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兰牙无线系统协议栈结构 姚 斌 王树甲 (信息产业部电信传输研究所) 摘要：本文针对兰牙无线系统应用深广的特点，介绍了该系统包罗万象的等级分层协议结构，阐述了容纳几乎所有现有上层应用协议的开放性及其与各种业务和应用的关系。 关键词：无线系统，兰牙，协议栈 ABSTRACT：Based on the characteristics that the bluetooth radio system has a wide range of application, this paper has introduced the hierachical protocol stack structure that is all-embraced. Also this paper has introduced the opening features to all existing upper-layer application protocols, and the relationship between these features and all kinds of services and applications. KEY WORDS：radio system，bluetooth，protocol stack 一 引言 兰牙系统是一种开放性的短距离无线通信系统，它工作在不实施许可证制度的2.4GHz工科医（ISM）频段，旨在用无线链路替代连接各种便携或固定电子装置（如PC机、笔记本电脑、打印机和移动电话等等）的连接缆线。该系统的应用不仅使人们能够随时随地进行语音和数据信息的交换与传输，实现快速灵活的通信，而且能够在个人环境（办公室、家庭等）灵活方便组成具有个性化的应用系统。兰牙系统的主要特点是高可靠性、低复杂度、低功耗和低成本，这些特点与兰牙系统极其广泛的应用目标是完全一致的，对于兰牙技术的发展也十分有利。 兰牙特别兴趣小组（SIG）已编制了兰牙技术规范 本文旨在介绍兰牙协议栈结构，阐述开放性协议与深广应用的关系。 二 等级分层协议栈结构 不同的应用可以运行不同的协议栈，尽管如此，这些不同协议栈中的每一协议均使用共同的兰牙数据链路层和物理层协议。图1表示完整的兰牙协议栈结构，在其顶层构建了支持兰牙应用模式的具有互工作性的各种应用协议。然而，并非所有这些应用都要利用图1中的所有协议，而是不同应用只需运行协议栈一个或多个垂向条块中的协议。通常，增加各垂向条块是为了支持主要应用，诸如，电话控制规范（TCS Binary）或业务搜索协议（SDP）。值得指出的是，图1表明了各协议之间的关系：当净负荷数据需要在空中口传送时，各协议如何利用其它协议为之提供的服务。例如，当需要控制链路管理时，一些协议（L2CAP、TCSBinary）可以使用链路管理协议（LMP）提供的服务。
如图1所示，完整的兰牙协议栈既包括兰牙核心协议，诸如链路管理协议（LMP）和逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP），又包括选用协议，诸如对象交换（OBEX）协议和用户数据报协议（UDP）等等。在设计协议和整个协议栈的过程中，主要原则一直是尽可能多地利用现有的在上层有不同用途的各种协议，原有协议的重新利用还有助于使现有的传统应用与兰牙技术一道工作，并保证这些应用的平稳运行和互操作性，因此，已由供应商开发的许多应用都具有立即采用其中那些符合兰牙规范的硬件和软件系统的优点。加之兰牙规范具有开放性，因而能够使各供应商在兰牙核心协议的上层自由地实施他们自己专有的或通用的各种应用协议。所以，兰牙灵活、开放的技术规范使之具有开发大量新应用的优点。按照协议的目的和用途以及兰牙SIG是否参与制定这些协议，兰牙协议栈可以分为四层，各协议分别地属于各不同层，如表1所示。
表1 兰牙协议栈中的协议和层别 除上述各协议层之外，规范还定义了一个主机控制接口（HCI），它为基带控制、链路管理以及接入硬件状态和控制寄存器提供一个命令接口，例如，在图1中，HCI位于L2CAP的下面，但这一位置不是强制性的，而且HCI可以在L2CAP的上面。 兰牙核心协议包括由兰牙SIG制定的兰牙特定协议，RFCOMM和TCS Binary协议也是由兰牙SIG编制的，但分别基于ETSI TS 07.10和ITU-T建议Q.931。大多数兰牙设备必须使用兰牙核心协议和兰牙无线电规范，而仅当需要时才使用其余协议。 电缆替代层、电话控制层和选用协议层形成面向应用[2]的各种协议，使各种应用能够在兰牙核心协议层上运行。正如前面所提到的，兰牙规范是开放的，并能够在图1所示的兰牙核心协议的上层或面向应用协议的上层，容纳各种具有互工作性的附加协议，例如高级文本传送协议（HTTP）、文件传送协议（FTP）等等。 三 兰牙核心协议 1. 基带协议 基带协议和链路控制层能够在形成一个皮网的各兰牙单元之间建立物理RF链路。因为兰牙无线系统采用跳频的扩频方式，各分组在规定的频率和时隙进行发送，所以本层使用询问和寻呼程序与不同兰牙设备的跳频频率和时钟相同步。兰牙系统提供两种与其基带分组相对应的物理链路，一是面向连接的同步链路（SCO）；二是无连接的异步链路（ACL）。它们能够以复用方式在相同的RF链路上传送。ACL分组仅用于数据业务，而SCO分组可以仅含语音业务，或含语音和数据业务的组合。所有的语音和数据分组都可以采用不同等级的前向纠错（FEC）或循环冗余校验（CRC），并且能够进行加密。此外，对于每种不同的数据类型，包括链路管理和控制消息，都分配给一个专用信道。 语音业务可以在一个或多个兰牙设备之间进行传送，使各种应用模式成为可能。SCO分组中的语音数据可以直接地选路，发至和收自基带，而不经由L2CAP。在兰牙系统中语音模式是相对简单的，只要建立一个语音链路，任何两台或多台兰牙设备之间便能够相互发送和接收语音信息。 2. 链路管理协议 链路管理协议（LMP）负责兰牙设备之间链路的建立、保持和释放，还包括安全方面，诸如鉴权，以及通过链路及密钥的生成、交换和检查与基带分组长度的控制和商定所进行的加密。此外，链路管理协议还负责业务量调度、链路监控和功耗管理等任务，控制皮网中兰牙单元的连接状态、功率级和功率控制模式以及工作周期。 3. 逻辑链路控制和自适应协议 逻辑链路控制和适应协议（L2CAP）层的引入使标准数据传送协议与兰牙协议之间形成一个接口，用以处理各高层协议的复用和大分组的分段与重组，使上层协议能够适应于基带协议。可以认为它是与LMP并行工作的，区别在于L2CAP为上层协议提供服务，却从不在LMP消息中发送净负荷数据。L2CAP以协议复用能力、分段和重组操作、群组提取功能为各上层协议提供有连接和无连接的数据业务，L2CAP允许高层协议和应用发送和接收长度达64 kbyte的L2CAP数据分组。虽然基带协议提供SCO和ACL两种链路类型，但兰牙规范规定，L2CAP仅用于ACL链路，而不支持SCO链路。在L2CAP层上面，可以驻留串行电缆仿真协议（RFCOMM）、电话控制规范（TCS）和业务搜索协议（SDP），以及各种其它的现用网络协议，诸如传送控制协议/因特网协议（TCP/IP）、点对点协议（PPP）、对象交换协议（OBEX）、无线应用协议（WAP）等。 4. 业务搜索协议 关于业务搜索协议（SDP），SIG规范只规定了兰牙环境的寻址，它能够使兰牙单元发现皮网中其它兰牙单元的能力，发现各单元可以提供的各种业务及它们的特性，包括打印、传真一类的普通业务，也包括电话会议、网桥、电子商务一类的先进业务。然而，SIG规范没有规定接入各种业务的方法，这意味着应当沿用其它现用协议的方法。SDP是兰牙协议结构的关键部分，这些服务是所有应用模式的基础，利用SDP，可以使设备信息、各种业务以及它们的特性进行排队，之后便能建立两台或多台设备之间的连接。 四 电缆替代协议 电缆替代协议RFCOMM是一种串行线路仿真协议，它以ETSI 07.10规范为基础。这种‘电缆替代’协议在兰牙基带上仿真RS-232控制信号和数据信号，为使用串行线路传送机制的各上层业务（OBEX）提供两种传送能力。 五 电话控制协议 1. 电话控制协议–二进制 电话控制协议–二进制（TCS-Binary/TCS-BIN）是一种面向比特的协议，它定义兰牙设备之间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令（CCS）。此外，它还规定用于兰牙TCS设备的各处理群组的移动性管理进程。TCS-Binary基于ITU-T建议Q.931，采用如Q.931附录中所述的对称规定。 2. 电话控制协议– AT命令 兰牙规范已经定义了AT-命令集，借助于该命令集能够在多种应用模式中控制移动电话机和调制解调器。兰牙系统所使用的AT-命令集基于ITU-T建议V.250和ETS 300 916(GSM 07.07)。此外，FAX业务所用的各命令集由实施者予以规定，它们可以是下列的任一种： - Fax Class 1.0 TIA-578-A 和 ITU T.31 Service Class 1.0 - Fax Class 2.0 TIA-592 和 ITU T.32 Service Class 2.0 - Fax Service Class 2 – 无工业标准 六 沿用/选用协议 1. PPP协议 在兰牙系统中，点对点协议（PPP）设计为在RFCOMM协议上运行，以完成点对点的连接。PPP原本是因特网工程任务机构（IETF）的点对点协议，而PPP-Networking的含义是指，PPP层负责提取各IP分组，它们或是放入局域网（LAN）的各分组，或是从LAN收取的各分组和送到PPP层的各分组。 2. TCP/UDP/IP协议 这些协议标准是由IETF制定的，并用于因特网通信。现在它们已是世界上最广泛采用的协议系列。TCP/IP协议栈已在大量设备上使用，包括打印机、手持电脑和移动手机等。接入这些协议不依赖于操作系统，尽管传统上使用一种插座编程（Socket Programming） 接口模块来实现。在兰牙设备中，这些标准的实现应考虑到与因特网所连接的任何其它设备之间的通信，从而将兰牙设备，例如兰牙蜂窝手机或数据接入终端，用做通向因特网的网桥。在兰牙规范中，TCP/IP/PPP都是用做因特网网桥情况，而在未来版本中，还可以用于OBEX。显然，UDP/IP/PPP也可以用于WAP的传送。 3. OBEX 协议 红外对象交换协议（ OBEX）是由红外数据协会（IrDA）制定的一种以简单和自然的方式进行对象交换的会晤协议。OBEX提供与超级文本传送协议（HTTP）相同的基本功能，但方法要简单的多。倘若OBEX实现一种可靠的传送，它应采用客户机-服务器模式，而且不依赖于传送的机制和传送的应用编程接口（API）。OBEX的‘语法’与协议本身一起在各设备之间进行通信，OBEX还提供一种表示各对象和操作的模型。此外，OBEX定义了一种文件夹-清单对象，用于浏览远端设备上的各文件夹的内容。最初OBEX下面的传送层是RFCOMM，在未来的实施方案中很可能支持以TCP/IP作为传送层。 4. vCard 与 vCal规范 vCard和vCal规范分别地定义了电子商务卡的格式和个人日历及日程信息的格式。vCard 和vCal不定义任何传送机制，而只定义用以传送数据的格式。通过选用vCard 和 vCal，会进一步促进使用这些明确定义和支持的格式来交换个人信息。vCard 和 vCal规范是由因特网邮件组织（IMC）编制的，并正在由IETF进一步发展。在兰牙系统中由OBEX传送的其它内容格式还有vMessage和vNote。这些内容格式也是开放标准，并用于交换消息和信函。这些内容格式是在IrMC规范中定义的，该规范还定义了一种记录文件的格式，当设备之间传送同步数据时需要这种格式。 5. WAP 隐藏计算应用模式可以使用无线应用协议（WAP）加以实现。兰牙系统是WAP承载体。 WAP论坛正在制定一种能够工作在各种广域无线网技术的无线协议规范，目的是将因特网内容和电话业务引入数字蜂窝电话机和其它无线终端。 选择WAP的想法是，充分利用为WAP应用环境（WAE）开发的上层应用软件。这些应用软件包括能够与PC机各种应用交互工作的无线标志语言（WML）和WTA浏览器。建立介于WAP服务器与PC机其它应用之间的应用网关，实现各种隐藏、计算功能，诸如远端控制、从PC机到手机的数据提取。WAP服务器还便于在PC机与手机之间加载和下载内容， 传送层（无线数据报协议WDP） GSM IS136 CDMA PHS CDPD PDC-P Etc… 承载实体 应用层（无线应用环境WAE） 会晤层（无线会晤协议WSP） 通信事项处理层（无线事项处理协议WTP） 安全层（无线传送层安全性WTLS） 其他业务和应用 图2 WAP协议的结构 使个人生活和工作像一个信息交流站。WAP结构如图2所示，它打开了手机定制应用的可能性，即手机使用无线标志语言（WML和WMLScript）作为通用的软件开发套件。兰牙系统中的WAP所支持的内容格式有WML、WMLScript、WTA event、WBMP和 vCard/vCal，它们是无线应用环境的各个具体部分。 七 结束语 通过以上介绍和描述不难发现，兰牙系统的协议栈是灵活的、开放的，包容现有应用协议的；同时也易于接纳未来的新应用协议。所有这些特性为兰牙系统深入广泛的应用提供了极其有效的技术基础。加之全球各国和各地区采用统一的频段，各类兰牙产品必将实现引言中所述的一高三低的优点。这大概就是SIG几年内发展到1000多个成员，许多业内人士预期兰牙具有广阔市场前景的主要原因吧。 |
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