基于藍牙的個人局域網(PAN)的設計

摘要：為了更好地滿足所有移動計算機和通訊設備的通訊需要,藍牙特別興趣小組(SIG) 提出了一個新的概念――藍牙個人區域網(Personal Area Networking) 。本文分析了藍牙個人區域網（PAN）的原理,同時提出基于藍牙模塊的藍牙個人區域網的設計方案。

關鍵詞：藍牙個人區域網; 組網; 網絡訪問點;網橋轉發算法

引言

人們所攜帶的電子信息設備越來越多,像筆記本電腦、移動電話、PDA 等已不再只是商務人員的必備工具,正逐步進入百姓的日常生活。這些信息設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備之間能方便地進行信息的交互。因此,在小范圍內能夠將個人設備互聯而組成的網絡―――個人局域網（PAN) 便應運而生。藍牙(Bluetooth) 作為一種小范圍無線連接技術,能夠在設備間實現方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數據和語音通信,是目前實現無線個域網的主流技術之一。本文提出了怎樣實現現有上層協議(如TCP/ IP)與藍牙協議的無縫連接;怎樣實現藍牙個人區域網的數據轉發(主要集中在PAN 的網橋算法上) 的解決方法;最后提供了一個藍牙個人區域網模塊的完整設計方案供參考,希望對各個同行有借鑒意義。本文所提出的解決方案現已用軟件實現,并投入國外市場,用戶反映運行良好。

1 藍牙PAN 實現原理

藍牙技術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,實現短距離無線語音和數據通信。由多個藍牙設備就可以組成一個藍牙網絡。藍牙個人區域網PAN 有兩種應用模型: 一種被稱為組網絡( Group Ad - hoc Networking ,GN) ;另一種被稱為網絡訪問點(Networking Access Point ,NAP) 。這兩種實現模式分別有不同的網絡結構和協議模型。下面對它們分別進行敘述。

1．1 組網( GN) 與網絡訪問點(NAP)

一個簡單的組網由一個主設備和1～7 個活動的從設備組成。在這一個主從網中,主設備與從設備之間的點對點或點對多點通訊在主設備的控制下進行,這個網絡不需與外部網絡相連。另外一種就是由一個NAP和其它藍牙設備組成的網絡。這種無線設備充當網絡設備(10baseT,GSM 等) 之間的網橋、代理或者路由。網絡訪問點與Internet 相連,它是其它計算機或設備與外部網絡相連的中介。計算機通過網絡訪問點共享所有的網絡資源。

1．2 PAN 協議棧模型

由上可見,NAP 和GN 是兩種不同的服務。組網被設計用來允許一個或多個藍牙設備組成一個局域網絡,而網絡訪問點提供藍牙設備進入Internet 網絡的能力。無論是NAP 還是GN 都必須提供與TCP/ IP 和其它網絡協議的無縫實現。下面是關于NAP 和GN 在協議棧部分圖示(圖1 和圖2) 。從協議棧示意圖可以看出,與GN 網絡比較而言,NAP 除了要實現數據轉發之外,還必須實現網橋,能夠實現網絡的路由,從而能通過網絡訪問外部網絡。

2 PAN 實現要解決的問題

藍牙個人區域網就是要用無線代替有線,用藍牙硬件在不同設備之間建立一條虛擬的藍牙鏈路,從而使現有的各種應用軟件不經修改,就可以在不同藍牙設備之間進行數據傳輸和數據交換。它必須解決以下問題:

(1)怎樣支持IPv4 和IPv6 協議和其它可選協議。

(2)怎樣實現GN 和NAP。

(3)怎樣實現藍牙協議棧與現有網絡協議如TCP/ IP和PPP 等網絡協議無縫連接,從而通過藍牙硬件在下層建立一條虛擬的藍牙鏈路,使現有網絡應用程序就像在有線網絡中使用一樣。

3 PAN 的具體實現

3．1 實現高層協議與藍牙協議的無縫連接

要充分運用現有的各種協議,如TCP/ IP 協議和其它上層協議的接口,PAN 網絡需要在上層協議與藍牙協議棧之間建立一條藍牙無線鏈路。怎樣實現現有協議與藍牙協議的無縫連接? 筆者以Windows 平臺為例提出了一個解決方案,如圖3 所示。

在Windows 驅動程序設計構架中,現在的通訊協議(如TCP ,IPX/ SPX等) 都是建立在Miniport Driver 之上的。因此,只需實現一個Windows 關于NDIS 的Miniport 驅動程序(圖4) 即可。從TCP/ IP 等高層協議過來的數據通過Miniport 進入Dispatch Driver ,然后進入個人區域網應用程序,通過應用程序進入藍牙協議棧。當然,PAN Interface 也可以在Kernel Mode 層實現。通過PAN Interface ,數據就可以進入藍牙協議棧了(圖5) 。

3．2 網橋轉發算法(實現GN 和NAP)

為了實現GN 和NAP ,就必須在GN 和NAP 端實現一個虛擬網橋,實現數據的轉發。網橋轉發算法是藍牙個人區域網PAN 實現的關鍵技術。根據藍牙個人區域網的特點,筆者提出了網橋三個端口的模型,并提出了一個網橋轉發算法。

3．2．1 網橋轉發算法基本思想

網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(數據轉發是直接建立在BNEP[3]之上的) ,本地端口(服務端本身) 和外部網絡端口(如接入Internet) 。由于一個藍牙主設備只能連接七臺藍牙從設備,所以網橋的BNEP 端口最多能有七個;本地端口表示的就是提供服務設備自己,它只有一個;如果本設備支持NAP ,那么將會注冊一個外部網絡端口。可見,一個網橋最多有九個端口,它的主要功能就是根據相應的網橋轉發算法,把數據從一個藍牙設備轉發到其它的藍牙設備或者外部網絡,從而實現在不同設備間(GN) 或者和外部網絡(NAP) 通信的目的。在每一個BNEP 端口設置一個自學習標志位來標志來自這個端口的數據包的源地址和目的地址是否已經被記憶下來,這樣就沒必要每次都去查找來自這個端口的每一個數據包的源地址或目的地址。如果要轉發的數據包不是來自內部網絡,并且在端口列表中沒有找到目標端口,則默認為被轉發到外部網絡, 如果沒有外部網絡端口,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絡包和來自或發往某地址范圍段的網絡包。

3．2．2 算法具體步驟

(1) 有數據包到達網橋,該數據包可能來自本地設備、其它藍牙設備或外部網絡(如果實現了NAP) 。

(2) 從包頭中取得該數據包得源地址,檢查該數據包的是否來自外部網絡。若是,則檢查數據包的源端口是否自學習的;若不是,則記下該數據包的源地址并設置自學習標志位為TRUE。

(3) 從包頭中取得該數據包的類型。如果它是EARP/ ERARP 類型數據包,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,然后轉到(8) 。

(4) 如果它是IPv4 , IPv6 或者其它類型的數據包,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據包要轉發的目標端口。

(5) 如果該數據包的目標地址是一個廣播地址或多播地址,則把該數據包進行廣播或多播,然后轉到(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,若該網橋有默認端口(即外部網絡端口) ,并且源端口不是外部網絡端口,則把外部網絡端口作為目標口,若沒有外部網絡端口, 則丟棄該包, 然后轉到(8) 。

(7) 進行包過濾, 如果該包沒有被過濾掉, 則轉發該數據包到目標端口。

(8) 接收下一個到來的數據包,重復上述步驟。

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操作,如建立網絡,進行數據交互等。

4．2 　PAN Profile

PAN Profile 模塊是藍牙個人區域網PAN 實現的關鍵模塊。一方面,它與用戶界面打交道,另一方面,它又要負責與協議棧和網絡驅動程序的數據交互。它有以下功能:

①一方面它能提供PAN 服務,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,發出建立連接請求,并接收來自服務端的響應。

③如果提供NAP服務,則還需實現一個網橋,詳見網橋算法。

4．3 Pan Interface

PAN Interface 模塊是與系統相關的模塊, 它直接和位于核心態的Virtual NIC 模塊進行交互,接收來自Virtual NIC 模塊的數據(即TCP/ IP 等上層協議發來的數據)或發送數據到Virtual NIC(即TCP/ IP 等上層協議接收的數據) 。

4．4 Virtual NIC

Virtual NIC 模塊即網卡驅動部分,它位于Windows 系統的核心態,實現了一個虛擬的藍牙網卡,直接與Windows 系統通信。

5 　結束語

本文首先對PAN 藍牙協議進行了一個概括性的描述,然后對PAN 設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 的設計和實現過程,提出了算法及解決方案,具有很強的實用性。