基于蓝牙技术的个人局域网与安全模式

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  一项新技术的诞生,必将引发相关科技领域的革命,蓝牙技术是上个世纪90年代诞生的,它的出现立即引起了世界上许多知名公司的极大兴趣,都愿加盟蓝牙技术研究与开发小组,共同推动蓝牙技术的发展。据统计资料显示,截至2007年年底,全世界已有9000多家公司加盟蓝牙技术研究与开发小组。基于蓝牙技术的个人局域同,是一个微型的基于信息家电的家庭无线局域网络,它彻底改变了多种信息家电有线连接的传统连接方式,为各种固定设备或移动设备(如手机、笔记本电脑、打印机、无线耳机、鼠标等)组成的一个小范围通信环境建立通用的无线接口,能在近距离范围内实现无缝操作。
  蓝牙技术。蓝牙技术的早期开发可追溯到上个世纪90年代,当时的瑞典爱立信移动通信公司,为研究这项新技术成立了一个专项科研小组,对移动电话及其附件之间实现小功耗、低成本无线连接的可能性进行研究,他们的初衷是建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等的连接。但随着项目研究的深入,科研人员越来越感觉到这项技术所具有的显著特性和未来的巨大商机,同时也意识到,仅凭一家公司的实力是难以继续研究下去的,若要使这项技术最终获得成功,必须得到业界其他公司的支持与应用才行。于是,爱立信将其公之于世,并积极寻求合作伙伴。到了1998年的2月,爱立信公司就联合了诺基亚,英特尔、东芝和国际商用机器公司,组成一个蓝牙特别兴趣小组,共同推动蓝牙SIG协会的成立。1998年5月,蓝牙S1G协会分别在英国伦敦、美国加州圣荷西及日本东京公开宣布该协会正式成立,并欢迎全世界的相关厂商加人该协会。1999年12月,美国的4家公司3Com、朗讯、微软和摩托罗拉宣布加人蓝牙S1G协会,与SIG的5个创建公司一同成为SIG的9个倡导发起者,共同致力于蓝牙无线技术标准的制定、产品测试,并协调各国蓝牙的具体使用。
  蓝牙技术是一种短距离的无线数据与语音通信技术,具有微功率、低成本、小实现空间、技术标准开放等优点,主要以满足美国联邦通信委员会的要求为目标。蓝牙设备工作在全球绝大多数国家通用的工业、科学及医疗频段共使用79个频道,最大发射功率分别为lmW、2,5mW和100mW三个等级,有效通信距离范围为10cm~100m。
  由于蓝牙系统是运行在ISM频段,容易受到其他无线通信系统的干扰,因此传输的数据必须采用适当的差错控制,以提高通信的可靠性。在蓝牙技术的基带层内共定义了3种差错控制方法:即1/3比例前向纠错、2/3比例前向纠错和自动请求重发。虽然比例前向纠错可以避免包受噪声干扰的影响,但是多加入的差错控制位会使数据传输量相对降低,所以蓝牙技术标准采取了对不同重要性的发送包进行不同的差错控制的方法;自动请求重发是针对包内的有效载荷进行保护的差错控制方法,发送端发出一个包,接收端收到包后将检查包的包头的头错误校验以及有效载荷的循环剩余度校验是否发生错误。如果检查无误则接收端返回一个确认,若是发生错误则返回消极确认要求发送端重发。这个过程可一直操作下去直到接收端收到正确的包或者出现超时为止。
  蓝牙设备主要使用高速跳频和时分多址等先进技术。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道,在一次连接中,无线电收发器按伪随机码序列不断地从一个信道跳到另一个信道,每秒钟频率改变1600次,建立连接时频率改变达到3200次。只要收发双方是按照跳频规律进行通信,其他干扰信号就不可能按照同样的变化规律进行干扰。时分多址技术是把时间分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动终端的信号而不混乱。同时,基站发向多个移动终端的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输,各移动终端只要在指定的时隙内接收,就能在传输的信号中把发给它的信号区分开来并准确接收。
  蓝牙系统的构成。蓝牙系统按照功能主要分为4个模块:蓝牙协议、链路管理、链路控制和无线射频。蓝牙协议模块是一个独立的操作系统,不与其他操作系统捆绑。蓝牙协议符合已经制定好的蓝牙规范,主要为各种应用(如语音和数据等)提供所需的通信协议和应用程序接口等;链路管理模块主要负责基带连接的设定及管理、基带数据的分段及重组、多路复用和确定服务质量等;链路控制模块负责处理基带协议和其他一些低层常规协议;无线射频模块是蓝牙空中接口,建立在lmW的基础上,最大可达100mW。遵循美国联邦通信委员会ISM频段的标准。
  蓝牙系统设备有两个主要工作状态和7个中间临时状态。两个主要工作状态:等待状态和连接状态;7个中间临时状态:寻呼、寻呼扫描、查询、查询扫描、主设备回应、从设备回应和查询回应。不同状态产生不同的跳频序列。
  基于蓝牙技术的个人局域网及安全模式。这里有必要介绍一个蓝牙网络封装协议(BNEP)。因为BNEP规范了统一的网络层分组格式,实现了以太网有效载荷直接在两个蓝牙设备之间传输。蓝牙个人局域网就是利用BNEP为蓝牙设备提供组网能力,使两个或者多个蓝牙设备组成一个临时自组织网(GN),或通过网络接入点(NAP)访问远端网络。临时自组织网(GN)是一些蓝牙设备在无需额外网络设备的情况下,相互协作而组成的一个临时的小范围无线网络。这种无线网络又称为微微网。
  蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击,因此安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障,但是蓝牙系统仍然需要链路层和应用层的安全管理。蓝牙技术有三种安全管理模式:无安全模式、服务级安全模式和链路级安全模式。无安全模式状态下的设备不发起任何安全进程。这就意味着GN/NAP服务对所有的设备都是开放的,GN/NAP设备不进行任何蓝牙安全设置的初始化。但这并不影响GN/NAP的高层安全机制。服务级安全模式状态下的设备在逻辑链路控制与适配协议(L2CAP)级连接建立之前不进行任何安全设置。当通过GN或NAP访问个人局域网服务时,在初始化的时候就要进行安全设置操作。服务级安全模式有个人局域网授权模式、个人局域网保密模式两种。个人局域网授权模式规定了访问个人局域网所需的授权级别。个人局域网授权模式由GN/NAP设置并分别在各自的服务记录中存储。GN/NAP有三种运行状态:第一种是打开个人局域网。这意味着没有授权与认证就可以加入个人局域网。第二种是要求认证。在蓝牙设备注册为个人局域网成员之前,GN/NAP需要进行认证。如果使用蓝牙认证,一个结果字段为“连接正在进行”、状态字段为“认证正在进行”就会返回。还可以使用BNEP或者IP层的认证机制。第三种是要求授权与认证。在与个人局域网的连接建 立完成之前要求授权与认证。也可以在蓝牙级、以太网级或者IP级进行授权与认证。新的L2CAP信道建立的授权由GN/NAP执行。BNEP或lP级使用相应级别的授权与认证,这在BNEP的L2CAP信道建立之后进行。如果蓝牙设备的认证请求没有成功,或者没有通过GN/NAP的授权,那么GN/NAP就必须终止BNEP的2CAP信道。当使用蓝牙级认证时,返回一个L2CAP消息(结果字段为“连接拒绝”),表示使用安全阻塞。如果蓝牙设备在蓝牙级成功通过认证,并且它被GN/NAP授权加入个人局域网,就会返回一个L2CAP消息(结果字段为“连接成功”)。个人局域网保密模式则规定了两种个人局域网内的通信保护等级(清除模式等级、加密模式等级)。保密等级由GN/NAP设定。如果个人局域网工作在清除模式,则没有加密应用程序的需要。如果个人局域同工作在加密模式,那么在个人局域网内部所有通信都必须加密。这可以是基带级的或BNEP/1P级的加密。若蓝牙设备加密请求失败,则GN/NAP必须终止L2CAP链路,使用蓝牙级认证时,将使用一个结果字段为“连接拒绝”的L2CAP消息。若蓝牙设备使用蓝牙级加密,并且成功获得密钥,将返回一个结果字段为“连接成功”的L2CAP消息;链路级安全模式状态下的设备在链路管理器协议(LMP)级连接建立之前不进行任何安全设置。处于此模式的GN/NAP设备可以只请求认证,或者请求认证与加密。高层安全机制可以在蓝牙个人局域网安全机制之上进行。
  开发蓝牙技术,是为了用一种全球统一的无线通信技术,来取代各种数字化设备之间相互连接的电缆。随着现代科学技术的迅猛发展和不断进步,蓝牙技术不仅应用于通信、计算机及消费电子领域中的各种小型设备及移动设备,而且已逐步扩展到更广泛的应用领域。但是,蓝牙技术在其发展过程中也遇到一些棘手的问题,如蓝牙协议的实现与标准不一致,使硬件、软件以及硬件与软件之间的互操作性不佳;软件开发还难为蓝牙应用提供完整的解决方案,跨平台移植难以实现等。而对蓝牙技术存在的诸多问题,蓝牙SIG选择了逐步解决问题并在困难中发展与创新的道路。2007年7月,蓝牙SIG推出了蓝牙2.1+EDR新版本。新版本不但简化了用户的配对流程,增强安全性,而且还大大降低蓝牙产品的功耗。蓝牙SIG表示他们正在与WiMedia联盟合作,计划将超宽带技术UWB融入到下一代蓝牙版本中,以创建高速蓝牙通道。毫无疑问,蓝牙技术未来的应用前景会更加广阔。
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