基于藍(lán)牙的個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的設(shè)計(jì)

2019-11-04 23:01:10

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供稿：網(wǎng)友

　　人們所攜帶的電子信息設(shè)備越來(lái)越多，像筆記本電腦、移動(dòng)電話、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(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)大，同時(shí)尺寸卻越來(lái)越小，但是人們已不能僅僅滿足于它們各自獨(dú)立工作，而是迫切需要各種設(shè)備之間能方便地進(jìn)行信息的交互。因此，在小范圍內(nèi)能夠?qū)€(gè)人設(shè)備互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò)―――個(gè)人局域網(wǎng)（PAN)便應(yīng)運(yùn)而生。藍(lán)牙(Bluetooth)作為一種小范圍無(wú)線連接技術(shù)，能夠在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信，是目前實(shí)現(xiàn)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。本文提出了怎樣實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有上層協(xié)議(如TCP/ip)與藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)縫連接；怎樣實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙個(gè)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(gè)藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)模塊的完整設(shè)計(jì)方案供參考，希望對(duì)各個(gè)同行有借鑒意義。本文所提出的解決方案現(xiàn)已用軟件實(shí)現(xiàn)，并投入國(guó)外市場(chǎng)，用戶反映運(yùn)行良好。
　　
　　1 藍(lán)牙PAN實(shí)現(xiàn)原理
　　
　　藍(lán)牙技術(shù)是一種近距離無(wú)線通信的開(kāi)放性標(biāo)準(zhǔn)，其目的是單芯片、低功耗，用來(lái)代替有線電纜連接，實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。由多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備就可以組成一個(gè)藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙個(gè)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(wèn)點(diǎn)(Networking access Point，NAP)。這兩種實(shí)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(duì)它們分別進(jìn)行敘述。
　　
　　1．1組網(wǎng)(GN)與網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)點(diǎn)(NAP)
　　
　　一個(gè)簡(jiǎn)單的組網(wǎng)由一個(gè)主設(shè)備和1～7個(gè)活動(dòng)的從設(shè)備組成。在這一個(gè)主從網(wǎng)中，主設(shè)備與從設(shè)備之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊在主設(shè)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(lán)牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。這種無(wú)線設(shè)備充當(dāng)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(wèn)點(diǎn)與Internet相連，它是其它計(jì)算機(jī)或設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)相連的中介。計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)點(diǎn)共享所有的網(wǎng)絡(luò)資源。
　　
　　1．2PAN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(shè)計(jì)用來(lái)答應(yīng)一個(gè)或多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備組成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，而網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)點(diǎn)提供藍(lán)牙設(shè)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(xiàn)。與GN網(wǎng)絡(luò)比較而言，NAP除了要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)之外，還必須實(shí)現(xiàn)網(wǎng)橋，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的路由，從而能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)外部網(wǎng)絡(luò)。
　　
　　2 PAN實(shí)現(xiàn)要解決的問(wèn)題
　　
　　藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)就是要用無(wú)線代替有線，用藍(lán)牙硬件在不同設(shè)備之間建立一條虛擬的藍(lán)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(lán)牙設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)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(xiàn)GN和NAP。
　　
　　(3)怎樣實(shí)現(xiàn)藍(lán)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(wú)縫連接，從而通過(guò)藍(lán)牙硬件在下層建立一條虛擬的藍(lán)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(shí)現(xiàn)
　　
　　3．1實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議與藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)縫連接
　　
　　要充分運(yùn)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(lán)牙協(xié)議棧之間建立一條藍(lán)牙無(wú)線鏈路。怎樣實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有協(xié)議與藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)縫連接?
　　
　　在Windows驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)一個(gè)Windows關(guān)于NDIS的Miniport驅(qū)動(dòng)程序即可。從TCP/IP等高層協(xié)議過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)Miniport進(jìn)入Dispatch Driver，然后進(jìn)入個(gè)人區(qū)域網(wǎng)應(yīng)用程序，通過(guò)應(yīng)用程序進(jìn)入藍(lán)牙協(xié)議棧。當(dāng)然，PAN Interface也可以在Kernel Mode層實(shí)現(xiàn)。通過(guò)PAN Interface，數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入藍(lán)牙協(xié)議棧了。
　　
　　3．2網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法(實(shí)現(xiàn)GN和NAP)
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)GN和NAP，就必須在GN和NAP端實(shí)現(xiàn)一個(gè)虛擬網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法是藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)PAN實(shí)現(xiàn)的要害技術(shù)。根據(jù)藍(lán)牙個(gè)人區(qū)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(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(dāng)于一個(gè)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(gè)藍(lán)牙主設(shè)備只能連接七臺(tái)藍(lán)牙從設(shè)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(shè)備自己，它只有一個(gè)；假如本設(shè)備支持NAP，那么將會(huì)注冊(cè)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(jù)相應(yīng)的網(wǎng)橋轉(zhuǎn)發(fā)算法，把數(shù)據(jù)從一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)到其它的藍(lán)牙設(shè)備或者外部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)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(gè)BNEP端口設(shè)置一個(gè)自學(xué)習(xí)標(biāo)志位來(lái)標(biāo)志來(lái)自這個(gè)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(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(shù)據(jù)包的源地址或目的地址。假如要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包不是來(lái)自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并且在端口列表中沒(méi)有找到目標(biāo)端口，則默認(rèn)為被轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)，假如沒(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(shù)據(jù)包到達(dá)網(wǎng)橋，該數(shù)據(jù)包可能來(lái)自本地設(shè)備、其它藍(lán)牙設(shè)備或外部網(wǎng)絡(luò)(假如實(shí)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(lái)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(biāo)志位為T(mén)RUE。
　　
　　(3)從包頭中取得該數(shù)據(jù)包的類型。假如它是EARP/ERARP類型數(shù)據(jù)包，則把它作為廣播包，并對(duì)除源端口外的每一個(gè)端口進(jìn)行廣播，然后轉(zhuǎn)到(8)。
　　
　　(4)假如它是IPv4，IPv6或者其它類型的數(shù)據(jù)包，則檢查所記憶的目標(biāo)端口是否是一個(gè)有效端口。假如所記憶的目標(biāo)端口有效，則把所記憶的目標(biāo)端口作為該數(shù)據(jù)包要轉(zhuǎn)發(fā)的目標(biāo)端口。
　　
　　(5)假如該數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址是一個(gè)廣播地址或多播地址，則把該數(shù)據(jù)包進(jìn)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(biāo)端口。
　　
　　(6)假如找到目標(biāo)端口，則記憶該目標(biāo)端口；否則，若該網(wǎng)橋有默認(rèn)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(biāo)口，若沒(méi)有外部網(wǎng)絡(luò)端口，則丟棄該包，然后轉(zhuǎn)到(8)。
　　
　　(7)進(jìn)行包過(guò)濾，假如該包沒(méi)有被過(guò)濾掉，則轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)包到目標(biāo)端口。
　　
　　(8)接收下一個(gè)到來(lái)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(jìn)行數(shù)據(jù)交互等。
　　
　　4．2 PAN PRofile
　　
　　PAN Profile模塊是藍(lán)牙個(gè)人區(qū)域網(wǎng)PAN實(shí)現(xiàn)的要害模塊。一方面，它與用戶界面打交道，另一方面，它又要負(fù)責(zé)與協(xié)議棧和網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序的數(shù)據(jù)交互。它有以下功能：
　　
　?、僖环矫嫠芴峁㏄AN服務(wù)，并等待接收來(lái)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(qǐng)求，并接收來(lái)自服務(wù)端的響應(yīng)。
　　
　?、奂偃缣峁㎞AP服務(wù)，則還需實(shí)現(xiàn)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(tǒng)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(shù)據(jù)(即TCP/IP等上層協(xié)議發(fā)來(lái)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(dòng)部分，它位于Windows系統(tǒng)的核心態(tài)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)虛擬的藍(lán)牙網(wǎng)卡，直接與Windows系統(tǒng)通信。
　　
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　本文首先對(duì)PAN藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行了一個(gè)概括性的描述，然后對(duì)PAN設(shè)計(jì)中會(huì)碰到的問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并在最后提出了作者對(duì)問(wèn)題的解決方法。本文描述了PAN的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提出了算法及解決方案，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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