Bluetooth

Το Bluetooth είναι ένα βιομηχανικό πρότυπο για ασύρματα προσωπικά δίκτυα υπολογιστών (Wireless Personal Αrea Νetworks, WPAN). Πρόκειται για μια ασύρματη τηλεπικοινωνιακή τεχνολογία μικρών αποστάσεων, η οποία μπορεί να μεταδώσει σήματα μέσω μικροκυμάτων σε ψηφιακές συσκευές. Επομένως το Bluetooth είναι ένα πρωτόκολλο το οποίο παρέχει προτυποποιημένη, ασύρματη επικοινωνία ανάμεσα σε PDA, κινητά τηλέφωνα, φορητοί υπολογιστές, προσωπικοί υπολογιστές, εκτυπωτές, καθώς και ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές ή ψηφιακές κάμερες, μέσω μιας ασφαλούς, φθηνής και παγκοσμίως διαθέσιμης χωρίς ειδική άδεια ραδιοσυχνότητας μικρής εμβέλειας. Από τεχνικής άποψης το Bluetooth είναι ένα πρωτόκολλο ασύρματης δικτύωσης σε φυσικό επίπεδο, υποεπίπεδο MAC και, προαιρετικά, υποεπίπεδο LLC.

Ιστορικό

Ως τα τέλη της δεκαετίας του 1990 δεν υπήρχε κάποιο ευρέως αποδεκτό πρότυπο WPAN, ούτε φυσικά ανάλογες εμπορικές εφαρμογές / πομποδέκτες. Όμως τότε η Ericsson έθεσε τις βάσεις για την ανάπτυξη μίας τεχνολογίας η οποία θα επέτρεπε τον σχηματισμό τοπικών δικτύων πολύ μικρής εμβέλειας με σκοπό την ασύρματη και ad hoc δικτύωση ετερογενών φορητών συσκευών. Το πρότυπο που προέκυψε υιοθετήθηκε στη συνέχεια από την IEEE ως το πρότυπο 802.15 για WPAN. Οι σχεδιαστές του κλήθηκαν να επιλέξουν το όνομα με το οποίο αυτή η τεχνολογία θα γινόταν αργότερα γνωστή σε όλο τον κόσμο. Οι Σουηδοί εμπνευστές του 802.15 ήταν βέβαιοι ότι το νέο πρότυπο θα επικρατούσε και θα έφερνε ακόμη πιο κοντά τους ανθρώπους και τις συσκευές τους. Οι Σκανδιναβοί μάλιστα διαφημίζουν ότι κάτι ανάλογο έκανε και ο Δανός Βασιλιάς Χάραλντ ο Κυανόδους, ο οποίος έζησε στα τέλη του 10ου αιώνα μ.Χ.: κατέλαβε με τα στρατεύματά του πολλές χώρες, ενώ λέγεται ότι κατάφερε να ενώσει τη Δανία με τη Νορβηγία.
Ο Χάραλντ ήταν ο πρωτότοκος υιός του βασιλιά Γκορμ που κυβερνούσε για πολλά έτη τη Γιουτλάνδη, τη μεγαλύτερη χερσόνησο της Δανίας. Από μικρός έμαθε να τιμά την οικογένειά του και τις παραδόσεις των Βίκινγκς. Στην εποχή του οι περισσότεροι Σκανδιναβοί ήταν αγρότες, ενώ οι ασθενέστεροι υπηρετούσαν τους βασιλείς ως δούλοι. Σε αυτήν την κοινωνία μεγάλωσε ο Harald Blatand (Κυανόδους), το όνομα του οποίου έχει τις ρίζες του σε δύο αρχαίες δανέζικες λέξεις: bla (σκουρόδερμος) και tan (γενναίος άνδρας). Αυτά τουλάχιστον αναφέρονται σε ένα δελτίο τύπου της Ericsson το οποίο δημοσιεύθηκε το 1999.

Λειτουργία

Οι προδιαγραφές του Bluetooth καθορίζουν την «ασύρματη» τεχνολογία χαμηλού κόστους και χαμηλής ισχύος, που εξαλείφει τα καλώδια μεταξύ των κινητών συσκευών και επιτρέπει τη διασύνδεσή τους. Το Bluetooth λειτουργεί στο «αδέσμευτο» φάσμα συχνοτήτων των 2,4 GHz, ώστε οι συσκευές που το ενσωματώνουν να μπορούν να λειτουργήσουν απροβλημάτιστα σε οποιοδήποτε σημείο του πλανήτη. Για να περιοριστούν στο ελάχιστο οι παρεμβολές από παρεμφερείς συσκευές, το Bluetooth εκμεταλλεύεται την αμφίδρομη επικοινωνία και τη μέθοδο μετάδοσης με διασπορά φάσματος Frequency Hopping (έως και 1600 εναλλαγές συχνότητας ανά δευτερόλεπτο). Από φυσική άποψη επίσης το Bluetooth λειτουργεί περίπου στα 2.4 GHz, προδιαγράφει τρία επίπεδα ισχύος της εκπομπής από τα οποία εξαρτάται και η εμβέλεια επικοινωνίας (πάντα μικρότερη των 10 μέτρων σε PAN), ενώ η τακτική αλλαγή της συχνότητας εκπομπής λόγω της αξιοποίησης του FHSS καθορίζεται ψευδοτυχαία από έναν κεντρικό κόμβο, τον Master.
Το Bluetooth επιτρέπει τις απευθείας συνδέσεις από συσκευή προς συσκευή (point to point), καθώς και την ταυτόχρονη σύνδεση έως και 7 συσκευών με τη χρήση μιας μοναδικής συχνότητας. Τις προδιαγραφές της συγκεκριμένης τεχνολογίας ανέπτυξε και υποστηρίζει το Bluetooth Special Interest Group, ενώ η τελευταία «δημόσια» έκδοσή τους είναι η 1.1, η οποία ενσωματώνεται πλέον στις περισσότερες συμβατές συσκευές μέσω κατάλληλων πομποδεκτών και καρτών δικτύου. Ένα πρόβλημα των προδιαγραφών του Bluetooth είναι ότι, λόγω της μετάδοσης στην ελεύθερη ζώνη συχνοτήτων των 2,4 GHz, οι συσκευές που το υποστηρίζουν αδυνατούν να χρησιμοποιήσουν ταυτόχρονα τα περισσότερα πρωτόκολλα της οικογένειας IEEE 802.11, καθώς τότε θα υπήρχαν σοβαρά προβλήματα παρεμβολών.
Οι βασικότερες προδιαγραφές του Bluetooth αφορούν το φυσικό επίπεδο και το υποεπίπεδο MAC, όπου έχουν δημιουργηθεί διαφορετικά πρωτόκολλα για διαφορετικές εφαρμογές και τα οποία ονομάζονται προφίλ. Το Bluetooth SIG έχει ήδη παρουσιάσει τέτοιες παραμετροποιημένες εκδοχές του προτύπου για διάφορες «αγορές» (π.χ. προφίλ ασύρματου τηλεφώνου, προφίλ πρόσβασης σε LAN, προφίλ εκτύπωσης, φωτογραφίας, αυτοκινήτου κλπ). Κάθε προφίλ περιλαμβάνει πρότυπα για όλα τα επίπεδα και προσφέρει λύσεις για τη διασύνδεση με διαφορετικά δίκτυα μεγαλύτερης κλίμακας.

Διαδικασίες

Ένα piconet σχηματίζεται από έναν κόμβο που επιθυμεί να γίνει Master (διαδικασία Inquiry). Ο Master είναι υπεύθυνος για τις μεταβολές της δικτυακής τοπολογίας (εισαγωγές, αποχωρήσεις κόμβων και συντονισμός τους -διαδικασία Page). Η ακολουθία των ενεργειών είναι ως εξής: ο δυνάμει Master κόμβος εκκινεί τη διαδικασία ανίχνευσης πιθανών Slaves εκπέμποντας ένα μήνυμα Inquiry που περιέχει έναν κώδικα ονόματι IAC. Κάθε κόμβος που λαμβάνει ένα τέτοιο μήνυμα απαντά με πλαίσιο που περιέχει τη διεύθυνση του και πληροφορίες συγχρονισμού, ενώ στη συνέχεια αναμένει μήνυμα Page. Ο Master λαμβάνει αυτά τα πλαίσια των Slaves, χρησιμοποιεί τις διευθύνσεις των τελευταίων για να υπολογίσει τον κώδικα διασποράς του Frequency Hopping και αποστέλλει στους Slaves που βρέθηκαν ένα μήνυμα Page που περιέχει έναν κώδικα DAC. Οι Slaves απαντούν με τον κώδικα IAC (ένα είδος πιστοποίησης) και ο κεντρικός Master τους στέλνει τον κώδικα διασποράς. Οι Slaves επιβεβαιώνουν τη λήψη, συνδέονται κι έτσι το piconet σχηματίστηκε. Οι συνδεδεμένοι κόμβοι μπορούν να είναι κάθε στιγμή είτε Active (συμμετέχουν ενεργά στο δίκτυο ανταλλάσσοντας δεδομένα), είτε Sniff (ακούν σε συγκεκριμένες χρονοθυρίδες), είτε Hold (όπου μπορούν να μεταφέρουν μόνο φωνή, με σύνδεση SCO, κι έχουν μειωμένη κατανάλωση ισχύος), είτε τέλος Parked (είναι μέλη του δικτύου αλλά δεν ακούν το κανάλι και δεν ανταλλάσσουν δεδομένα). Οι κόμβοι Active, Sniff και Hold αναγνωρίζονται από διευθύνσεις 3-bit (έως 7 ενεργοί Slaves), ενώ οι κόμβοι Parked από διευθύνσεις 8-bit (έως 256 ανενεργοί Slaves).
Υπάρχουν 4 διαφορετικοί τύποι πλαισίων SCO και έξι τύποι ACL. Σε όλους όμως υπάρχει ένας κώδικας πρόσβασης, ο οποίος είναι είτε ο IAC, είτε ο DAC είτε ο CAC και σκοπεύει στο συγχρονισμό της εναλλαγής συχνοτήτων του FHSS μεταξύ του Master και των Slaves, μία κεφαλίδα υποεπιπέδου MAC με άθροισμα ελέγχου CRC και το ωφέλιμο φορτίο. Το τελευταίο ουσιαστικά είναι ένα πλαίσιο υποεπιπέδου LLC το οποίο μπορεί να έχει μια δική του κεφαλίδα, μεταφέρουσα στοιχεία για τη λογική σύνδεση του LLC στην οποία ανήκει το πλαίσιο και το μήκος του ωφέλιμου φορτίου, την πληροφορία προς μετάδοση και ίσως έναν κώδικα CRC ή/και FEC. Οι διαφορετικοί τύποι πλαισίων MAC του Bluetooth διαφοροποιούνται στο ωφέλιμο φορτίο: οι τύποι SCO είναι ο High Quality Voice 1, στον οποίον τα 2/3 του μήκους του ωφέλιμου φορτίου του πλαισίου είναι κώδικας FEC (με αποτέλεσμα μικρή απώλεια πλαισίων αλλά μειωμένο ρυθμό μετάδοσης δεδομένων) και τα υπόλοιπα πληροφορίες φωνής, ο High Quality Voice 2, στον οποίον το 1/3 του μήκους του ωφέλιμου φορτίου του πλαισίου είναι κώδικας FEC και τα υπόλοιπα πληροφορίες φωνής, ο High Quality Voice 3, στο ωφέλιμο φορτίο του οποίου υπάρχουν μόνο πληροφορίες φωνής, και ο Data-Voice, ο οποίος έχει κώδικα FEC ίσο με το 1/3 του συνολικού μήκους του πλαισίου, κώδικα CRC, την κεφαλίδα LLC που προαναφέρθηκε, πληροφορίες φωνής και πληροφορίες δεδομένων. Οι τύποι ACL από την άλλη επίσης υποστηρίζουν διαφορετικούς ρυθμούς μετάδοσης και απώλειας πακέτων (όπου υψηλός ρυθμός μετάδοσης σημαίνει μικρό μήκος κώδικα FEC και άρα υψηλή απώλεια πακέτων), μεταφέρουν μόνο πληροφορίες δεδομένων και διακρίνονται σε Data Medium Rate 1,3 και 5, καθώς και Data High Rate 1,3 και 5.

Έλεγχος και διαχείριση

Όλα τα προαναφερόμενα καθορίζονται από τα πρωτόκολλα Radio (φυσικό επίπεδο) και Baseband (υποεπίπεδο MAC) του προτύπου Bluetooth, με ελαφρές διαφορές ανάλογα με το προφίλ. Παράλληλα με το πρωτόκολλο Baseband τρέχει το πρωτόκολλο LMP, που επίσης προδιαγράφεται από το πρότυπο και αναλαμβάνει υπηρεσίες ελέγχου και διαχείρισης δικτύου: πιστοποίηση κόμβων, κρυπτογράφηση πληροφορίας, συγχρονισμός ρολογιού για το FHSS, προσαρμογή ισχύος εκπομπής με βάση τη λαμβανόμενη ισχύ, επιλογή κατάλληλου τύπου πλαισίου MAC ανάλογα με το κανάλι, εγκαθίδρυση συνδέσεων SCO κλπ. Πάνω από αυτά τρέχει το πρωτόκολλο υποεπιπέδου LLC του Bluetooth, το L2CAP, το οποίο ενεργοποιείται μόνο για συνδέσεις ACL, υλοποιεί λογικές συνδέσεις πάνω από τις φυσικές ζεύξεις, καθορίζει κριτήρια ποιότητας υπηρεσιών για κάθε σύνδεση, πολυπλέκει πολλές λογικές συνδέσεις σε μία φυσική κλπ.