基于藍牙的個人局域網(wǎng)(PAN)的設(shè)計
關(guān)鍵詞：藍牙個人區(qū)域網(wǎng); 組網(wǎng); 網(wǎng)絡(luò)訪問點;網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法
引言
人們所攜帶的電子信息設(shè)備越來越多,像筆記本電腦、移動電話、PDA 等已不再只是商務(wù)人員的必備工具,正逐步進入百姓的日常生活。這些信息設(shè)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(shè)備之間能方便地進行信息的交互。因此,在小范圍內(nèi)能夠?qū)€人設(shè)備互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò)———個人局域網(wǎng)（PAN) 便應(yīng)運而生。藍牙(Bluetooth) 作為一種小范圍無線連接技術(shù),能夠在設(shè)備間實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通信,是目前實現(xiàn)無線個域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。本文提出了怎樣實現(xiàn)現(xiàn)有上層協(xié)議(如TCP/ IP)與藍牙協(xié)議的無縫連接;怎樣實現(xiàn)藍牙個人區(qū)域網(wǎng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)(主要集中在PAN 的網(wǎng)橋算法上) 的解決方法;最后提供了一個藍牙個人區(qū)域網(wǎng)模塊的完整設(shè)計方案供參考,希望對各個同行有借鑒意義。本文所提出的解決方案現(xiàn)已用軟件實現(xiàn),并投入國外市場,用戶反映運行良好。
1 藍牙PAN 實現(xiàn)原理
藍牙技術(shù)是一種近距離無線通信的開放性標準,其目的是單芯片、低功耗,用來代替有線電纜連接,實現(xiàn)短距離無線語音和數(shù)據(jù)通信。由多個藍牙設(shè)備就可以組成一個藍牙網(wǎng)絡(luò)。藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN 有兩種應(yīng)用模型: 一種被稱為組網(wǎng)絡(luò)( Group Ad - hoc Networking ,GN) ;另一種被稱為網(wǎng)絡(luò)訪問點(Networking Access Point ,NAP) 。這兩種實現(xiàn)模式分別有不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議模型。下面對它們分別進行敘述。
1．1 組網(wǎng)( GN) 與網(wǎng)絡(luò)訪問點(NAP)
一個簡單的組網(wǎng)由一個主設(shè)備和1～7 個活動的從設(shè)備組成。在這一個主從網(wǎng)中,主設(shè)備與從設(shè)備之間的點對點或點對多點通訊在主設(shè)備的控制下進行,這個網(wǎng)絡(luò)不需與外部網(wǎng)絡(luò)相連。另外一種就是由一個NAP和其它藍牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。這種無線設(shè)備充當網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(10baseT,GSM 等) 之間的網(wǎng)橋、代理或者路由。網(wǎng)絡(luò)訪問點與Internet 相連,它是其它計算機或設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)相連的中介。計算機通過網(wǎng)絡(luò)訪問點共享所有的網(wǎng)絡(luò)資源。
1．2 PAN 協(xié)議棧模型
由上可見,NAP 和GN 是兩種不同的服務(wù)。組網(wǎng)被設(shè)計用來允許一個或多個藍牙設(shè)備組成一個局域網(wǎng)絡(luò),而網(wǎng)絡(luò)訪問點提供藍牙設(shè)備進入Internet 網(wǎng)絡(luò)的能力。無論是NAP 還是GN 都必須提供與TCP/ IP 和其它網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的無縫實現(xiàn)。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 除了要實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之外,還必須實現(xiàn)網(wǎng)橋,能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由,從而能通過網(wǎng)絡(luò)訪問外部網(wǎng)絡(luò)。
2 PAN 實現(xiàn)要解決的問題
藍牙個人區(qū)域網(wǎng)就是要用無線代替有線,用藍牙硬件在不同設(shè)備之間建立一條虛擬的藍牙鏈路,從而使現(xiàn)有的各種應(yīng)用軟件不經(jīng)修改,就可以在不同藍牙設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。它必須解決以下問題:
(1)怎樣支持IPv4 和IPv6 協(xié)議和其它可選協(xié)議。
(2)怎樣實現(xiàn)GN 和NAP。
(3)怎樣實現(xiàn)藍牙協(xié)議棧與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/ IP和PPP 等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無縫連接,從而通過藍牙硬件在下層建立一條虛擬的藍牙鏈路,使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序就像在有線網(wǎng)絡(luò)中使用一樣。
3 PAN 的具體實現(xiàn)
3．1 實現(xiàn)高層協(xié)議與藍牙協(xié)議的無縫連接
要充分運用現(xiàn)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線鏈路。怎樣實現(xiàn)現(xiàn)有協(xié)議與藍牙協(xié)議的無縫連接? 筆者以Windows 平臺為例提出了一個解決方案,如圖3 所示。
在Windows 驅(qū)動程序設(shè)計構(gòu)架中,現(xiàn)在的通訊協(xié)議(如TCP ,IPX/ SPX等) 都是建立在Miniport Driver 之上的。因此,只需實現(xiàn)一個Windows 關(guān)于NDIS 的Miniport 驅(qū)動程序(圖4) 即可。從TCP/ IP 等高層協(xié)議過來的數(shù)據(jù)通過Miniport 進入Dispatch Driver ,然后進入個人區(qū)域網(wǎng)應(yīng)用程序,通過應(yīng)用程序進入藍牙協(xié)議棧。當然,PAN Interface 也可以在Kernel Mode 層實現(xiàn)。通過PAN Interface ,數(shù)據(jù)就可以進入藍牙協(xié)議棧了(圖5) 。
3．2 網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法(實現(xiàn)GN 和NAP)
為了實現(xiàn)GN 和NAP ,就必須在GN 和NAP 端實現(xiàn)一個虛擬網(wǎng)橋,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法是藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN 實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)藍牙個人區(qū)域網(wǎng)的特點,筆者提出了網(wǎng)橋三個端口的模型,并提出了一個網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法。
3．2．1 網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法基本思想
網(wǎng)橋在一定程度上就相當于一個集線器。在它上邊可以有三種類型的端口:BNEP 端口(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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) 。由于一個藍牙主設(shè)備只能連接七臺藍牙從設(shè)備,所以網(wǎng)橋的BNEP 端口最多能有七個;本地端口表示的就是提供服務(wù)設(shè)備自己,它只有一個;如果本設(shè)備支持NAP ,那么將會注冊一個外部網(wǎng)絡(luò)端口?？梢?一個網(wǎng)橋最多有九個端口,它的主要功能就是根據(jù)相應(yīng)的網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法,把數(shù)據(jù)從一個藍牙設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到其它的藍牙設(shè)備或者外部網(wǎng)絡(luò),從而實現(xiàn)在不同設(shè)備間(GN) 或者和外部網(wǎng)絡(luò)(NAP) 通信的目的。在每一個BNEP 端口設(shè)置一個自學(xué)習(xí)標志位來標志來自這個端口的數(shù)據(jù)包的源地址和目的地址是否已經(jīng)被記憶下來,這樣就沒必要每次都去查找來自這個端口的每一個數(shù)據(jù)包的源地址或目的地址。如果要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包不是來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò),并且在端口列表中沒有找到目標端口,則默認為被轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò), 如果沒有外部網(wǎng)絡(luò)端口,則丟棄該包。另外,在每一個端口還有一個包過濾器,它可以過濾掉某些類型的網(wǎng)絡(luò)包和來自或發(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(shù)據(jù)包到達網(wǎng)橋,該數(shù)據(jù)包可能來自本地設(shè)備、其它藍牙設(shè)備或外部網(wǎng)絡(luò)(如果實現(xiàn)了NAP) 。
(2) 從包頭中取得該數(shù)據(jù)包得源地址,檢查該數(shù)據(jù)包的是否來自外部網(wǎng)絡(luò)。若是,則檢查數(shù)據(jù)包的源端口是否自學(xué)習(xí)的;若不是,則記下該數(shù)據(jù)包的源地址并設(shè)置自學(xué)習(xí)標志位為TRUE。
(3) 從包頭中取得該數(shù)據(jù)包的類型。如果它是EARP/ ERARP 類型數(shù)據(jù)包,則把它作為廣播包,并對除源端口外的每一個端口進行廣播,然后轉(zhuǎn)到(8) 。
(4) 如果它是IPv4 , IPv6 或者其它類型的數(shù)據(jù)包,則檢查所記憶的目標端口是否是一個有效端口。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(shù)據(jù)包要轉(zhuǎn)發(fā)的目標端口。
(5) 如果該數(shù)據(jù)包的目標地址是一個廣播地址或多播地址,則把該數(shù)據(jù)包進行廣播或多播,然后轉(zhuǎn)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,若沒有外部網(wǎng)絡(luò)端口, 則丟棄該包, 然后轉(zhuǎn)到(8) 。
(7) 進行包過濾, 如果該包沒有被過濾掉, 則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包到目標端口。
(8) 接收下一個到來的數(shù)據(jù)包,重復(fù)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界面,它是與用戶交互的接口。它使用戶能夠方便快捷地完成相應(yīng)操作,如建立網(wǎng)絡(luò),進行數(shù)據(jù)交互等。
4．2 PAN Profile
PAN Profile 模塊是藍牙個人區(qū)域網(wǎng)PAN 實現(xiàn)的關(guān)鍵模塊。一方面,它與用戶界面打交道,另一方面,它又要負責與協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序的數(shù)據(jù)交互。它有以下功能:
①一方面它能提供PAN 服務(wù),并等待接收來自客戶端的連接。
②另一方面它又能作為客戶端,發(fā)出建立連接請求,并接收來自服務(wù)端的響應(yīng)。
③如果提供NAP服務(wù),則還需實現(xiàn)一個網(wǎng)橋,詳見網(wǎng)橋算法。
4．3 Pan Interface
PAN Interface 模塊是與系統(tǒng)相關(guān)的模塊, 它直接和位于核心態(tài)的Virtual NIC 模塊進行交互,接收來自Virtual NIC 模塊的數(shù)據(jù)(即TCP/ IP 等上層協(xié)議發(fā)來的數(shù)據(jù))或發(fā)送數(shù)據(jù)到Virtual NIC(即TCP/ IP 等上層協(xié)議接收的數(shù)據(jù)) 。
4．4 Virtual NIC
Virtual NIC 模塊即網(wǎng)卡驅(qū)動部分,它位于Windows 系統(tǒng)的核心態(tài),實現(xiàn)了一個虛擬的藍牙網(wǎng)卡,直接與Windows 系統(tǒng)通信。
5 結(jié)束語
本文首先對PAN 藍牙協(xié)議進行了一個概括性的描述,然后對PAN 設(shè)計中會遇到的問題進行了闡述,并在最后提出了作者對問題的解決方法。本文描述了PAN 的設(shè)計和實現(xiàn)過程,提出了算法及解決方案,具有很強的實用性。 AN>
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