3-мя телефонами и синхронизирует телефонную книжку. После этого, нужно задать для комплекта набор голосовых команд. При использовании телефона SonyEricsson T68i данная модель добавляет дополнительное меню в мобильный телефон, которое позволяет управлять устройством Parrot DriveBlue.

Качество звука обеспечивается специальными алгоритмами подавления эха, шумов, фильтрации только голоса. Водитель автомобиля, повернув ключ зажигания, активизирует комплект Parrot CK3000. При этом, оснащенный Bluetooth телефон водителя, устанавливает автоматически радиосвязь с комплектом и передает ему управление. Разумеется, не имеет значения, где именно находится телефон, важно, чтобы он был в 10-метровой зоне видимости. При поступлении входящего звонка звук магнитолы будет приглушен, прозвучит приветствие. Если нужно отсоединиться, просто следует сказать записанную фразу, например: "Конец связи". Если нужно позвонить, просто сказать "Соедини меня", после сигнала скажите запрограммированное имя абонента.

Bluetooth GPS приемник GlobalSat BT308, позволяет забыть о проводах при подключении GPS-приемника к ноутбуку или карманному компьютеру. В устройстве Bluetooth GPS используется чип SIRF Star II/LP, обладающий высокой чувствительностью и низким потреблением энергии.

При использовании беспроводного plug-n-play Bluetooth решения для печати не требуется никаких дополнительных программ. Поддерживает профиль Hardcopy Cable Replacement Profile (HCRP), Serial Port Profile (SPP) совместимый с большинством принтеров.

Широкие возможности, которые открывает технология Bluetooth, также позволяют эффективно использовать её в образовательном процессе различных образовательных учреждений. Например: преподаватель может быстро и эффективно передать всем присутствующим на занятии студентам какую-либо важную информацию или наоборот собрать со всех студентов результаты выполнения какого-либо задания. При этом все мобильные устройства объединятся в сеть, а сервером выступает мобильное устройство преподавателя. Это особенно удобно, когда проходит не практическое занятие, а лекция. Соответственно лекционный класс не оборудован дорогостоящим оборудованием (компьютеры средства обеспечения сетевого взаимодействия), да это и не нужно. Во время проведения лекции преподаватель в любой момент может прерваться и за считанные минуты провести опрос по какому-либо вопросу и узнать, что думает каждый из учащихся. Анализ полученных результатов поможет ему эффективно планировать дальнейший ход проведения занятия.

На сегодняшний день в виду быстрого развития технологий появилось такое понятие, как интеллектуальные дома (умные дома). Умный дом можно определить как интегрированные системы комфорта, управляемые с единого пульта и через интернет. Системы комфорта могут быть разнообразными - управление инженерными системами такими как, электропитаниие, вентиляция, отопление, метеоконтроль, водоснабжение, аудио- и видеосистемами; проветривания помещения в зависимости от погодных условий, повышения или понижения мощности отопительных приборов, создание оптимальных и комфортных климатических условий. А автоматизированные системы горячего и холодного водоснабжения позаботятся о своевременном поливе комнатных растений, проконтролируют уровень воды в бассейне, состояние фильтров и локализуют появившиеся протечки. Плавно гаснущие и зажигающиеся системы светильников создадут неповторимую атмосферу. Управление интеллектуальным домом является сложной задачей требующей серьёзной проработки. Одной из проблем возникающих при работе с множеством автоматических систем это создание единого устройства управления (универсального пульта). Это особенно проблематично если учесть, что количество устройств, которыми необходимо управлять постоянно меняется. В качестве одного из решения этой проблемы может также выступить мобильный телефон с поддержкой стандарта JSR-82 - API для работы Java приложения по протоколу Bluetooth. Разработанное программное обеспечение позволит без проблем управлять любыми системами, поддерживающими протокол Bluetooth и находящимися в радиусе действия мобильного устройства равному 100 м. Программное обеспечение выполнит, как ручное добавление отдельных систем в список доступных для управления, так и сделает всю работу по поиску и регистрации найденной системы автоматически.

Сейчас все большее распространение получают персональные цифровые ассистенты (PDA), приходящие на смену электронным записным книжкам. Предполагается изготавливать PDA в виде маленького цифрового терминала размером с наручные часы. Такой терминал, связанный с помощью Bluetooth с компьютером, может обеспечить своего владельца доступом в интернет, ну а полная синхронизация данных мобильного терминала и вашего офисного компьютера вообще перестанет быть проблемой.

Развитие данной технологии привело к появлению различного программного обеспечения, которое предназначено для управления периферийными устройствами. Так программа "Bluetooth Remote Control" позволяет максимально использовать возможности технологии Bluetooth в своём мобильном телефоне. В данном случае мобильный телефон может использоваться для дистанционного управления компьютером, оборудованным Bluetooth-адаптером. Например, проводя презентацию, можно открывать файлы PowerPoint и менять слайды прямо с клавиатуры телефона. Также имеется возможность управлять медиа-проигрывателем.

Будущее BlueTooth так или иначе связано с развитием нанотехнологий, которые развиваются сейчас также стремительно, как и технологии беспроводной связи. И рано или поздно появится нанобот с BlueTooth модулем, который сможет получать и передавать сигналы в мозг.

Организация Bluetooth Special Interest Group, поддерживающая стандарт Bluetooth, объявила, что в ближайшие несколько лет скорость передачи данных по этому каналу будет кардинально увеличена. Это произойдет за счет внедрения технологии UWB (от английского ultra-wideband).

Отметим, что технология UWB разрабатывается уже в течение нескольких лет. Среди участников проекта отмечены компания Intel, Hewlett-Packard и Microsoft. Можно смело сказать, что UWB претендует на то, чтобы стать беспроводным аналогом USB. Теперь эта технология будет использоваться и в будущих Bluetooth-устройствах.

Первый продукт с высокоскоростным Bluetooth может появиться в конце 2007 года. А в 2008 ожидается, что стандарт будет использовать повсеместно, считает Майкл Фоули (Michael Foley), исполнительный директор Bluetooth SIG. Федеральная Комиссия Связи уже одобрила внедрение UWB в США, но в остальных регионах эта технология еще ждет ратификации.

4. Обзор программ интерактивного управления и управляемых приложений

Естественно, данный обзор охватывает далеко не все программы подобного класса, однако подавляющее их большинство (Bemused, Wireless Presenter) ориентировано на работу только с тремя приложениями: Winamp, Windows Media Player и Power Point, что серьёзно ограничивает практические возможности их применения. Рассмотрим ряд программ и их функциональное назначение.

1. BT Browser. Эта утилита умеет искать Bluetooth- устройства, отображать их тип и подтип (например, тип - компьютер, подтип - КПК) и показывать всю информацию об их сервисах: от названий и адресов до поддерживаемых языков. Пользователь задает параметры собственного профиля и желаемого партнера. Программа автоматически находит его, после чего становится возможным разговаривать через Bluetooth или GPRS, обмениваться картинками и пр.

2. BT Info: программа, позволяющая контролировать телефон через Bluetooth. Может управлять медиаплеером, производить вызовы, редактировать телефонную книгу и другое.

3. Control Freak. Программа создана для платформы -- Symbian Series 60. Размер -- 476Кб (включая приложение для телефона). Первоначально была предназначена для управления известным mp3-плеером Winamp с помощью смартфонов Series60, однако разработчики включили в более поздние версии небольшой модуль для отображения экрана компьютера, переросший затем в средство управления удалённым рабочим столом. Поскольку программа обладает хорошим дизайном и дружественным интерфейсом, к тому же регулярно обновляется, можно рассчитывать на то, что в следующих версиях возможно будет совершать любые действия на компьютере с помощью телефона.

Из плюсов помимо интерфейса можно отметить простоту использования, лёгкость настройки и небольшие размеры. Есть у данной программы и недостатки -- она является плагином к плееру Winamp и для своей работы требует установленный и работоспособный WinAmp. Ещё один минус -- неполная реализация управления компьютером: отсутствует функция "правой кнопки" в режиме управления мышью.

Возможности:

· Полное управление медиаплеером winamp, включая медиа-библиотеку и редактор списка воспроизведения.

· Управление мышью/курсорными клавишами (доступны левая кнопка мыши, Alt+Tab, Enter, Esc и ввод произвольного текста).

· Управление работой компьютера (Выключение, перезагрузка, режим ожидания, спящий режим).

· При входящем звонке уменьшает громкость/приостанавливает воспроизведение.

Для работы программе нужен сервис "bluetooth serial port" -- его необходимо установить и настроить в первую очередь. Чтобы это сделать, необходимо кликнуть правой кнопкой мыши на значке bluetooth в трее и выбрать в списке пункт advanced configuration. В появившемся окне необходимо перейти на вкладку Local services и там найти строчку "bluetooth Serial port". Если она есть, выделяем её и нажимаем Properties, иначе -- Add serial service. Драйвер предложит выбрать номер порта. В левом верхнем углу ставим галку Startup Automatically и закрываем это окно.

После этого необходимо установить ControlFreak на компьютер. В процессе установки программа спросит, куда положить клиентскую часть для телефона -- по умолчанию это папка "мои документы". Программа предназначена пользователем WinAmp, как средство для управления этим плеером.

Анализ различных программ позволил сделать вывод, что в основном они предназначены для развлекательной сферы применения мобильных устройств. Реально для делового применения достаточно мало программных систем на сегодняшний день, что еще раз подтверждает актуальность тематики дипломного проекта. К реальным системам управления конкретными приложениями компьютера с мобильных средств связи относятся следующие:

4. RemotePC2. Программа для управления компьютером с телефона.

5. Bluetooth Remote Control. Программа является универсальным пультом дистанционного управления для компьютера. Используя Bluetooth смартфон, превращает его в пульт управления компьютером. Работает с Power Point, Winamp (можно изменять громкость и порядок следования композиций. Bluetooth Remote) и д.р.. Программа позволяет пользователю изменять текущие настройки управления и подключать к управляющему модулю новые приложения. Вы можете добавить поддержку новых программ с помощью Java- или VB-скриптов, переопределять карту горячих клавиш и соответствующих им действий.

6. Total Input. Программа для управления настольным ПК с Pocket PC КПК. Содержит эмулятор мыши и клавиатуры. Радиус действия - до 100 м.

7. Bluetooth Framework. Bluetooth Framework может одинаково хорошо работать с Delphi, с CBuilder, с Visual Studio и с Visual Basic. Причем код программы написан на Windows API, а значит, для работы будущей программы не понадобится дополнительных ПО и библиотек. В пакет включены компоненты для сканирования эфира и поиска беспроводных устройств, отправки и приема sms, передачи файлов, работы с записной книжкой телефонов, синхронизации и т.п. На сайте разработчиков можно найти примеры и приступить к написанию собственного приложения.