姚 斌 王樹甲
(信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所)
摘要：本文針對蘭牙無線系統(tǒng)應(yīng)用深廣的特點(diǎn)，介紹了該系統(tǒng)包羅萬象的等級分層協(xié)議結(jié)構(gòu)，闡述了容納幾乎所有現(xiàn)有上層應(yīng)用協(xié)議的開放性及其與各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用的關(guān)系。
關(guān)鍵詞：無線系統(tǒng)，蘭牙，協(xié)議棧
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
蘭牙系統(tǒng)是一種開放性的短距離無線通信系統(tǒng)，它工作在不實(shí)施許可證制度的2.4GHz工科醫(yī)（ISM）頻段，旨在用無線鏈路替代連接各種便攜或固定電子裝置（如PC機(jī)、筆記本電腦、打印機(jī)和移動(dòng)電話等等）的連接纜線。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅使人們能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸，實(shí)現(xiàn)快速靈活的通信，而且能夠在個(gè)人環(huán)境（辦公室、家庭等）靈活方便組成具有個(gè)性化的應(yīng)用系統(tǒng)。蘭牙系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是高可靠性、低復(fù)雜度、低功耗和低成本，這些特點(diǎn)與蘭牙系統(tǒng)極其廣泛的應(yīng)用目標(biāo)是完全一致的，對于蘭牙技術(shù)的發(fā)展也十分有利。
蘭牙特別興趣小組（SIG）已編制了蘭牙技術(shù)規(guī)范1.0A、1.0B以及1.1版本，為在互工作性無線單元和共同數(shù)據(jù)通信協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用創(chuàng)造了條件。該規(guī)范的最終目標(biāo)是：容納符合規(guī)范、具有互工作性的各種應(yīng)用。為了達(dá)到這種互工作性，本地和遠(yuǎn)端設(shè)備中相匹配的應(yīng)用（例如客戶機(jī)和服務(wù)器的應(yīng)用）必須以相同的協(xié)議棧工作。例如，一種支持電子商務(wù)卡應(yīng)用的頂層至底層的協(xié)議棧應(yīng)為，vCard ®OBEX ® RFCOMM ® L2CAP ® BaseBand的協(xié)議序列。這一協(xié)議棧既包含內(nèi)部對象表示約定vCard協(xié)議，又包含‘空中’傳送協(xié)議，以及與該協(xié)議棧有關(guān)的其余協(xié)議。
本文旨在介紹蘭牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，闡述開放性協(xié)議與深廣應(yīng)用的關(guān)系。
二 等級分層協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
不同的應(yīng)用可以運(yùn)行不同的協(xié)議棧，盡管如此，這些不同協(xié)議棧中的每一協(xié)議均使用共同的蘭牙數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議。圖1表示完整的蘭牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)，在其頂層構(gòu)建了支持蘭牙應(yīng)用模式的具有互工作性的各種應(yīng)用協(xié)議。然而，并非所有這些應(yīng)用都要利用圖1中的所有協(xié)議，而是不同應(yīng)用只需運(yùn)行協(xié)議棧一個(gè)或多個(gè)垂向條塊中的協(xié)議。通常，增加各垂向條塊是為了支持主要應(yīng)用，諸如，電話控制規(guī)范（TCS Binary）或業(yè)務(wù)搜索協(xié)議（SDP）。值得指出的是，圖1表明了各協(xié)議之間的關(guān)系：當(dāng)凈負(fù)荷數(shù)據(jù)需要在空中口傳送時(shí)，各協(xié)議如何利用其它協(xié)議為之提供的服務(wù)。例如，當(dāng)需要控制鏈路管理時(shí)，一些協(xié)議（L2CAP、TCSBinary）可以使用鏈路管理協(xié)議（LMP）提供的服務(wù)。
vCARD/vCAL
OBEX
WAP
AT-COMM
IP
WAE
串行電纜仿真協(xié)議（RFCOMM）
UDP TCP
PPP
TCS Bin
業(yè)務(wù)搜索協(xié)議（SDP）
RF 層
Audio
主機(jī)控制接口（HCI）
鏈路管理協(xié)議（LMP）層
基帶層
邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）層
圖1 蘭牙協(xié)議棧結(jié)構(gòu)
如圖1所示，完整的蘭牙協(xié)議棧既包括蘭牙核心協(xié)議，諸如鏈路管理協(xié)議（LMP）和邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議（L2CAP），又包括選用協(xié)議，諸如對象交換（OBEX）協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（UDP）等等。在設(shè)計(jì)協(xié)議和整個(gè)協(xié)議棧的過程中，主要原則一直是盡可能多地利用現(xiàn)有的在上層有不同用途的各種協(xié)議，原有協(xié)議的重新利用還有助于使現(xiàn)有的傳統(tǒng)應(yīng)用與蘭牙技術(shù)一道工作，并保證這些應(yīng)用的平穩(wěn)運(yùn)行和互操作性，因此，已由供應(yīng)商開發(fā)的許多應(yīng)用都具有立即采用其中那些符合蘭牙規(guī)范的硬件和軟件系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。加之蘭牙規(guī)范具有開放性，因而能夠使各供應(yīng)商在蘭牙核心協(xié)議的上層自由地實(shí)施他們自己專有的或通用的各種應(yīng)用協(xié)議。所以，蘭牙靈活、開放的技術(shù)規(guī)范使之具有開發(fā)大量新應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。按照協(xié)議的目的和用途以及蘭牙SIG是否參與制定這些協(xié)議，蘭牙協(xié)議?？梢苑譃樗膶?，各協(xié)議分別地屬于各不同層，如表1所示。
協(xié)議層
所含協(xié)議
蘭牙核心協(xié)議（CP）層
無線電規(guī)范（RS）、基帶協(xié)議（BB）、鏈路管理協(xié)議（LMP）、邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）、業(yè)務(wù)搜索協(xié)議（SDP）
電纜替代協(xié)議（CRP）層
串行電纜仿真協(xié)議（RFCOMM）
電話控制協(xié)議（TCP）層
電話控制規(guī)范（TCS Binary）、AT-命令（AT-commands）
選用協(xié)議
（AP）層
點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP）、用戶數(shù)據(jù)報(bào)/傳送控制/因特網(wǎng)協(xié)議（UDP/TCP/IP）、對象交換協(xié)議（OBEX） 、無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）、電子名片交換格式（Vcard）、電子日歷和日程交換格式（vCal）、紅外移動(dòng)通信（IrMC
[1]）、無線應(yīng)用環(huán)境（WAE）
表1 蘭牙協(xié)議棧中的協(xié)議和層別
除上述各協(xié)議層之外，規(guī)范還定義了一個(gè)主機(jī)控制接口（HCI），它為基帶控制、鏈路管理以及接入硬件狀態(tài)和控制寄存器提供一個(gè)命令接口，例如，在圖1中，HCI位于L2CAP的下面，但這一位置不是強(qiáng)制性的，而且HCI可以在L2CAP的上面。
蘭牙核心協(xié)議包括由蘭牙SIG制定的蘭牙特定協(xié)議，RFCOMM和TCS Binary協(xié)議也是由蘭牙SIG編制的，但分別基于ETSI TS 07.10和ITU-T建議Q.931。大多數(shù)蘭牙設(shè)備必須使用蘭牙核心協(xié)議和蘭牙無線電規(guī)范，而僅當(dāng)需要時(shí)才使用其余協(xié)議。
電纜替代層、電話控制層和選用協(xié)議層形成面向應(yīng)用
[2]的各種協(xié)議，使各種應(yīng)用能夠在蘭牙核心協(xié)議層上運(yùn)行。正如前面所提到的，蘭牙規(guī)范是開放的，并能夠在圖1所示的蘭牙核心協(xié)議的上層或面向應(yīng)用協(xié)議的上層，容納各種具有互工作性的附加協(xié)議，例如高級文本傳送協(xié)議（HTTP）、文件傳送協(xié)議（FTP）等等。
三 蘭牙核心協(xié)議
1. 基帶協(xié)議
基帶協(xié)議和鏈路控制層能夠在形成一個(gè)皮網(wǎng)的各蘭牙單元之間建立物理RF鏈路。因?yàn)樘m牙無線系統(tǒng)采用跳頻的擴(kuò)頻方式，各分組在規(guī)定的頻率和時(shí)隙進(jìn)行發(fā)送，所以本層使用詢問和尋呼程序與不同蘭牙設(shè)備的跳頻頻率和時(shí)鐘相同步。蘭牙系統(tǒng)提供兩種與其基帶分組相對應(yīng)的物理鏈路，一是面向連接的同步鏈路（SCO）；二是無連接的異步鏈路（ACL）。它們能夠以復(fù)用方式在相同的RF鏈路上傳送。ACL分組僅用于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而SCO分組可以僅含語音業(yè)務(wù)，或含語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的組合。所有的語音和數(shù)據(jù)分組都可以采用不同等級的前向糾錯(cuò)（FEC）或循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC），并且能夠進(jìn)行加密。此外，對于每種不同的數(shù)據(jù)類型，包括鏈路管理和控制消息，都分配給一個(gè)專用信道。
語音業(yè)務(wù)可以在一個(gè)或多個(gè)蘭牙設(shè)備之間進(jìn)行傳送，使各種應(yīng)用模式成為可能。SCO分組中的語音數(shù)據(jù)可以直接地選路，發(fā)至和收自基帶，而不經(jīng)由L2CAP。在蘭牙系統(tǒng)中語音模式是相對簡單的，只要建立一個(gè)語音鏈路，任何兩臺(tái)或多臺(tái)蘭牙設(shè)備之間便能夠相互發(fā)送和接收語音信息。
2. 鏈路管理協(xié)議
鏈路管理協(xié)議（LMP）負(fù)責(zé)蘭牙設(shè)備之間鏈路的建立、保持和釋放，還包括安全方面，諸如鑒權(quán)，以及通過鏈路及密鑰的生成、交換和檢查與基帶分組長度的控制和商定所進(jìn)行的加密。此外，鏈路管理協(xié)議還負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)量調(diào)度、鏈路監(jiān)控和功耗管理等任務(wù)，控制皮網(wǎng)中蘭牙單元的連接狀態(tài)、功率級和功率控制模式以及工作周期。
3. 邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議
邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）層的引入使標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳送協(xié)議與蘭牙協(xié)議之間形成一個(gè)接口，用以處理各高層協(xié)議的復(fù)用和大分組的分段與重組，使上層協(xié)議能夠適應(yīng)于基帶協(xié)議?？梢哉J(rèn)為它是與LMP并行工作的，區(qū)別在于L2CAP為上層協(xié)議提供服務(wù)，卻從不在LMP消息中發(fā)送凈負(fù)荷數(shù)據(jù)。L2CAP以協(xié)議復(fù)用能力、分段和重組操作、群組提取功能為各上層協(xié)議提供有連接和無連接的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，L2CAP允許高層協(xié)議和應(yīng)用發(fā)送和接收長度達(dá)64 kbyte的L2CAP數(shù)據(jù)分組。雖然基帶協(xié)議提供SCO和ACL兩種鏈路類型，但蘭牙規(guī)范規(guī)定，L2CAP僅用于ACL鏈路，而不支持SCO鏈路。在L2CAP層上面，可以駐留串行電纜仿真協(xié)議（RFCOMM）、電話控制規(guī)范（TCS）和業(yè)務(wù)搜索協(xié)議（SDP），以及各種其它的現(xiàn)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，諸如傳送控制協(xié)議/因特網(wǎng)協(xié)議（TCP/IP）、點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP）、對象交換協(xié)議（OBEX）、無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）等。
4. 業(yè)務(wù)搜索協(xié)議
關(guān)于業(yè)務(wù)搜索協(xié)議（SDP），SIG規(guī)范只規(guī)定了蘭牙環(huán)境的尋址，它能夠使蘭牙單元發(fā)現(xiàn)皮網(wǎng)中其它蘭牙單元的能力，發(fā)現(xiàn)各單元可以提供的各種業(yè)務(wù)及它們的特性，包括打印、傳真一類的普通業(yè)務(wù)，也包括電話會(huì)議、網(wǎng)橋、電子商務(wù)一類的先進(jìn)業(yè)務(wù)。然而，SIG規(guī)范沒有規(guī)定接入各種業(yè)務(wù)的方法，這意味著應(yīng)當(dāng)沿用其它現(xiàn)用協(xié)議的方法。SDP是蘭牙協(xié)議結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部分，這些服務(wù)是所有應(yīng)用模式的基礎(chǔ)，利用SDP，可以使設(shè)備信息、各種業(yè)務(wù)以及它們的特性進(jìn)行排隊(duì)，之后便能建立兩臺(tái)或多臺(tái)設(shè)備之間的連接。
四 電纜替代協(xié)議
電纜替代協(xié)議RFCOMM是一種串行線路仿真協(xié)議，它以ETSI 07.10規(guī)范為基礎(chǔ)。這種‘電纜替代’協(xié)議在蘭牙基帶上仿真RS-232控制信號和數(shù)據(jù)信號，為使用串行線路傳送機(jī)制的各上層業(yè)務(wù)（OBEX）提供兩種傳送能力。
五 電話控制協(xié)議
1. 電話控制協(xié)議–二進(jìn)制
電話控制協(xié)議–二進(jìn)制（TCS-Binary/TCS-BIN）是一種面向比特的協(xié)議，它定義蘭牙設(shè)備之間建立語音和數(shù)據(jù)呼叫的呼叫控制信令（CCS）。此外，它還規(guī)定用于蘭牙TCS設(shè)備的各處理群組的移動(dòng)性管理進(jìn)程。TCS-Binary基于ITU-T建議Q.931，采用如Q.931附錄中所述的對稱規(guī)定。
2. 電話控制協(xié)議– AT命令
蘭牙規(guī)范已經(jīng)定義了AT-命令集，借助于該命令集能夠在多種應(yīng)用模式中控制移動(dòng)電話機(jī)和調(diào)制解調(diào)器。蘭牙系統(tǒng)所使用的AT-命令集基于ITU-T建議V.250和ETS 300 916(GSM 07.07)。此外，F(xiàn)AX業(yè)務(wù)所用的各命令集由實(shí)施者予以規(guī)定，它們可以是下列的任一種：
- 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 – 無工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
六 沿用/選用協(xié)議
1. PPP協(xié)議
在蘭牙系統(tǒng)中，點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議（PPP）設(shè)計(jì)為在RFCOMM協(xié)議上運(yùn)行，以完成點(diǎn)對點(diǎn)的連接。PPP原本是因特網(wǎng)工程任務(wù)機(jī)構(gòu)（IETF）的點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議，而PPP-Networking的含義是指，PPP層負(fù)責(zé)提取各IP分組，它們或是放入局域網(wǎng)（LAN）的各分組，或是從LAN收取的各分組和送到PPP層的各分組。
2. TCP/UDP/IP協(xié)議
這些協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)是由IETF制定的，并用于因特網(wǎng)通信?，F(xiàn)在它們已是世界上最廣泛采用的協(xié)議系列。TCP/IP協(xié)議棧已在大量設(shè)備上使用，包括打印機(jī)、手持電腦和移動(dòng)手機(jī)等。接入這些協(xié)議不依賴于操作系統(tǒng)，盡管傳統(tǒng)上使用一種插座編程（Socket Programming） 接口模塊來實(shí)現(xiàn)。在蘭牙設(shè)備中，這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)應(yīng)考慮到與因特網(wǎng)所連接的任何其它設(shè)備之間的通信，從而將蘭牙設(shè)備，例如蘭牙蜂窩手機(jī)或數(shù)據(jù)接入終端，用做通向因特網(wǎng)的網(wǎng)橋。在蘭牙規(guī)范中，TCP/IP/PPP都是用做因特網(wǎng)網(wǎng)橋情況，而在未來版本中，還可以用于OBEX。顯然，UDP/IP/PPP也可以用于WAP的傳送。
3. OBEX 協(xié)議
紅外對象交換協(xié)議（ OBEX）是由紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)（IrDA）制定的一種以簡單和自然的方式進(jìn)行對象交換的會(huì)晤協(xié)議。OBEX提供與超級文本傳送協(xié)議（HTTP）相同的基本功能，但方法要簡單的多。倘若OBEX實(shí)現(xiàn)一種可靠的傳送，它應(yīng)采用客戶機(jī)-服務(wù)器模式，而且不依賴于傳送的機(jī)制和傳送的應(yīng)用編程接口（API）。OBEX的‘語法’與協(xié)議本身一起在各設(shè)備之間進(jìn)行通信，OBEX還提供一種表示各對象和操作的模型。此外，OBEX定義了一種文件夾-清單對象，用于瀏覽遠(yuǎn)端設(shè)備上的各文件夾的內(nèi)容。最初OBEX下面的傳送層是RFCOMM，在未來的實(shí)施方案中很可能支持以TCP/IP作為傳送層。
4. vCard 與 vCal規(guī)范
vCard和vCal規(guī)范分別地定義了電子商務(wù)卡的格式和個(gè)人日歷及日程信息的格式。vCard 和vCal不定義任何傳送機(jī)制，而只定義用以傳送數(shù)據(jù)的格式。通過選用vCard 和 vCal，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)使用這些明確定義和支持的格式來交換個(gè)人信息。vCard 和 vCal規(guī)范是由因特網(wǎng)郵件組織（IMC）編制的，并正在由IETF進(jìn)一步發(fā)展。在蘭牙系統(tǒng)中由OBEX傳送的其它內(nèi)容格式還有vMessage和vNote。這些內(nèi)容格式也是開放標(biāo)準(zhǔn)，并用于交換消息和信函。這些內(nèi)容格式是在IrMC規(guī)范中定義的，該規(guī)范還定義了一種記錄文件的格式，當(dāng)設(shè)備之間傳送同步數(shù)據(jù)時(shí)需要這種格式。
5. WAP
隱藏計(jì)算應(yīng)用模式可以使用無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）加以實(shí)現(xiàn)。蘭牙系統(tǒng)是WAP承載體。
WAP論壇正在制定一種能夠工作在各種廣域無線網(wǎng)技術(shù)的無線協(xié)議規(guī)范，目的是將因特網(wǎng)內(nèi)容和電話業(yè)務(wù)引入數(shù)字蜂窩電話機(jī)和其它無線終端。
選擇WAP的想法是，充分利用為WAP應(yīng)用環(huán)境（WAE）開發(fā)的上層應(yīng)用軟件。這些應(yīng)用軟件包括能夠與PC機(jī)各種應(yīng)用交互工作的無線標(biāo)志語言（WML）和WTA瀏覽器。建立介于WAP服務(wù)器與PC機(jī)其它應(yīng)用之間的應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)各種隱藏、計(jì)算功能，諸如遠(yuǎn)端控制、從PC機(jī)到手機(jī)的數(shù)據(jù)提取。WAP服務(wù)器還便于在PC機(jī)與手機(jī)之間加載和下載內(nèi)容，
傳送層（無線數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議WDP）
GSM
IS136
CDMA
PHS
CDPD
PDC-P
Etc…
承載實(shí)體
應(yīng)用層（無線應(yīng)用環(huán)境WAE）
會(huì)晤層（無線會(huì)晤協(xié)議WSP）
通信事項(xiàng)處理層（無線事項(xiàng)處理協(xié)議WTP）
安全層（無線傳送層安全性WTLS）
其他業(yè)務(wù)和應(yīng)用
圖2 WAP協(xié)議的結(jié)構(gòu)
使個(gè)人生活和工作像一個(gè)信息交流站。WAP結(jié)構(gòu)如圖2所示，它打開了手機(jī)定制應(yīng)用的可能性，即手機(jī)使用無線標(biāo)志語言（WML和WMLScript）作為通用的軟件開發(fā)套件。蘭牙系統(tǒng)中的WAP所支持的內(nèi)容格式有WML、WMLScript、WTA event、WBMP和 vCard/vCal，它們是無線應(yīng)用環(huán)境的各個(gè)具體部分。
七 結(jié)束語
通過以上介紹和描述不難發(fā)現(xiàn)，蘭牙系統(tǒng)的協(xié)議棧是靈活的、開放的，包容現(xiàn)有應(yīng)用協(xié)議的；同時(shí)也易于接納未來的新應(yīng)用協(xié)議。所有這些特性為蘭牙系統(tǒng)深入廣泛的應(yīng)用提供了極其有效的技術(shù)基礎(chǔ)。加之全球各國和各地區(qū)采用統(tǒng)一的頻段，各類蘭牙產(chǎn)品必將實(shí)現(xiàn)引言中所述的一高三低的優(yōu)點(diǎn)。這大概就是SIG幾年內(nèi)發(fā)展到1000多個(gè)成員，許多業(yè)內(nèi)人士預(yù)期蘭牙具有廣闊市場前景的主要原因吧。
[1] 沒有在圖1中OBEX層上面表示。
[2] 這里，‘面向應(yīng)用’是相對于蘭牙傳送業(yè)務(wù)，并應(yīng)解釋為在任何協(xié)議層或在蘭牙特定傳送協(xié)議層上面的應(yīng)用。
