基于藍牙的個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的設計

摘要：為了更好地滿(mǎn)足所有移動(dòng)計算機和通訊設備的通訊需要,藍牙特別興趣小組(SIG) 提出了一個(gè)新的概念――藍牙個(gè)人區域網(wǎng)(Personal Area Networking) 。本文分析了藍牙個(gè)人區域網(wǎng)（PAN）的原理,同時(shí)提出基于藍牙模塊的藍牙個(gè)人區域網(wǎng)的設計方案。

關(guān)鍵詞：藍牙個(gè)人區域網(wǎng); 組網(wǎng); 網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn);網(wǎng)橋轉發(fā)算法

引言

人們所攜帶的電子信息設備越來(lái)越多,像筆記本電腦、移動(dòng)電話(huà)、PDA 等已不再只是商務(wù)人員的必備工具,正逐步進(jìn)入百姓的日常生活。這些信息設備的功能越來(lái)越強大,同時(shí)尺寸卻越來(lái)越小,但是人們已不能僅僅滿(mǎn)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(jìn)行信息的交互。因此,在小范圍內能夠將個(gè)人設備互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò )―――個(gè)人局域網(wǎng)（PAN) 便應運而生。藍牙(Bluetooth) 作為一種小范圍無(wú)線(xiàn)連接技術(shù),能夠在設備間實(shí)現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據和語(yǔ)音通信,是目前實(shí)現無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。本文提出了怎樣實(shí)現現有上層協(xié)議(如TCP/ IP)與藍牙協(xié)議的無(wú)縫連接;怎樣實(shí)現藍牙個(gè)人區域網(wǎng)的數據轉發(fā)(主要集中在PAN 的網(wǎng)橋算法上) 的解決方法;最后提供了一個(gè)藍牙個(gè)人區域網(wǎng)模塊的完整設計方案供參考,希望對各個(gè)同行有借鑒意義。本文所提出的解決方案現已用軟件實(shí)現,并投入國外市場(chǎng),用戶(hù)反映運行良好。

1 藍牙PAN 實(shí)現原理

藍牙技術(shù)是一種近距離無(wú)線(xiàn)通信的開(kāi)放性標準,其目的是單芯片、低功耗,用來(lái)代替有線(xiàn)電纜連接,實(shí)現短距離無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音和數據通信。由多個(gè)藍牙設備就可以組成一個(gè)藍牙網(wǎng)絡(luò )。藍牙個(gè)人區域網(wǎng)PAN 有兩種應用模型: 一種被稱(chēng)為組網(wǎng)絡(luò )( Group Ad - hoc Networking ,GN) ;另一種被稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(Networking Access Point ,NAP) 。這兩種實(shí)現模式分別有不同的網(wǎng)絡(luò )結構和協(xié)議模型。下面對它們分別進(jìn)行敘述。

1．1 組網(wǎng)( GN) 與網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)(NAP)

一個(gè)簡(jiǎn)單的組網(wǎng)由一個(gè)主設備和1～7 個(gè)活動(dòng)的從設備組成。在這一個(gè)主從網(wǎng)中,主設備與從設備之間的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)通訊在主設備的控制下進(jìn)行,這個(gè)網(wǎng)絡(luò )不需與外部網(wǎng)絡(luò )相連。另外一種就是由一個(gè)NAP和其它藍牙設備組成的網(wǎng)絡(luò )。這種無(wú)線(xiàn)設備充當網(wǎng)絡(luò )設備(10baseT,GSM 等) 之間的網(wǎng)橋、代理或者路由。網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)與Internet 相連,它是其它計算機或設備與外部網(wǎng)絡(luò )相連的中介。計算機通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)共享所有的網(wǎng)絡(luò )資源。

1．2 PAN 協(xié)議棧模型

由上可見(jiàn),NAP 和GN 是兩種不同的服務(wù)。組網(wǎng)被設計用來(lái)允許一個(gè)或多個(gè)藍牙設備組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò ),而網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)提供藍牙設備進(jìn)入Internet 網(wǎng)絡(luò )的能力。無(wú)論是NAP 還是GN 都必須提供與TCP/ IP 和其它網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的無(wú)縫實(shí)現。下面是關(guān)于NAP 和GN 在協(xié)議棧部分圖示(圖1 和圖2) 。從協(xié)議棧示意圖可以看出,與GN 網(wǎng)絡(luò )比較而言,NAP 除了要實(shí)現數據轉發(fā)之外,還必須實(shí)現網(wǎng)橋,能夠實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的路由,從而能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò )。

2 PAN 實(shí)現要解決的問(wèn)題

藍牙個(gè)人區域網(wǎng)就是要用無(wú)線(xiàn)代替有線(xiàn),用藍牙硬件在不同設備之間建立一條虛擬的藍牙鏈路,從而使現有的各種應用軟件不經(jīng)修改,就可以在不同藍牙設備之間進(jìn)行數據傳輸和數據交換。它必須解決以下問(wèn)題:

(1)怎樣支持IPv4 和IPv6 協(xié)議和其它可選協(xié)議。

(2)怎樣實(shí)現GN 和NAP。

(3)怎樣實(shí)現藍牙協(xié)議棧與現有網(wǎng)絡(luò )協(xié)議如TCP/ IP和PPP 等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議無(wú)縫連接,從而通過(guò)藍牙硬件在下層建立一條虛擬的藍牙鏈路,使現有網(wǎng)絡(luò )應用程序就像在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中使用一樣。

3 PAN 的具體實(shí)現

3．1 實(shí)現高層協(xié)議與藍牙協(xié)議的無(wú)縫連接

要充分運用現有的各種協(xié)議,如TCP/ IP 協(xié)議和其它上層協(xié)議的接口,PAN 網(wǎng)絡(luò )需要在上層協(xié)議與藍牙協(xié)議棧之間建立一條藍牙無(wú)線(xiàn)鏈路。怎樣實(shí)現現有協(xié)議與藍牙協(xié)議的無(wú)縫連接? 筆者以Windows 平臺為例提出了一個(gè)解決方案,如圖3 所示。

在Windows 驅動(dòng)程序設計構架中,現在的通訊協(xié)議(如TCP ,IPX/ SPX等) 都是建立在Miniport Driver 之上的。因此,只需實(shí)現一個(gè)Windows 關(guān)于NDIS 的Miniport 驅動(dòng)程序(圖4) 即可。從TCP/ IP 等高層協(xié)議過(guò)來(lái)的數據通過(guò)Miniport 進(jìn)入Dispatch Driver ,然后進(jìn)入個(gè)人區域網(wǎng)應用程序,通過(guò)應用程序進(jìn)入藍牙協(xié)議棧。當然,PAN Interface 也可以在Kernel Mode 層實(shí)現。通過(guò)PAN Interface ,數據就可以進(jìn)入藍牙協(xié)議棧了(圖5) 。

3．2 網(wǎng)橋轉發(fā)算法(實(shí)現GN 和NAP)

為了實(shí)現GN 和NAP ,就必須在GN 和NAP 端實(shí)現一個(gè)虛擬網(wǎng)橋,實(shí)現數據的轉發(fā)。網(wǎng)橋轉發(fā)算法是藍牙個(gè)人區域網(wǎng)PAN 實(shí)現的關(guān)鍵技術(shù)。根據藍牙個(gè)人區域網(wǎng)的特點(diǎn),筆者提出了網(wǎng)橋三個(gè)端口的模型,并提出了一個(gè)網(wǎng)橋轉發(fā)算法。

3．2．1 網(wǎng)橋轉發(fā)算法基本思想

網(wǎng)橋在一定程度上就相當于一個(gè)集線(xiàn)器。在它上邊可以有三種類(lèi)型的端口:BNEP 端口(數據轉發(fā)是直接建立在BNEP[3]之上的) ,本地端口(服務(wù)端本身) 和外部網(wǎng)絡(luò )端口(如接入Internet) 。由于一個(gè)藍牙主設備只能連接七臺藍牙從設備,所以網(wǎng)橋的BNEP 端口最多能有七個(gè);本地端口表示的就是提供服務(wù)設備自己,它只有一個(gè);如果本設備支持NAP ,那么將會(huì )注冊一個(gè)外部網(wǎng)絡(luò )端口?？梢?jiàn),一個(gè)網(wǎng)橋最多有九個(gè)端口,它的主要功能就是根據相應的網(wǎng)橋轉發(fā)算法,把數據從一個(gè)藍牙設備轉發(fā)到其它的藍牙設備或者外部網(wǎng)絡(luò ),從而實(shí)現在不同設備間(GN) 或者和外部網(wǎng)絡(luò )(NAP) 通信的目的。在每一個(gè)BNEP 端口設置一個(gè)自學(xué)習標志位來(lái)標志來(lái)自這個(gè)端口的數據包的源地址和目的地址是否已經(jīng)被記憶下來(lái),這樣就沒(méi)必要每次都去查找來(lái)自這個(gè)端口的每一個(gè)數據包的源地址或目的地址。如果要轉發(fā)的數據包不是來(lái)自?xún)炔烤W(wǎng)絡(luò ),并且在端口列表中沒(méi)有找到目標端口,則默認為被轉發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò ), 如果沒(méi)有外部網(wǎng)絡(luò )端口,則丟棄該包。另外,在每一個(gè)端口還有一個(gè)包過(guò)濾器,它可以過(guò)濾掉某些類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò )包和來(lái)自或發(fā)往某地址范圍段的網(wǎng)絡(luò )包。

3．2．2 算法具體步驟

(1) 有數據包到達網(wǎng)橋,該數據包可能來(lái)自本地設備、其它藍牙設備或外部網(wǎng)絡(luò )(如果實(shí)現了NAP) 。

(2) 從包頭中取得該數據包得源地址,檢查該數據包的是否來(lái)自外部網(wǎng)絡(luò )。若是,則檢查數據包的源端口是否自學(xué)習的;若不是,則記下該數據包的源地址并設置自學(xué)習標志位為T(mén)RUE。

(3) 從包頭中取得該數據包的類(lèi)型。如果它是EARP/ ERARP 類(lèi)型數據包,則把它作為廣播包,并對除源端口外的每一個(gè)端口進(jìn)行廣播,然后轉到(8) 。

(4) 如果它是IPv4 , IPv6 或者其它類(lèi)型的數據包,則檢查所記憶的目標端口是否是一個(gè)有效端口。如果所記憶的目標端口有效,則把所記憶的目標端口作為該數據包要轉發(fā)的目標端口。

(5) 如果該數據包的目標地址是一個(gè)廣播地址或多播地址,則把該數據包進(jìn)行廣播或多播,然后轉到(8) ;否則,在除源端口外的所有端口中查找目標端口。

(6) 如果找到目標端口, 則記憶該目標端口;否則,若該網(wǎng)橋有默認端口(即外部網(wǎng)絡(luò )端口) ,并且源端口不是外部網(wǎng)絡(luò )端口,則把外部網(wǎng)絡(luò )端口作為目標口,若沒(méi)有外部網(wǎng)絡(luò )端口, 則丟棄該包, 然后轉到(8) 。

(7) 進(jìn)行包過(guò)濾, 如果該包沒(méi)有被過(guò)濾掉, 則轉發(fā)該數據包到目標端口。

(8) 接收下一個(gè)到來(lái)的數據包,重復上述步驟。

4 　模塊介紹

4．1 　PAN UI

PAN UI 模塊是位于最上層的圖形用戶(hù)界面,它是與用戶(hù)交互的接口。它使用戶(hù)能夠方便快捷地完成相應操作,如建立網(wǎng)絡(luò ),進(jìn)行數據交互等。

4．2 　PAN Profile

PAN Profile 模塊是藍牙個(gè)人區域網(wǎng)PAN 實(shí)現的關(guān)鍵模塊。一方面,它與用戶(hù)界面打交道,另一方面,它又要負責與協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)程序的數據交互。它有以下功能:

①一方面它能提供PAN 服務(wù),并等待接收來(lái)自客戶(hù)端的連接。

②另一方面它又能作為客戶(hù)端,發(fā)出建立連接請求,并接收來(lái)自服務(wù)端的響應。

③如果提供NAP服務(wù),則還需實(shí)現一個(gè)網(wǎng)橋,詳見(jiàn)網(wǎng)橋算法。

4．3 Pan Interface

PAN Interface 模塊是與系統相關(guān)的模塊, 它直接和位于核心態(tài)的Virtual NIC 模塊進(jìn)行交互,接收來(lái)自Virtual NIC 模塊的數據(即TCP/ IP 等上層協(xié)議發(fā)來(lái)的數據)或發(fā)送數據到Virtual NIC(即TCP/ IP 等上層協(xié)議接收的數據) 。

4．4 Virtual NIC

Virtual NIC 模塊即網(wǎng)卡驅動(dòng)部分,它位于Windows 系統的核心態(tài),實(shí)現了一個(gè)虛擬的藍牙網(wǎng)卡,直接與Windows 系統通信。

5 　結束語(yǔ)

本文首先對PAN 藍牙協(xié)議進(jìn)行了一個(gè)概括性的描述,然后對PAN 設計中會(huì )遇到的問(wèn)題進(jìn)行了闡述,并在最后提出了作者對問(wèn)題的解決方法。本文描述了PAN 的設計和實(shí)現過(guò)程,提出了算法及解決方案,具有很強的實(shí)用性。