基于蓝牙系统上的文件传输技术研究与实现（可编辑）

基于蓝牙系统上的文件传输技术研究与实现（可编辑） 基于蓝牙系统上的文件传输技术研究与实现 华中科技大学 硕士学位 基于蓝牙系统上的文件传输技术研究与实现 姓名:江厚顺 申请学位级别:硕士 专业:计算机系统结构 指导教师:余胜生 2002.5.9华中科技大学硕士学位论文 攘要 , 随着现代通信技术和家用电子电器的发展,蓝牙以其短距离的无线传 输的特点得到人们的重视。基于蓝牙系统上的文件传输技术就是蓝牙的一个 典型应用, 它的开发为后期的蓝牙应用研究奠定了基础。、 基于蓝牙系统上的文件传输技术是在其文件传输协议栈的基础上实现的,其 软件 部分主要由电缆替代协议层?、逻辑链路控制与适配协议层、服务发 现协议层、对象交换协议层和基带层组成。悃擀部分由 和芯片组成。研究分析了会话层的应用接口模型: 协议层的帧类型和帧结构;层的协议复用、分段和重组、组管理等功能以及其 状态转移机制:层的服务发现与搜索。实现了删层的服务注册与撤消、连接 的建立与断开以及发送数据等功能;层的注册、建立连接以及发送数据等,并 给出了部分功能环节的实现流程和设计步骤。在分析基带层的分组格式与包结构的基 础上提出了文件传输信息包格式和差错控制编码算法。、 构建了基于蓝牙系统上的无线传输硬件平台 ,为蓝牙设备间数据传输 建立快速连接/它的文件传输范围最远可达米,而且不受直线约束。其单向数据的 传输速率达到、/。同时它也支持两台机间的双向传输,其数据传输速率最 体 高可达到/。 提供了热插拔和“即插即用”功能。 积小,功耗低。它直接利用机接口的电源,而无需外加电源。同时, 也支持两台机之间视频会议的传输。太 蓝牙;核心协议;文件传输; 关键词: ????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 竺竺曼鼍皇詈竺皇竺皇竺皇皇竺竺 . ; , .. 、、、, . : ; , . ;. ., . ... . . / . / . , ‘ ”, . . . ; :; ; 一??????????????????????????????????????????????????????????????? ????一 华中科技大学硕士学位论文 ::: 绪论 .课厦研究的背景、目的及意义 . 早在年,瑞典的爱立信公司便已经着手构想以无线电波来连接计算机与电话 ’ 等各种周边装置,决定建立一套短距离无线通信的开放,并以中世纪丹麦国王 的外号为其命名“。 世纪对人类贡献最大的技术有项,其中有项是电子信息技术。在没有建立 以前,有一句口号是让全世界计算机联接起来,事实上已使 万以上的计算机联接起来。数字技术使电信网、广电网、计算机网实现了部分融合。 而蓝牙技术能够将全部信息家电联接起来。到年,将有亿网民,全 球有亿移动电话用户,因此通过手机上网的人数将非常大,移动手持终端的市场 将非常广阔,这点很令人振奋。 面对如此诱人的市场,各个公司应在竞争前充分合作,共同培育市场,了解和建 立统一的技术标准,以免重复研究和贻误商机。自从爱立信提出蓝牙技术这个构想以 后,由于蓝牙技术许多优异的特征,因此立刻获得许多厂商的支持。所以在年 月,爱立信、诺基亚、英特尔、东芝和公司共同发表声明将组成一个 ,特别兴趣组小组,共同推动蓝牙协会的成立。这家公司来 自不同的商业领域,其中爱立信与诺基亚为移动电话的市场领导者,与东芝 为笔 记本电脑的领导厂商,英特尔则为数字信号处理技术的佼佼者。不同商业领 域的厂商相互结合,也可以代表蓝牙技术的应用广泛。年月蓝牙协会分别 在英国伦敦、加州圣荷西及日本东京公开宣布该协会正式成立,并欢迎全世界的相关 厂商加入该协会,而蓝牙技术确实也获得了广大的回应,各厂商纷纷加入该协会并投 入蓝牙技术的开发行列。蓝牙技术所采用的就是一项公开技术标准,它~经推出就获 ; 得了广泛的认同,现已出现了基于此标准的产品。未来的信息家电将是以 和家庭网络为基础,能以无线连接实现双向传输,蓝牙技术是符合信息家电需求的优。 选技术。 在室内的短距离无线通信方面,还有许多不同的无线标准,如无线局域网. 以及等。但由于众多厂商都支持蓝牙技术标准,蓝牙技术 标准在这场竞争中取得了领先的地位。 华中科技大学硕士学位论文 皇竺竺竺竺竺竺皇烹竺竺竺竺 基于蓝牙系统上的文件传输技术就是蓝牙技术的一个典型应用。它解决了居室到 处都充满的各种各样的电缆的苦恼。为解决有线电缆固有缺点:如使用不便、 连线频 出故障、各种电缆之间不通用等诸多因素的问。实现了两台机之间的无线传输。 同时也为后期的其它数字设备与计算机之间的无线连接奠定了基础。 .国内外研究概况 蓝牙技术经过酝酿、准备,其多种产品已经问世,有的开始走向市场。 ..蓝牙技术的现状 .蓝牙芯片 蓝牙芯片是蓝牙系统的关键技术。年底,朗讯公司宣布了它的第一个蓝牙集 成芯片,该产品由一个单芯片无线发送子系统、一个基带控制器和蓝牙协议软 件组成。年月宣布推出,称是世界上第一种蓝牙基频宽控制器, 可进行语音和数据处理。年月下旬,英国初创公司宣布推出第一个支 持短距离射频技术的单芯片及基频,该芯片采用低价策略,每颗售价 美元,并于年底降到了美元。芯片组可支持的蓝牙操作频宽达., 并支持蓝牙软件层的快速闪存,能传输语音、数据等多种数据。年月,日本冲 嬲电气公司开始出厂了蓝牙芯片组及中间软件的工业样品“。 .无线耳机 年月,爱立信公司展示了采用蓝牙技术的实用电话耳机,这是第一个采 用蓝牙技术使手得以解放的产品。蓝牙耳机轻巧、无线,通过内建蓝牙无线发送芯片 同插入移动电话上的蓝牙相连,与人通话十分方便。 .手机 在年月新加坡举办的“通信技术亚洲展览会”上,爱立信公司展示了内 置蓝牙芯片的手机和。 .笔记本电脑 作为蓝牙技术的倡导者,宣布出台了一系列新的无线增强技术,以与成 功的笔记本电脑的线路设计相配套,同时推出应用蓝牙技术的全新的 笔记本电脑,该电脑带有端口,能方便的连接到无线调制解调器、 照相机和其它设备上,通过蓝牙技术,笔记本电脑将不再需要无线调制解调器或单独 ?????????????????????????????????????????????????????????????????? ???????一 华中科技大学硕士学位论文 :詈竺皇竺苎鼍竺詈竺苎苎:: 的帐号,而是将来自笔记本电脑的数据通过无线电设备发送到蜂窝电话,然后再 由蜂窝电话进行传输。 .无线操作的便携式硬盘 它可利用蓝牙技术无线接收数据,加以存储总容量可达兆,有了这种设 备之后,用户可在电脑主机与硬盘之间可进行无线操作。当他离开时可将硬盘带走, 防止他人非法操作。 .个人电脑附件 东芝于年月推出了具备蓝牙通信功能的卡“”和可以安装 该卡的模拟“】”。使用卡“”可以在笔记本电脑之间通 过无线方式传输文件。摩托罗拉公司也于同年公布了其第一批蓝牙产品,包括一个 卡,一个附件。卡和附件都是个人电脑的附加设备,可以允 许个人电脑用无线方式交换信息和整理数据。 总之“?,在蓝牙长长的成员名单中,国内企业寥寥无几。在国内除了少数几 家公司在蓝牙方面有所投入外,大多数企业还只是在观望,并没有真正行动起来。原 因在于:一方面,是由于蓝牙尚处于技术开发阶段,商用市场还没有形成,所以蓝牙 技术的前期投入相当巨大,这不是国内~般企业所能承受的;另一方面,由于蓝牙运 行的.的频带在我国还没有完全开放,致使厂商们对蓝牙在中国的未来趋势还 拿不准。同时,芯片生产和设计能力的落后也是影响国内蓝牙发展的重要原因之一。 由于目前蓝牙的技术开发主要集中在芯片的开发上,而我国在芯片生产和设计能力上 与国外的差距甚远,所以国内的应用开发厂商,只有耐心等待国外芯片技术的进展。 而且芯片产品化的时间、价格和供应量都难以保证,这些都增加了投入蓝牙 技术的风 险。虽然国内的研究起步相对晚一点,但近几年来也吸引了政府部门和很多高校、 公司的大力投入。相继推出了自己的应用样品。 年月,长虹在国内第一个推出家用电器无线互联蓝牙技术产品“无线 通”和“无线保姆”。月,长虹成为中国家庭信息化网络技术体系标准制订委员会 会长单位。月,由国家组织的“家庭信息化网络技术体系研究及产品开发重点工 程”也在长虹启动。 目前中国已拥有大约亿多台电视机、约万台、近万台学习机, 大城市的电话普及率超过%。面对中国家电市场日渐成熟的“金苹果”,蓝牙特别 兴趣小组力倡中国家电业采用这一新的国际标准,以推动中国普及蓝牙技术, 促进我国信息产业的发展。华中科技大学硕士学位论文 竺竺竺竺竺皇竺竺竺竺竺竺芒竺竺竺竺 信息家电的大浪正席卷而来,“信息产品家电化”与“家电产品信息化”将是大 势所趋。未来的家电产品将越来越趋于网络化、智能化、个性化,成为信息终端,提 供网络服务;未来的信息产品也将不断降低应用门槛,成为方便、易用、人人 都离不 开的家庭消费品;而无线通讯和宽带网的发展将使先进的网络终端大显身手,加 速信息产品和家电产品的融合。因此,一体化家电将成为各大家电巨头争夺的焦点。 .::.蓝牙技术发展动向 .向广度发展 蓝牙技术可以支持很多应用,而支持手机、电脑笔记本和仅仅是蓝牙应用的 第一阶段,而后蓝牙的应用将由手持终端扩展到各行各业,如汽车、航空、消费类电 子、信息家电等“’”。如蓝牙支持的车载电话:汽车制造商计划在车上安装车载免 提电话系统,与蓝牙相顺从的移动电话一同工作,它可保持移动电话和个人电脑的无 绳连接。构造家庭网络:家庭内部所有信息设备相互之间连成网络,是未来信息 社会发展的必然趋势“?。信息同步:这是蓝牙产品的核心应用方案。个人信息管 理的同步、在掌上电脑之间或掌上电脑与移动电话之间交换名片,或办公室电脑与家 用电脑之间交换数据,对某些用户来说变得越来越重要。 .向系统发展 爱立信与瑞典铁路公司从年月日持续到月日,进行了世界上首次 蓝牙技术应用公共环境中的实验。他们在斯德哥尔摩的中央车站和干线快车上 提供蓝牙接入服务。这样,客户在广域网范围内可以通过,而在车站和火车上可 以通过蓝牙无线技术接收瑞典铁路公司提供的无缝连接服务。这次实验集成了蓝牙无 线技术、、和英特网技术。证实这项技术可以并用而且可以在公共交通中提供 开放的技术环境。 .向军用发展 美国国防部正在开发蓝牙技术,旨在满足美国各军种各系统日益增长的互联性要 求。这种技术称为“革命性的技术”,在这种无线环境中,无须再依赖什么电缆、插 头,而能够同其它系统和其他人构成网络,并可靠地发挥作用。 据预测到年,全球蓝牙相关产品的市场销售额将在亿美元左右, 年采用蓝牙技术的设备将达亿个,蓝牙芯片的总销售量将超过亿美元。相 关市场商机超千亿美元。蓝牙将在人们的日常生活和工作中扮演重要角色,成为 一???????????????‘???????????????????????????? ?????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 世纪的投资热点。 .课曩主要研究内容 本课题系国际合作项目,在研究过程中提出了文件传输协议栈模型,分析了 会话层模型;协议层所提供的服务功能;协议层的协议复用、分段与重 组以及状态转移机制和信号处理过程:层的服务搜索与发现。实现了层和 的服务注册与撤消、链路的建立与断开及发送数据等功能并给出了其设计步 骤。 在研究基带层的射频系统和包的类型和格式的基础上提出了文件传输差错 控制编码 算法。开发了 硬件平台,其与一同构成了文件传输系统的硬 件部分,实现了文件的无线传输。 一。????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 :苎竺皇烹竺皇竺竺皇竺竺皇竺 蓝牙协议与模型 .引言 文件传输就是基于蓝牙协议栈的基础上的一种应用,它提供两个终端之间的 数据 通信功能。涉及到的蓝牙协议包括,基带协议、逻辑连路控制和适配协 议、电缆替代协议、对象交换协议以及服务搜索协议。 .蓝牙协议层分析 蓝牙协议按的需要分为四层核心协议,、、、; 、命令集:可选协议, 电缆替代协议,删:电话传送控制协议, 、//、、、、、、。图.简单展示了蓝牙的 协议栈““”。除上述协议层外,规范还定义了主控制器接口,它为基带控制器、 连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。位于的下层,但 也可位于上层。蓝牙核心协议由制定的蓝牙专利协议组成,绝大部分蓝牙 设备都需要核心协议加上无线部分,而其它协议根据应用的需要而定。较典型的 应用有拨号网络、无线耳机、局域网访问、文件传输等。总之,电缆替代协议、电话 控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。 ..核心协议分析 .基带协议 基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的 物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统,其任一分组在指定时隙、指定频率上发 送,它使用查询和寻呼进程同步不同设备间的发送频率和时钟,可为基带数据分组提 供两种物理连接方式:面向连接和无连接,而且在同一射频上可实现 多路数据传送。适用于数据分组,适用于话音及话音与数据的组合,所有话 音与数据分组都附有不同级别的正向纠错或循环冗余校验,而且可迸 爷二加密。 一??????????????????????????????????’??????????????????????????? ??????一 华中科技大学硕士学位论文 ’ 可 图.蓝牙协议栈 .连接管理协议 连接管理协议负责蓝牙各设备间连接的建立。它通过连接的发起、交换、 核实,进行身份验证和加密,通过协商确定基带数据分组大小;它还控制无线 设备的 电源模式和工作周期,以及微微网内设备单元的连接状态。 .逻辑链路控制和适配协议 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议,可以认为它与并行 工怍,它们的区别在于当业务数据不经过时,为上层提供服务。向 上层提供面向连接的和无连接的数据服务,它采用了多路技术、分割和重组 技术、群 提取技术。允许高层协议以字节收发数据分组。虽然基带协议提供了 和两种连接类型,但只支持。 .服务发现协议 、 发现服务在蓝牙技术框架中起到至关重要的作用,它是所有用户模式的基 础。使 用,可以查询到设备信息和服务类型,从而在蓝牙设备间建立相应的连接。 一??????????????????????????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 篁:竺竺竺皇竺詈烹竺鲁毫竺皇 .蓝牙与其它无线通信的区别 红外技术结构简单、技术成熟、成本低廉,但不能有障碍物阻挡,无法用于家庭信息 网络。 .属于 协议体系,规定了无线局域网协议及其物理层规范, 它与 其它协议一起,组成一个完整的计算机局域网协议体系,但用于家庭信息 网络又太复杂。是一种移动通信标准,并非为家庭应用而设计。 是工作组提出的一个开放的家庭信息平台,各种可互操作的消费电子设 备可通过它进行无线音频和数据通信,由此构建一个家庭无线网络。主要利用在 家庭中的主导作用,分配和发布/协议信息,解决家庭信息网络问题。客观地说, ?是适合于家庭信息网络的一种协议。但自从年提出蓝牙技术以后,的地位 逐渐被蓝牙所取代。 蓝牙技术采用的是.的频段,可免受各个国家频率分配不一的影响。蓝牙技术 中的跳频比更快,因而抗干扰能力更强。同时它还具有低功耗、低代价和较 灵活的 特点。蓝牙技术与其它无线通信的区别如表.所示‘””。 表.几种无线连接标准的比较 频率 最大射频率 扩频方式 标准名称 标准制定者 通信速率 通信范围/. 各国不一 或 / . . , . 趼 / / . 或 / 蓝牙 蓝牙 / . 模型 最早是由红外线信息协会在红外 对象交换协议 线协议体系内的会话层所制定出的协议,也称,后来蓝牙协 会考虑到红外线的许多应用场合与蓝牙技术的应用场合相似,于是也将协议 制 定成蓝牙技术会话层内的一个协议,使得原先利用红外线协议的应用程序,能 够方便快速地移植到蓝牙技术通信协议上。华中科技大学硕士学位论文 ..文件传输协议栈分析 在蓝牙系统中,协议的目的是在于实现数据对象的交换。是蓝牙系统的一 种可选协议,它属于会话层协议,采用简单的自发的方式交换对象。它类似于协 议,执行过程为客户机与服务器彼此间以请求一回应的交谈方式来发送对象。虽然 定义在红外线协议中同时支持连接导向与非连接导向,但是在蓝牙技术协议中的 只支持连接导向的连接。主要运用于文件传输,通过协议,应用程序就 可以和协议层实现通信。。 文件传输模式提供两个终端之间的数据通信功能,可传输、、、 和文件及其它文件。文件传输协议栈如图.所示。由此可看出各协议层之 间的层次关系“,。 图.文件传输协议栈 .. 的对象模型 对象模型对对象做出了描述。协议能够通过“推”、“拉”操作传 输对象。一个对象可以通过多个“推”请求和“拉”应答进行交换。该模型 处理对象 及其有关信息。对象由对象头组成,对象头由若干个头和包含的值组成头措 述了对象头的组成及其格式,以及头所定义的各位值的格式和含义。 头一般包括计数器、名字、类型、长度、时间、描述、目的地址、玎协议、主 体、主体结束标志、宿主标识、连接、应用参数、认证字、认证应答字、对象类 型以及用户自定义头。的应用接口模型如图.所示。 华中科技大学硕士学位论文 图. 应用接口 :通过删协议提供一个到蓝牙基带层的数据传输服务。 :提供一个独立的实时操作系统。 :提供一个时钟服务。 :提供一个存取数据的数据库接口 ..会话层分析 的操作采用应答~请求模式。请求由客户端发出,由服务器端应答。在发出请 求之后和发出下一个新的请求之前,客户端将等待服务器的应答。其中的操作有: .连接操作 当应用第一次请求发送对象时,则启动一次会话。一个客户启 动一次会话建立过程。该会话自连接请求发出开始,请求格式如表.所示。 表. 连接请求格式 版本号 标志 连接请求分组 分组最 可选头 位置码 长度 小长度 连接请求由在远程主机的服务器接收。服务器通过向客户端发出成功应答 确认连接,通过发送其他应答信息到客户端表示建立连接失败。其应答格式 如表. 所示。 一?????????????????????,?????????????????????????????????? ‘’????????????一 华中科技大学硕士学位论文 表. 连接应答格式应答码 连接请求分 版本号 标志 分组最 可选头 组长度 大长度 连接一旦建立便始终保持激活状态,只能通过由请求/应答或失败断开,也就 是 说,在所有对象完全传输后连接也不会自动断开。 .连接断开操作 当连接所需应用被关闭,或应用要改变目的主机的时候,会话将断开。 客户端将连接断开请求发往服务器。该请求格式如表.所示。 表. 断开连接请求格式 至字节 字节 分组头可选 分组长 服务器不能拒绝该请求,而且它还要发回应答,其格式如表.所示。 表. 断开连接请求格式 字节 至字节 。。 应答分组头可选 应答分组长度 .操作 当服务器和客户端间的连接建立之后,客户端就可以向服务器“推”对象, “推” 请求用于推一个对象。该请求格式如表.所示。 表. 默“推”请求格式 至字节 字节 分组序列 分组长度 一个“请求”可由一个或多个请求分组组成,这取决于传递对象的大小和分 组尺 寸。每一个“推”请求分组都需要一个发自服务器的应答分组。组成一个对 象 的多个请求分组不能只有一个应答分组。其应答格式如表.所示。 、 表. “推”应答格式 ??????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 连接在服务器和客户端间建立起来之后,客户端也可以从服务器“拉”对象。 操作就是用于“拉”对象。该请求格式如表.所示。 表. “拉”请求格式 至字节 字节 应答分组长度 以名字起始的应答分组头可选 对象以分组头序列返回,而客户端必须为每一个应答分组发送请求分组,其 应答 格式如表.所示。 表. 应答请求分组格式 至字节 字节 应答码 应答分组长度 应答头可选 .其他操作 其它操作包括设置路径和放弃等。客户端可以在每一次应答后,甚至在请 求/应答操作过程中发出放弃请求。而且,在发出放弃请求之前不必接收整个 对 象。 ..基于上的 在删上的映射关系,基于 .的多路复用和传输层,而且它 提供了对串行电缆仿真的支持。支持协议的蓝牙设备需满足以下条件。 ?支持的设备可以单独作为服务器、客户端或同时作为两者。 ?所有同时运行在一个设备上的服务器应用应各自使用其删服务器通道。 使用的应用能够将信息在服务搜索库中注册,不同的应用框架是在框架规 范文件中定义的。 .删上的服务器设置 当客户端发出一个连接请求时,服务器假定已经准备好接收请求。但是,在服 务 器准备接收和进入侦听状态之前,应满足以下条件: 服务器应打开一个删服务器通道。 服务器必须将其容量注册到服务搜索库中。 在此之后,主机才能找到所需的服务器,服务器才能对客户端请求进行侦听。 .从串口接收分组 华中科技大学硕士学位论文一个对象可通过一个或多个请求和应答进行交 换,也就是说,一个对象 可以由一个或多个数据分组进行传输。然而,如果可以直接在串口运行,它就 不会从数据分组。一个比特流则可以通过从仿真串口接收。 .连接建立 由客户端初始化一个连接。但是,在客户端能够发出第一个数据请求前,需执 行 下列任务: 通过使用规定中的服务发现协议,客户端必须搜索到与要建立连接服务 器相关的明确信息。 客户端利用搜索到的脯信道,建立蹦连接。 客户端向服务器发出连接请求,以建立一个会话。客户端如接收到服 务器发出的一个成功应答。会话就可以直接建立起来。 .断开连接 一个基于的会话可以直接通过连接断开请求断开。当客户端收到应 答后,便关闭指定给客户的删信道。 .在删推、拉分组 通过请求在上利用数据分组传输数据。应答必须在每一次请求 后和下一次请求之前发出。 通过发出请求从远程主机“拉”数据。数据分组含于应答数据分组。 每次应答后,可以发出新的“拉”数据请求。 文件传输标准用于向蓝牙设备发送和从蓝牙设备接收通用类型文件。文件传 输服 务也可以支持浏览远程蓝牙设备文件夹。初始化和实现流程分别如图.、图 .所示,本层实现的一些函数也列举在下面。 建头的缓冲区 ? 确认传输层的协议 产生相应事件 通过回调函数应用程序 图. 初始化过程华中科技大学硕士学位论文 ? 图. 实现流程: : : : : : ,。。: ::: .小结 本章分析了蓝牙协议栈各层次之间的层次关系,对比了蓝牙与其它无线传输 的区 别,提出了文件传输协议栈模型及实现流程,分析了协议层的功能和 作用。 华中科技大学硕士学位论文 ’ 层设计与实现 .引言 协议层是位于协议上的传输层。它主要是模拟传统的串口内 的控制和数据信号,为两个蓝牙设备间点到点的通信,如同计算机以串行端 口连接调 制解调器。 . 层研究 协议是一个简单的传输协议川,提供了在协议之上的串口模拟。 该协议是基于标准的 .。协议提供基于协议的串口仿真, 该协议并不详细描述完整的.规范,而只利用.标准一个子集,并根据蓝 牙技术作出了适当的修正。一条会话最多可同时支持两个蓝 牙设备之间的个连接。蓝牙特别兴趣小组提出的目的在于以下几点:提 .标准,支持蓝牙 供对现有使用串行线接口的应用软件的支持;利用已有的 设备之间点对点的通信。 完成了对串口的仿真,这样就可以尽可能利用现有的各种高层应用 程序,保证蓝牙技术与现有技术的融合以及各种应用之间的互通性,充分利 用兼容蓝 牙技术规范的软硬件体系。 .. 所支持的式和设备类型 的目的是,针对如何在两个不同的设备上的应用之间保证一条完整的通信 路径,并在它们之间保持一条通信段。图.显示了这个完整的通信路径。应用 不 只表示终端用户应用,也可以是高层协议或者作为终端用户应用的其他服 务。 ?????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 :毫鼍 删准备把利用串口设备进行通信的应用覆盖在内。在一个简单的配置实例当 中,通信段就是设备之间的直接链路,如图.所示。 图.利用的 如果通信段为另一网络,设备用于在该设备和网络接入设备如之间 建立路径。删只针对直接互联设备之间的连接,或者是设备与网络接入设备 之 间的互连。删支持其它的配置方式,如一端采用设备通信,另一端采用有线 接口.如图.所示。这些设备不只是调制解调器,而且还提供简单服务。 图.利用栅设备的删 通信两端设备必须兼容于~协议,根据其实现方式,存在两种不同类型的 设备。第一类是诸如计算机,打印机等通信终端设备,该设备本身具有完整的 蕴牙硬件和软件,能独立完成蓝牙的功能,实现通信设备之间的短距离无线 连接。第 二类设备是通信段的一部分,如。负责将普通设备所要传输的信息与蓝牙格 式 的码流的相互转换。 :;.. 服务分析 哪仿真串口。这个仿真包括无数据电路状态的转换。删有一种空 仿真的标准框架。 如果为通过服务接口设定指定的端口的波特率,那么将不会影响删 狗实际数据吞吐量。也就是说,删不限制人工速率或步长。然而如果两端设 备都 是负责将数据转发到其它通信介质的第二类设备,或在两端删设备接口上进 行 一??????????????????????????????????一一 华中科技大学硕士学位论文 数据传输,实际数据的吞吐量一般将反映波特率的设置。支持两个设备之间 多 个串口仿真也支持多个设备之间串口仿真。 .一控制信令 仿真的针接口。通路设置如表.所示。 表. 删中仿真电路 引脚号 通路名称 公共信号 数据发送端 数据接收端 发送请求端 发送清除端 数据准备就绪 终端准备就绪 数据载波监听 响铃指示器 .空仿真 删是基于.的。当它传递非数据通路的状态信息时,.不分辨 和设备,而是通过控制信号来表示/的各自的信号。表.反 映了.信号与控制信号之间的对应关系。 表. .的串口控制信号 .的信号 相应的控制信号 、、 当两个相同类型的设备连接在一起时,.传输控制信号的方法是将 创建一个空。图.表示当两个经过连接时空的创建过程。 虽然没有一种空有线传输方案能够满足所有情况下的通信要求;但所、 提供的空方案可以满足大多数情况下的通信要求。 华中科技大学硕士学位论文 ?苎 ;舞 。。。????’己 ’。。。。。’‘’’‘。’‘。’’‘。, 一 二?\一一哏 岫 图. ?的空仿真 .两个设备之间的多路串行端口仿真 两个采用.的设备在他们的通信中可以开通多路串行仿真端口。 支持同时打开个仿真端口,如图.所示,但一个设备中可以使用的端 口的数目根据实际实现丽不同。,可以标识 一个数据链路连接标识 客户和服务应用程序之间正在进行的连接。是用位二进制数字表示,但是它 的有效取值范围是~。 图.多路仿真串口 在.,是用于控制信道,由于服务信道的概念而没有使用, 保留。在两个设备之间的会话总保持一致。华中科技大学硕士学位论文 在一次会话中,客户和服务应用可以分布在砌话路的两端,每一端 的客户都可以独立发起建立通信连接。采用协服务信道概念将值域空间在 正在通信的设备间进行划分。 .多路串行仿真端口和多个设备 如果一个设备支持多个串口仿真,通信连接两端允许使用不同设备,那么 实体必须能运行多个.多路复用器会话,见图.。每个多路复用器都 使用其信道。可以选择支持.多路复用器运行多个会 话。 图.两个设备的多串口仿真模型 .. 服务接口描述 脚的目的在于定义一个能够利用仿真串口协议。在大多数系统中,删 是成为包括串口仿真实体的端口驱动程序的一部分。 表.描绘了参考模型的各组成部分。图.给出了删如何适应于 一个典型系统的模型。 华中科技大学硕士学位论文 表. ~参考模型的组成 『 元素 描 述 应用 利用端口通信接口 端口仿真实体 端口仿真实体将系统通信接口映射到服务。端口仿真实体和 组成端口驱动程序。 提供透明的数据流和通道上控制通道。 复用多个仿真串行端口。 服务注册/搜索 服务应用注册在本地服务上,它可以为客户程序提供获取 其他服务上服务器端应用的服务。 协议复用, 基带 蓝牙所定义的基带协议 图. 参考模型 ’ .. 所支持的 .子集 .帧类型分析 将数据流和各种控制信号封装在不同的帧中,实现多路复用实体之间的通 信。 在蓝牙系统中采用了 .多路控制协议中的五种帧的格式,如表.所示。 华中科技大学硕士学位论文 表. 所支持的帧类型 帧类型 设置异步平衡模式帧一命令帧 无序号响应帧~响应帧 断开模式帧?响应帧 【 解除连接帧?命令帧 带头检验的无序号信息帧?命令帧或响应帧 .帧结构分析 不使用.基本帧格式中的开始和结束标志,而仅仅使用包含在 层和层间交换标志中的那些域,.基本帧格式如表.所示。 表.%.基本帧格式 标志 地址 控制 长度标志 信息 标志 帧校验 字节 字节 字节 字节 至字节 不定长 字节 地址域由决定。其由服务端通道和方向位构成,其结构如表.所示。控制 域用来决定帧的类型。信息域只出现在帧中。是帧校验部分。 表. 与,对应位比较位 . // 【哪 服务端通道 :是用位二进制数字表示的,它标识了客户应用程序和服务应用程序之间的 用于服务 一条连接,用户可用的取值范围是、, 用于控制信道, 信道, ?保留。 :扩展指示,表示后面还有一个字节的扩展,表示没有扩展。 /:对于命令帧而言,从发起者到响应者时为,反之为;对于响应帧,从发起 者到响应者时为,反之为。 :方向位指示,请求建立通信连接的设备为,响应的设备为。 服务端通道:为服务记录中的参数。 .指令类型分析 .定义了一个可以具有完整控制通道的多路复用器。这个控制通 道用于在两个多路复用器之间传递信息。表.反映了所支持的.的 指令。 华中科技大学硕士学位论文 篁皇竺芒暑竺竺竺苎寰皇皇 表. 枷所支持的.的指令 支持的控制通道的指令集 测试指令 流控制起动指令 流控制停止指令 调解调制器状态指令 远程端口协商指令 远程通路状态 参数协商 对未被支持的指令的应答 无论何时收到一个未支持的指令类型,将发送一个帧作为响应。 ..端口仿真和端口代理服务器实体 这一节将讨论删协议怎样用于仿真串行端口的。图.表示删协议所 支持的两种类型的设备。第一类是计算机和打印机等通信端设备,第二类设 备是通信 段的一部分,如。端口仿真实体将系统指定的通信接口映射于? 服务。端口代理实体将数据从删转发至连接设备的外部接口。 第一类设备 第二类设备 图. 胁通信模型 第一类设备是像计算机和打印机一样的通信终端。 第二类设备是通信段的一部分,如调制解调器。 一??????????????? ??????????????????????????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 . 层设计 ?是在协议层之上的串口仿真协议。是基于.协议标准 的蓝牙修正版本。 .. 与端口仿真实体之间的服务原语 .信道建立请求服务 一.远程蓝牙设备地址,系统参数: .远程蓝牙设备地址,系统参数: .远程蓝牙设各地址,系统参数: 一.远程蓝牙设备地址,系统参数: .建立服务 ?.,系统参数: .。系统参数: 一?丑.,系统参数: ?.,系统参数: .数据读写服务 ..用户数据: 一.,用户数据: .拆除请求服务 .: .: .信道拆除请求服务 .远程蓝牙设备地址: .远程蓝牙设备地址: .参数协商服务 、 一.,数据链路连接参数: 一.,数据链路连接参数: .,数据链路连接参数: 一.,数据链路连接参数: .测试服务 一一一??????????????????????????????????一华中科技大学 硕士学位论文 苎苎竺皇烹苎詈竺皇苎竺葛詈竺 .测试数据: .测试数据: .流量控制服务 一.,状态: 一.,状态: .远端参数协商服务 一.,端口参数: 一.,端口参数: .。端口参数: 一.,端口参数: .控制参数服务 一.,控制参数: 一.,控制参数: .,控制参数: .,控制参数: .线路状态指示服务 .,线路状态参数: 一.,线路状态参数 文. 层的设计步骤 .建立数据链路和虚拟串口连接 这个过程是指和远端设备的虚拟串口端建立连接。包括以下步骤: 通过查询远端应用程序的服务信道 号。 要求认证和解密可选。 请求建立连接远端实体的数据信道。 在信道上初始化会话。 用步骤中所获得的服务信道号,在会话上建立新的数据链路。 至此,为两端应用程序的通信准备好了一条虚拟串口电缆。 .接受链路和虚拟串口连接的建立,包括以下步骤:华中科技大学硕士学位论 文 :竺竺竺皇苎詈皇竺皇竺 . 如果接收到远端设备的请求可选,进入认证过程,如果有进一步的请求, 开启密码。 接受来自层的信道建立指示。 接受该条信道上的建立删会话的请求。 接受在会话上建立新的数据链路的请求。 .在本地数据库中注册服务记录 所有通过可获得的程序或服务必须提供服务记录,该服务记录包含 了到达对应应用程序所必须的参数,如服务信道号。为了支持运行在虚拟串 行端口上 的遗留程序,服务注册必须由某种帮助应用程序完成,该程序帮助用户建立 端口。 在软件设计过程中,通过自定义并向系统注腮的消息来建立各个模块的 通信。为保证?将来在不同系统的通用性,啪的设计不针对特别的端口仿 真实体。因此用人机界面和端口仿真实体主线程共同虚拟一个上层。人机界 面主要是 向层发出各种服务请求,端口仿真实体主要是接收来自主线程的消息, 或向该层发消息。删读写线程从下层读数据或向其写数据,根据读到的数 据向主线程发相应的消息。主线程负责接收来自其它各模块的消息并 作相应的处理。 . 层功能西数的描述厦实现流程 协议层在两个相连设备之间支持路话路。协议层的主要功 能是提供透明的数据流和控制信道实现多路连接的复用,即:言道注册与注 销, 连接的建立和断开,发送数据等。 ..服务注册和撤铺 在建立数据连接前,要初始化阱会话。当然,姒是基于信道上的, 所以在会话初始化前要建立数据信道,假设数据信道是事先建立好 的。初始化的主要工作是向服务器注册。由于模块可以对同一服务提供多 个通道所以对同一服务可以进行多次注册。多次注册时首次时服务应 为,由服务器分配并且在以后不能改变。注册过程如图.所示。在服务信道注册函 数中有两个入口参数,其中一个是用来标识该服务是否被注册,它是一个数 据成员;另一个是用来接收系统分配的信道信息,它是一个结构成员。与之华中科技大学硕士学位论文 毫 相对的服务撤消函数。它的作用是用来注销由服务所确定的信道以及撤销相关的资 源。 是 分配信道空间.填入回调函数,确定帧 的最大尺寸及优先级 图.服务注册 ..建立连接 建立了涮会话之后,就可以建立数据链路了。首先客户端要向服务器发送连 接申请,通过查询远端应用程序的。当服务端收到请求后,就进入认 证过程,认证通过的话,接收在垤会话上建立新的数据链路请求。就调用打开 客户端信道函数建立连接。通过该函数就可以建立一条远程服务信道,嘶协 议 层通过本地设备和服务就可以识别这条远程服务信道。 在打开客户端信道函数中有三个入口参数,它们所表示的意思依次为: 用于识别远段设备::代表远段设备的服务,它可以被远段设备 服务搜索器查询::包含了客户端信道的信息,其建立连接的过程如图 .所示。 一?????????????????????????????????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 圃 ?生《》 由 否 匡三蔓圣亟囝 图.申请连接 ..接收或拒绝连接 当向远端设备发送申请连接请求之后,如果请求被对方收到,则产生事件 ?。系统根据当时的资源状况和网络阻塞状况,将对这一事件产生 响应。如果系统接受申请连接请求,那 和 么一条数据链路就建立了,这样就可以在互连的两个实体之间的删层之 间传送数据了。如果系统拒绝请求,那么连接失败,系统就根据连接失败原因决定下 一步的操作。这两个函数和 的入口参数 ,它标识那个要建立的连接的信息。其过程如图.所示。 ..关闭连接 当链路建立好之后,就可以传送数据了。当不再需要此链路,本地端将向服务端 发出关闭链路的申请。调用关闭信道函数关闭两个设备之间的连接通路,当系统关闭 这条数据连接,客户端将收到系统发出的 事件。根据系统当时的状 态,如果客户端还要继续申请数据链路,那么系统将等待下一个申请,否则系统将收 回这个被关闭的连接的所有资源。关闭连接的过程如图.所示。 华中科技大学硕士学位论文 竺苎詈竺詈宝竺篁竺皇兰竺竺兰詈竺暑 图.接收或拒绝连接 图.关闭连接 ..传输数据 建立数据链路的目的就是要传送数据,当数据链路建立好后,就可以在这条链路 事件。 上传送数据。当数据传送完毕,将产生一个 数据传送的函数原型为:,, 入口参数有:标识数据将在哪个数据链路上传送;:要传送的数据包。 一???????‘?。??。。。?。。。。。。。。。。,。。。。。。。。。。。‘一 华中科技大学硕士学位论文 老毫 当返回数据包传送完毕事件后,该数据包就从删中消失。返回值有 :它表示系统此时忙,传送阻塞,数据包将进入传送等待队列, ? 等待系统调度;:表示数据成功传送并且将返回事件:如果失败将返回失败原 因;??表示 表示函数调用时有非法入口参数。 数据链路处于错误状态;盯? .发送测试 建立数据链路的目的是传送数据,在传送数据之前要进行发送测试,洲中向 服务端发送一个测试帧。如果测试帧被对方收到,则将产生一个 事件。在这个事件期间,结构中的“”字 段中包含这个测试结果。如果“”设置成,那么测试成功; 如果它为?』,那么表示传送的数据与收到的数据不一致。说明发送测 试失败,数据链路目前还不能传送数据,则将关闭该链路。如图.所示。 广矾 、。。’??’?。??一 调发送测试函数囱函 由 图.发送铡试 发送测试函数的原型为: ;它有一 个入口参数,发送的测试帧是系统默认的,跟何时何种状态调用没有关系。 它的返回值为?,根据返回事件不同,结果不一样。如果返回事 事件, 件为事件,则表示测试操作成功:如果是 则说明链路超时,发送失败:参数?表示信道有错:参数 ??表示有非法参数。 ‘??’????????????????????????????’????????????????????????????? ????????一 ‘ 华中科技大学硕士学位论文 竺竺烹竺竺竺竺竺兰皇竺竺苎 .小结 本章详细描述了层的功能、帧的类型和帧的结构,对层的服务注 册与撤消、连接的建立与断开以及发送数据等功能进行了分析和实现,并给 出了部分 功能环节的实现流程和层的设计步骤。华中科技大学硕士学位论文层设计与 实现 .引言 层是基于蓝牙系统上的文件传输的核心部分,它主要提供协议复用、分段 与重组以及组管理等功能。 .. 屡体系结构模型 高层 确认 应答 。 、 』 层 应答 。 广确认 低层 图. 体系结构 逻辑链路控制和适配协议是基带的上层协议恤,可以认为它与并 行工作,它们的区别在于当业务数据不经过时,为高层提供数据服务,允 许高层和应用层协议收发大小为字节的数据包。只支持基带面向无 连接的异步传输,不支持面向连接的同步传输,链路主要用预留的 带宽进行实时语音传输。它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。 层与上下协议层之间的操作从图.可以看出,本地上层对本地层发出请求; 本地对本地低层发出请求:远端低层向远端发出指示:远端向远 端上层发出指示;远端上层向远端发出应答;远端向远端低层发出应答; 本地低层向层发出确认;本地层向上层发出确认。有效载荷的格式如图.,图. 所示,分别表示单时隙分组头和多时隙分、 组头。它们的唯一差别是长度段的大小,分组类型用于区分单时隙分组和多 时隙分组。 为,而 基带根据比特的标志来区分或旧的包。包的 包的?为起始包、后续包。比特的流标志由链路控制器管理。 该标志位缺省值为,表示正常传输;如果该标志为,则意味着不再有包会 华中科技大学硕士学位论文 皇堂竺暑鼍竺皇竺皇 生该链路上传输。主要向上层提供以下功能。 图.用于单时隙分组的有效载荷头 图.用于多时隙分组的有效载荷头 .协议复用 多个高层协议共享一个公共的物理连接,从逻辑上看每个协议都有自己的通道, 但由于基带协议不能识别任何高层协议,所以必须支持上层协议复用,它应能 区别诸如、、等高层协议,并正确地收发相应的包。 .分段和重组 与其它有线的物理连接相比,蓝芽的基带包的大小有一定的限制。最大的基带包 只能传输字节的信息,而这限制了高层协议有效地利用带宽以传输更大的包。 允许高层和应用层协议收发大小为字节的数据包,所以,必 须在传往基带前将其包进行分段,以适应基带的要求。同样的,在接收方,必 须能将多个基带包重组为一个包传往高层。 .服务质量 在的建立连接过程中允许改变两台设备间的服务质量。每个实体应 确保服务质量的实现并管理所使用的资源。 .组管理 中是一组设备地址的集合,由某个设备的某个信道端点发起 建立组,这个用于表示建立的这个组。在组中进行数据传输相当于对组中的设备 进:厅广播式数据传输,而不管接收方是否正确接收。 很多协议支持组地址的概念,蓝芽的基带协议支持微微网,即一组设备使用同一 时钟同步跳频。的组提取功能可以有效地将协议的组映射为基带的微微网,以 避免高层协议为了有效地管理组而必须与基带协议直接联系。 一?????????????????????????????? ??????????????????????????????????一 华中科技大学硕士学位论文 . 层状态转移机制实现 层是位于基带上层的协议,它必须能够接收来自基带层产生的事件,并能 把这些事件发往高层。同时它又能将高层的信号通过基带发向远端。在此之 前,必 须建立逻辑信道的连接。 ..信道操作状态 .关闭状态 在这种状态下,该没有连接任何信道,意味着不存在链路级的连接。当链路 连接断掉后,不论当前处于什么状态,都必须转入关闭状态。 .同层连接响应状态一? 这种状态表示该已经发出了一个请求连接的包,正等待对方的响应。 .等待上层连接响应状态一? 该状态表示远端已经存在,本地的已经收到连接请求,并且向上层发出 :连接请示,正在等待上层的回复,上层可能需要安全性检查才能决定是否接 受连接。 .配置参数状态 该状态表示逻辑信道已经建立,但还需要对信道传输参数进行协商配置。值 得注 慈的是,信道转入可传输状态前,需对两个方向的信道参数进行配置,必须 两个方向都达成协议才能进行数据传输。另外,即使在状态时,也可要求对信 遁参数进行重新配置。 .传输状态 该状态意味着可以进行数据传输,信道已经建立并配置成功。 .等待同层断链响应状态 连接被终止,请求断链的包已经发出,正在等待对方的响应。 .等待上层断链响应状态 远端已经被终止,向上层发出远端断链请示,上层将做出反应,并发包给对 ’方。 ..状态转移实现 当客户与服务端之间的物理信道完全建立成功后,两者可以直接通过层建 一??????????????????????????????????????????????????????????????? ???????一 华中科技大学硕士学位论文 竺竺::竺 立逻辑信道,这种建立大多数是通过信令完成的。我们结合状态机做具体的 分析。 ?事件 由上层或者下层发送给层的消息。 ?信令 信令也是事件的一种,它可以被看作客户端和服务端的实体直接交互 的数据信息。 ?行为 层主动对上层或下层发起的动作,主要包含对底层的请求和响应、对上层 的回复以及与远端的数据传输等。 首先是客户端