基于藍牙技術的個人局域網(wǎng)與安全模式

李育林　許五龍

一項新技術的誕生，必將引發(fā)相關科技領域的革命，藍牙技術是上個世紀90年代誕生的，它的出現(xiàn)立即引起了世界上許多知名公司的極大興趣，都愿加盟藍牙技術研究與開發(fā)小組，共同推動藍牙技術的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計資料顯示，截至2007年年底，全世界已有9000多家公司加盟藍牙技術研究與開發(fā)小組?；谒{牙技術的個人局域同，是一個微型的基于信息家電的家庭無線局域網(wǎng)絡，它徹底改變了多種信息家電有線連接的傳統(tǒng)連接方式，為各種固定設備或移動設備(如手機、筆記本電腦、打印機、無線耳機、鼠標等)組成的一個小范圍通信環(huán)境建立通用的無線接口，能在近距離范圍內實現(xiàn)無縫操作。

藍牙技術。藍牙技術的早期開發(fā)可追溯到上個世紀90年代，當時的瑞典愛立信移動通信公司，為研究這項新技術成立了一個專項科研小組，對移動電話及其附件之間實現(xiàn)小功耗、低成本無線連接的可能性進行研究，他們的初衷是建立無線電話與PC卡、耳機及桌面設備等的連接。但隨著項目研究的深入，科研人員越來越感覺到這項技術所具有的顯著特性和未來的巨大商機，同時也意識到，僅憑一家公司的實力是難以繼續(xù)研究下去的，若要使這項技術最終獲得成功，必須得到業(yè)界其他公司的支持與應用才行。于是，愛立信將其公之于世，并積極尋求合作伙伴。到了1998年的2月，愛立信公司就聯(lián)合了諾基亞，英特爾、東芝和國際商用機器公司，組成一個藍牙特別興趣小組，共同推動藍牙SIG協(xié)會的成立。1998年5月，藍牙S1G協(xié)會分別在英國倫敦、美國加州圣荷西及日本東京公開宣布該協(xié)會正式成立，并歡迎全世界的相關廠商加人該協(xié)會。1999年12月，美國的4家公司3Com、朗訊、微軟和摩托羅拉宣布加人藍牙S1G協(xié)會，與SIG的5個創(chuàng)建公司一同成為SIG的9個倡導發(fā)起者，共同致力于藍牙無線技術標準的制定、產(chǎn)品測試，并協(xié)調各國藍牙的具體使用。

藍牙技術是一種短距離的無線數(shù)據(jù)與語音通信技術，具有微功率、低成本、小實現(xiàn)空間、技術標準開放等優(yōu)點，主要以滿足美國聯(lián)邦通信委員會的要求為目標。藍牙設備工作在全球絕大多數(shù)國家通用的工業(yè)、科學及醫(yī)療頻段共使用79個頻道，最大發(fā)射功率分別為lmW、2，5mW和100mW三個等級，有效通信距離范圍為10cm～100m。

由于藍牙系統(tǒng)是運行在ISM頻段，容易受到其他無線通信系統(tǒng)的干擾，因此傳輸?shù)臄?shù)據(jù)必須采用適當?shù)牟铄e控制，以提高通信的可靠性。在藍牙技術的基帶層內共定義了3種差錯控制方法：即1／3比例前向糾錯、2／3比例前向糾錯和自動請求重發(fā)。雖然比例前向糾錯可以避免包受噪聲干擾的影響，但是多加入的差錯控制位會使數(shù)據(jù)傳輸量相對降低，所以藍牙技術標準采取了對不同重要性的發(fā)送包進行不同的差錯控制的方法；自動請求重發(fā)是針對包內的有效載荷進行保護的差錯控制方法，發(fā)送端發(fā)出一個包，接收端收到包后將檢查包的包頭的頭錯誤校驗以及有效載荷的循環(huán)剩余度校驗是否發(fā)生錯誤。如果檢查無誤則接收端返回一個確認，若是發(fā)生錯誤則返回消極確認要求發(fā)送端重發(fā)。這個過程可一直操作下去直到接收端收到正確的包或者出現(xiàn)超時為止。

藍牙設備主要使用高速跳頻和時分多址等先進技術。跳頻技術是把頻帶分成若干個跳頻信道，在一次連接中，無線電收發(fā)器按偽隨機碼序列不斷地從一個信道跳到另一個信道，每秒鐘頻率改變1600次，建立連接時頻率改變達到3200次。只要收發(fā)雙方是按照跳頻規(guī)律進行通信，其他干擾信號就不可能按照同樣的變化規(guī)律進行干擾。時分多址技術是把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙向基站發(fā)送信號，在滿足定時和同步的條件下，基站可以分別在各時隙中接收到各移動終端的信號而不混亂。同時，基站發(fā)向多個移動終端的信號都按順序安排在預定的時隙中傳輸，各移動終端只要在指定的時隙內接收，就能在傳輸?shù)男盘栔邪寻l(fā)給它的信號區(qū)分開來并準確接收。

藍牙系統(tǒng)的構成。藍牙系統(tǒng)按照功能主要分為4個模塊：藍牙協(xié)議、鏈路管理、鏈路控制和無線射頻。藍牙協(xié)議模塊是一個獨立的操作系統(tǒng)，不與其他操作系統(tǒng)捆綁。藍牙協(xié)議符合已經(jīng)制定好的藍牙規(guī)范，主要為各種應用(如語音和數(shù)據(jù)等)提供所需的通信協(xié)議和應用程序接口等；鏈路管理模塊主要負責基帶連接的設定及管理、基帶數(shù)據(jù)的分段及重組、多路復用和確定服務質量等；鏈路控制模塊負責處理基帶協(xié)議和其他一些低層常規(guī)協(xié)議；無線射頻模塊是藍牙空中接口，建立在lmW的基礎上，最大可達100mW。遵循美國聯(lián)邦通信委員會ISM頻段的標準。

藍牙系統(tǒng)設備有兩個主要工作狀態(tài)和7個中間臨時狀態(tài)。兩個主要工作狀態(tài)：等待狀態(tài)和連接狀態(tài)；7個中間臨時狀態(tài)：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主設備回應、從設備回應和查詢回應。不同狀態(tài)產(chǎn)生不同的跳頻序列。

基于藍牙技術的個人局域網(wǎng)及安全模式。這里有必要介紹一個藍牙網(wǎng)絡封裝協(xié)議(BNEP)。因為BNEP規(guī)范了統(tǒng)一的網(wǎng)絡層分組格式，實現(xiàn)了以太網(wǎng)有效載荷直接在兩個藍牙設備之間傳輸。藍牙個人局域網(wǎng)就是利用BNEP為藍牙設備提供組網(wǎng)能力，使兩個或者多個藍牙設備組成一個臨時自組織網(wǎng)(GN)，或通過網(wǎng)絡接入點(NAP)訪問遠端網(wǎng)絡。臨時自組織網(wǎng)(GN)是一些藍牙設備在無需額外網(wǎng)絡設備的情況下，相互協(xié)作而組成的一個臨時的小范圍無線網(wǎng)絡。這種無線網(wǎng)絡又稱為微微網(wǎng)。

藍牙技術的無線傳輸特性使它非常容易受到攻擊，因此安全機制在藍牙技術中顯得尤為重要。雖然藍牙系統(tǒng)所采用的跳頻技術已經(jīng)提供了一定的安全保障，但是藍牙系統(tǒng)仍然需要鏈路層和應用層的安全管理。藍牙技術有三種安全管理模式：無安全模式、服務級安全模式和鏈路級安全模式。無安全模式狀態(tài)下的設備不發(fā)起任何安全進程。這就意味著GN／NAP服務對所有的設備都是開放的，GN／NAP設備不進行任何藍牙安全設置的初始化。但這并不影響GN／NAP的高層安全機制。服務級安全模式狀態(tài)下的設備在邏輯鏈路控制與適配協(xié)議(L2CAP)級連接建立之前不進行任何安全設置。當通過GN或NAP訪問個人局域網(wǎng)服務時，在初始化的時候就要進行安全設置操作。服務級安全模式有個人局域網(wǎng)授權模式、個人局域網(wǎng)保密模式兩種。個人局域網(wǎng)授權模式規(guī)定了訪問個人局域網(wǎng)所需的授權級別。個人局域網(wǎng)授權模式由GN／NAP設置并分別在各自的服務記錄中存儲。GN／NAP有三種運行狀態(tài)：第一種是打開個人局域網(wǎng)。這意味著沒有授權與認證就可以加入個人局域網(wǎng)。第二種是要求認證。在藍牙設備注冊為個人局域網(wǎng)成員之前，GN／NAP需要進行認證。如果使用藍牙認證，一個結果字段為“連接正在進行”、狀態(tài)字段為“認證正在進行”就會返回。還可以使用BNEP或者IP層的認證機制。第三種是要求授權與認證。在與個人局域網(wǎng)的連接建

立完成之前要求授權與認證。也可以在藍牙級、以太網(wǎng)級或者IP級進行授權與認證。新的L2CAP信道建立的授權由GN／NAP執(zhí)行。BNEP或lP級使用相應級別的授權與認證，這在BNEP的L2CAP信道建立之后進行。如果藍牙設備的認證請求沒有成功，或者沒有通過GN／NAP的授權，那么GN／NAP就必須終止BNEP的2CAP信道。當使用藍牙級認證時，返回一個L2CAP消息(結果字段為“連接拒絕”)，表示使用安全阻塞。如果藍牙設備在藍牙級成功通過認證，并且它被GN／NAP授權加入個人局域網(wǎng)，就會返回一個L2CAP消息(結果字段為“連接成功”)。個人局域網(wǎng)保密模式則規(guī)定了兩種個人局域網(wǎng)內的通信保護等級(清除模式等級、加密模式等級)。保密等級由GN／NAP設定。如果個人局域網(wǎng)工作在清除模式，則沒有加密應用程序的需要。如果個人局域同工作在加密模式，那么在個人局域網(wǎng)內部所有通信都必須加密。這可以是基帶級的或BNEP／1P級的加密。若藍牙設備加密請求失敗，則GN／NAP必須終止L2CAP鏈路，使用藍牙級認證時，將使用一個結果字段為“連接拒絕”的L2CAP消息。若藍牙設備使用藍牙級加密，并且成功獲得密鑰，將返回一個結果字段為“連接成功”的L2CAP消息；鏈路級安全模式狀態(tài)下的設備在鏈路管理器協(xié)議(LMP)級連接建立之前不進行任何安全設置。處于此模式的GN／NAP設備可以只請求認證，或者請求認證與加密。高層安全機制可以在藍牙個人局域網(wǎng)安全機制之上進行。

開發(fā)藍牙技術，是為了用一種全球統(tǒng)一的無線通信技術，來取代各種數(shù)字化設備之間相互連接的電纜。隨著現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展和不斷進步，藍牙技術不僅應用于通信、計算機及消費電子領域中的各種小型設備及移動設備，而且已逐步擴展到更廣泛的應用領域。但是，藍牙技術在其發(fā)展過程中也遇到一些棘手的問題，如藍牙協(xié)議的實現(xiàn)與標準不一致，使硬件、軟件以及硬件與軟件之間的互操作性不佳；軟件開發(fā)還難為藍牙應用提供完整的解決方案，跨平臺移植難以實現(xiàn)等。而對藍牙技術存在的諸多問題，藍牙SIG選擇了逐步解決問題并在困難中發(fā)展與創(chuàng)新的道路。2007年7月，藍牙SIG推出了藍牙2.1+EDR新版本。新版本不但簡化了用戶的配對流程，增強安全性，而且還大大降低藍牙產(chǎn)品的功耗。藍牙SIG表示他們正在與WiMedia聯(lián)盟合作，計劃將超寬帶技術UWB融入到下一代藍牙版本中，以創(chuàng)建高速藍牙通道。毫無疑問，藍牙技術未來的應用前景會更加廣闊。