总线和数据通信技术.doc

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1、一无线网络中的安全问题 安全威胁来源 非法窃听 非授权访问 服务拒绝 耗能攻击 返 回 上 页 下 页 非法窃听是指入侵者通过对无线信道的监听来获取传输的信息是对通信网络最常见的攻击方法这种威胁源于无线链路的开放性但是由于无线传输距离受到功率和信噪比的限制窃听者必须与源结点距离较近蓝牙技术标准建议采用较低的发射功率标准通信距离仅有十米这在一定程度上保证了网络的可靠性 1非法窃听 返 回 上 页 下 页 非法访问是指入侵者伪装成合法用户来访问网络资源以期达到破坏目的或者是违反安全策略利用安全系统的缺陷非法占有系统资源或访问本应受保护的信息必须对网络中的通信设备增加认证机制以防止非授权用户使用网络

2、资源 2非法访问 返 回 上 页 下 页 服务拒绝是指入侵者通过某些手段使合法用户无法获得其应有的网络服务这种攻击方式在Internet中最为常见也最为有效在蓝牙网络中这种威胁包括阻止合法用户建立连接或通过向网络发送大量垃圾数据来破坏合法用户的正常通信对于这种威胁通常可采用认证机制和流量控制机制来防止 3服务拒绝 返 回 上 页 下 页 耗能攻击也称为能源消耗攻击现有蓝牙设备为节约电池能量使用节能机制在不进行通信时进入休眠状态能源消耗攻击目的是破坏节能机制如不停地发送连接请求使设备无法进入节能模式最终达到消耗能量的目的目前对这种攻击还没有行之有效的办法 4耗能攻击 返 回 上 页 下 页 二蓝

3、牙采用的安全技术 蓝牙技术标准除了采用上述的跳频扩频技术和低发射功率等常规安全技术外还采用内置的安全机制来保证无线传输的安全性 1 安全模式 在这种模式下蓝牙设备屏蔽链路级的安全功能适于非敏感信息的数据库的访问这方面的典型的例子有自动交换名片和日历 即vCard和vCalendar 安全模式1无安全要求 返 回 上 页 下 页 提供业务级的安全机制允许更多灵活的访问过程例如并行运行一些有不同安全要求的应用程序在这种模式中蓝牙设备在信道建立后启动安全性过程也就是说它的安全过程在较高层协议进行 安全模式2强制业务级安全 提供链路级的安全机制链路管理器对所有建立连接的应用程序以一种公共的等级强制执行

4、安全标准在这种模式中蓝牙设备在信道建立以前启动安全性过程也就是说它的安全过程在较低层协议进行 安全模式3强制链路级安全 返 回 上 页 下 页 2 设备和业务的安全等级 1设备定义了三个级别的信任等级 可信任设备设备已通过鉴权存储了链路密钥在设备数据库中标识为可信任可信任设备可以无限制的访问所有的业务 不可信任设备设备已通过鉴权存储了链路密钥但在设备数据库中没有标识为可信任不可信任设备访问业务是受限的 未知设备无此设备的安全性信息为不可信任设备 返 回 上 页 下 页 2业务的三种安全级别 需授权只允许信任设备自动访问的业务 例如在设备数据库中已登记的那些设备 不信任的设备需要在授权过程完成后

5、才能访问该业务授权总是需要鉴权以确认远端设备是正确的设备 需鉴权在连接到应用程序之前远端设备必须接受鉴权 需加密在允许访问业务前必须切换到加密模式下 返 回 上 页 下 页 3 链路级安全参数 蓝牙技术在应用层和链路层上提供了安全措施链路层采用的四种不同实体来保证安全所有链路级的安全功能都是基于链路密钥的概念实现的链路密钥是对应每一对设备单独存储的一些128位的随机数 返 回 上 页 下 页 4 密钥管理 蓝牙系统用于确保安全传输的密钥有几种其中最重要的密钥是用于两个蓝牙设备之间鉴权的链路密钥加密密钥可以由链路密钥推算出来这将确保数据包的安全而且每次传输都会重新生成最后还有PIN码用于设备之间

6、互相识别 返 回 上 页 下 页 一共有四种可能存在的链路密钥所有链路密钥都是128位的随机数它们或者是临时的或者是半永久性的加密密钥由当前的链路密钥推算而来每次需要加密密钥时它会自动更换之所以将加密密钥与鉴权密钥分离开是因为可以使用较短的加密密钥而不减弱鉴权过程的安全性 链路密钥 返 回 上 页 下 页 通常称为PIN 个人识别号码 是一个由用户选择或固定的数字长度可以为16个字节通常采用四位十进制数用户在需要时可以改变它这样就增加了系统的安全性另外同时在两个设备输入PIN比其中一个使用固定的PIN要安全得多事实上它是唯一的可信的用于生成密钥的数据典型情况是四位十进制PIN码与其他变量结合生

7、成链路密钥和加密密钥 蓝牙安全码 返 回 上 页 下 页 蓝牙系统加密算法为数据包中的净荷 即数据部分 加密其核心部分是数据流密码机E0它包括净荷密钥生成器密钥流生成器和加解密模块由于密钥长度从8比特到128比特不等信息交互双方必须通过协商确定密钥长度 5 加密算法 返 回 上 页 下 页 有几种加密模式可供使用如果使用了单元密钥或者联合密钥广播的数据流将不进行加密点对点的数据流可以加密也可以不加密如果使用了主密钥则有三种可能的模式 加密模式1不对任何进行加密 加密模式2广播数据流不加密点对点数据流用临时密钥Kmaste进行加密 加密模式3所有数据流均用临时密钥Kmaste进行加密 返 回 上

8、 页 下 页 6 认证机制 两个设备第一次通信时借助结对初始化过程生成一个共用的链路密钥结对过程要求用户输入16字节 或128位 PIN到两个设备根据蓝牙技术标准结对过程如下 根据用户输入的PIN生成一个共用随机数作为初始化密钥此密钥只用一次然后即被丢弃 在整个鉴权过程中始终检查PIN是否与结对设备相符 生成一个普通的128位随机数链路密钥暂时储存在结对的设备中只要该链路密钥储存在双方设备中就不再需要重复结对过程只需实现鉴权过程 返 回 上 页 下 页 基带连接加密不需要用户的输入当成功鉴权并检索到当前链路密钥后链路密钥会为每个通信会话生成一个新的加密密钥加密密钥长度依据对安全等级而定一般在8

9、128比特之间最大的加密长度受硬件能力的限制防止非授权用户的攻击蓝牙标准规定如果认证失败蓝牙设备会推迟一段时间重新请求认证每增加一次认证请求推迟时间就会增加一倍直到推迟时间达到最大值同样认证请求成功后推迟时间也相应地成倍递减直到达到最小值 返 回 上 页 下 页 二 蓝牙技术应用模型 蓝牙技术的应用被认为非常广泛而且极具潜力它可以应用于无线设备如PDA手机智能电话无绳电话图像处理设备照相机打印机扫描仪安全产品智能卡身份识别票据管理安全检查消费娱乐耳机MP3游戏汽车产品GPSABS动力系统安全气袋家用电器电视机电冰箱电烤箱微波炉音响录像机医疗健身建筑玩具等领域 返 回 上 页 下 页 蓝牙SIG

10、定义的几种基本的应用模型 文件传输 局域网接入 因特网网桥 同步 三合一电话 终极耳机 返 回 上 页 下 页 蓝牙SIG可提供的应用具体可列举如下 1手机与计算机的相连目前多数通过IrDA红外线或是RS-232串口线蓝牙取而代之不仅方便而且资料传送的速度也不用担心有的状况下IsDA的速度更快些 2可作无绳电话使用内置蓝牙芯片的手机在家里可以当作无绳电话使用不用双向收费节省手机费用 3数据共享办公更简易无论手机计算机打印机PDA或是数码相机MP3播放器都可以用蓝牙互传语音文字图像文件蜘蛛网式的会议室将不复存在白板记录仪投影机等都可以利用蓝牙来简化操作 返 回 上 页 下 页 4Internet

11、接入内置蓝牙芯片的笔记本型计算机或手机时不仅可以使用公共电话交换网public swithed telephone network PSTN ISDNLANxDSL而且蜂窝式移动网络照样可以进行高速连接 5无线免提笔记本型电脑具有话筒及扬声器用蓝牙连接将来的手机多人视频会议更加容易而且免提手机不在是汽车独有的了 6同步资料 7蓝牙还可以应用于键盘鼠标家庭网络高速无线内部网络电子名片等 返 回 上 页 下 页 三 蓝牙的发展 据一项最新的研究预测蓝牙将渗透到17个不同的市场领域在未来几年里才是蓝牙大规模占有市场的时候当然蓝牙仍然是一项发展中的技术其应用目前应该说仍处于起步阶段要真正达到大规模进入

12、商用市场并在用户中普及还有大量应用技术细节需要解决 返 回 上 页 下 页 蓝牙需要解决的问题 1 增加消费者的认知度 5争取众多操作系统支持蓝牙 4 与其他技术的共存 3 产品应使用方便 2 产品应具有互操作性 返 回 上 页 下 页 6芯片越来越小巧 7向单芯片方向发展 8芯片价格持续下降 9干扰问题的解决 10 支持漫游功能 返 回 上 页 下 页 maxbook118com蓝牙技术原理 一 蓝牙系统组成 主要组成单元简介 一个微波跳频扩频通信系统数据和话音信息分组在指定的时隙指定跳频频率发送和接收 1蓝牙无线射频单元 返 回 上 页 下 页 包括基带数字信号处理的硬件部分并完成基带协议

13、和其他低层链路的规程基带控制器的服务项目包括发送和接收数据设备信号请求链路地址查询建立连接验证协商并建立连接方式确定分组内型设置监听方式设置保持方式设置休眠方式 2基带控制器单元 链路管理单元实现链路的建立验证链路配置及其协议链路管理单元可以发现其他的链路管理单元并通过连接管理协议LMP建立通信联系链路管理器通过基带控制器提供的服务实现上述功能 3链路管理单元 返 回 上 页 下 页 二蓝牙的结构体系 它是由底层硬件模块中间层和高端应用层三大部分组成 返 回 上 页 下 页 一蓝牙的底层模块 由链路管理层LMP Link Manager Protocol 基带层BB Base Band 和射频

14、RF Radio Frequency 组成 各部分主要功能 通过24GHz无需申请的ISM频段实现数据流的过滤和传输它主要定义了工作在此频段的蓝牙接收机应满足的要求 1无线连接层RF 返 回 上 页 下 页 基带层BB提供了两种不同的物理链路同步面向连接链路和异步无连接链路ACL负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输且对所有内型的数据包提供了不同层次的前向纠错码FEC Forward Error Correction 或循环冗余度差错校验CTC 2基带层BB LMP层负责两个或多个设备链路的建立和拆除及链路的安全和控制如鉴权和加密控制和协商基带包的大小等它为上层软件模块提供了不同的访问入口 3链路管

15、理层LMP 返 回 上 页 下 页 蓝牙主机控制器接口HCI Host controller interface 由基带控制器连接管理器控制和事件寄存器等组成它是蓝牙协议中软硬件之间的接口提供了一个调用下层BBLM状态和控制寄存器等硬件的统一命令上下两个模块接口之间的消息和数据的传递必须通过HCI的解释才能进行HCI层以上的协议软件实体运行在主机上而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成二者之间通过传输层进行交换 4蓝牙主机控制器接口 返 回 上 页 下 页 二 中间协议层 1 中间协议层的组成 逻辑链路控制与适配协议L2CAP Logical Link Control and Adaptation

16、 Protocol 串口仿真协议或称线缆替换协议RFCOMM 二进制电话控制协议TCS Telephone Control Protocol Spectocol 服务发现协议SDP Service Discovery Protocol 返 回 上 页 下 页 2 各部分的功能 L2CAP是蓝牙协议栈的核心组成部分也是其他协议实现的基础它位于基带之上向上层提供面向连接和无连接的数据服务它主要完成数据的拆装服务质量控制协议的复用分组的分割和重组Segmentation And REassembly及组提取等功能L2CAP允许高达64KB的数据分组 1逻辑链路控制与适配协议L2CAP SDP是一个基

17、于客户服务器结构的协议它工作在L2CAP层之上为上层应用程序提供一种机制来发现可用的服务及其属性而服务的属性包括服务的内型及该服务所需的机制或协议信息 2服务发现协议SDP 返 回 上 页 下 页 RFCOMM是一个仿真有线链路的无线数据仿真协议符合ETSI标准的TS0710串口仿真协议它在蓝牙基带上仿真RS-232的控制和数据信号为原先使用串行连接的上层业务提供传送能力 3串口仿真协议或称线缆替换协议RFCOMM TCS是一个基于ITU_TQ931建议的采用面向比特的协议它定义了用于蓝牙设备之间建立语音和数据呼叫的控制信令Call Control Signaling1并负责处理蓝牙设备组的移

18、动管理过程 4二进制电话控制协议TCS 返 回 上 页 下 页 三 高端应用层 高端应用层位于蓝牙协议栈的最上部分一个完整的蓝牙协议栈按其功能又可划分为四层 核心协议层BBLMPL2CAPSDP 线缆替换协议层RFCOMM 电话控制协议层TCS-BIN 选用协议层PPPTCPTPUDPOBEXIrMCWAPWAE 高端应用层是由选用协议层组成 返 回 上 页 下 页 选用协议各部分的功能 1PPP Point-to-point Protocol 是点对点协议由封装链路控制协议网络控制协议组成定义了串行点到点链路应当如何传输因特网协议数据它主要用于LAN接入拨号网络及传真等应用规范 2TCPIP

19、 传输控制协议网络层协议 UDP User Datagram Protocol对象交换协议 是三种已有的协议它定义了因特网与网络相关的通信及其他内型计算机设备和外围设备之间的通信这样即可提高效率又可在一定程度上保证蓝牙技术和其他通信技术的互操作性 返 回 上 页 下 页 3OBEX Object Exchange Protocol 是对象交换协议它支持设备见的数据交换采用客户服务器模式提供与HTTP 超文本传输协议 相同的基本功能该协议作为一个开放性标准还定义了可用于交换的电子商务卡个人日志表消费和便条等格式 4WAP Wireless Application Protocol 是无线应用协议

20、它的目的是要在数字蜂窝电话和其他基于因特网的协议 5WAE Wireless Application Environment 是无线应用环境它提供用于WAP电话和个人数字助理PDA所需的各种应用软件 返 回 上 页 下 页 三 蓝牙系统的框架结构 除了保证两个蓝牙设备之间可以互相通信的协议外SIG还定义了框架其目的是为了描述如何实现用户模块以及如何将应用和设备映射为蓝牙设备蓝牙标准化组织定义了四个主要的框架这四个框架分别是通用的接入框架串口框架服务发现应用框架通用的对象交换框架 返 回 上 页 下 页 1通用的接入框架GAP Generic Access Profile GAP定义了一个蓝牙设

21、备如何发现另一个设备并与之建立连接主要处理未连接的设备之间发现对方以及建立连接的问题这个框架定义的是通用的操作可以被与GAP有关的框架和实现多个框架的设备使用 GAP保证任意厂商生产的两个蓝牙设备之间可以交换信息并发现这些设备可以提供什么内型的服务一个蓝牙设备可以不遵守其他蓝牙框架的约定但必须遵守GAP框架以保证基本的互用和共存 返 回 上 页 下 页 2服务发现应用框架SDAP Service Discovery Application Profile SDAP 定义了发现一个蓝牙设备可用服务的方法主要处理对已有服务的搜索SDAP包括一个用户服务发现应用这个应用采用在一个蓝牙设备中对服务进行

22、定位它与服务发现协议接口SDAP框架依赖于GAP框架采用了GDP框架的一部分 返 回 上 页 下 页 3串口框架SPD Serial Port Profile 串口框架定义了如何在两个蓝牙设备上建立虚拟的串口然后将这两个串口连接起来采用这个框架可以为蓝牙设备提供一个使用RS-232控制信令的串行线缆RS-232是数据通信设备普遍采用的接口标准串口框架就像SDAP框架一样依赖于GAP框架也采用了GAP框架的一部分 返 回 上 页 下 页 4通用的内容交换框架GOEP Generic Object Exchange Profile GOEP定义了一套用于内容交换的协议和过程比如将数据从一个蓝牙设备

23、如何传送到另一个蓝牙设备以及如何从另一个蓝牙设备接收数据等一些用户模块如文件传输和同步等都基于这个框架典型应用这个框架的蓝牙设备是笔记本电脑PC机移动电话和智能电话等 返 回 上 页 下 页 四 蓝牙硬件的实现 返 回 上 页 下 页 各部分的功能 蓝牙基带控制器是蓝牙芯片硬件模块的关键模块它主要由链路控制序列发生器可编程序列发生器内部语音处理器共享RAM仲裁器及定时链管理加密解密处理等功能单元组成其主要功能在微处理器模块控制下实现蓝牙苛带部分的所有实时处理功能包括负责对接收的bit流进行符号定时提取和恢复分组头及净荷的循环冗余度校验CRC分组头及净荷的前向纠错码FEC处理和发送处理加密和解密

24、处理等且能提供从基带控制器到其他芯片的接口诸如数据路径RAM客户接口微处理器接口脉码调制接口PCM等 1蓝牙基带控制器 返 回 上 页 下 页 2无线收发器模块 无线收发器是蓝牙设备的核心任何蓝牙设备都要有无线收发器它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小功率小目前生产的蓝牙无线收发器的最大输出功率只有100mW25mW1mW三种它由锁相环发送模块和接收模块等组成发送部分包括一个倍频器且直接使用压控振荡器调制接收部分包括混频器中频器放大器鉴频器以及低噪音放大器等无线收发器的主要功能是调制解调帧定时恢复和跳频功能同时完成发送和接收操作发送操作包括载波的产生载波调制功率控制及自动增益控制接

25、收操作包括频率调谐至正确的载波频率及信号强度控制等 返 回 上 页 下 页 3微处理器CPU CPU负责蓝牙比特流调制和解调后的所有比特级处理且还负责控制收发器和专用的语言编码和解码器 4Flash存储器和SRAM Flash存储器用于存放基带和链路管理层中所有的软件部分SRAM作为CPU的运行空间在工作时把Flash中的软件调到SRAM中 返 回 上 页 下 页 5语音编解码器CODEC Coder Decoder 语音编解码器CODEC由DAC 数模转换器 模数转换口ADC数字接口编码模块等组成主要功能提供语音编码和解码功能提供CVSD Continuous Variable Slope

26、Delta Modulation 即连续可变斜率增量调制及对数PCM Pulse Coded Modulation 即脉码调制两种编码方式 返 回 上 页 下 页 6蓝牙测试模块 它是由DUT Device Under Test 即被测试模块与测试设备及计量设备组成一般测试设备和被测试设备构成一个微微网测试设备对整个测试过程进行控制其主要功能提供无线层和基带层的认证和一致性规范同时还管理产品的生产和售后测试 返 回 上 页 下 页 7UART 通用异步收发器和USB通用串行接口 提供到HCI Host Controller Interface 即主机控制器接口传输层的物理连接是高层与物理模块进

27、行通信的通道 返 回 上 页 下 页 五 蓝牙技术的安全机制 蓝牙技术提供了一种短距离的无线通信标准同其他无线技术一样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 返 回 上 页 下 页 返 回 上 页 下 页 二LLC帧结构 1LLC数据帧 LLC数据帧由三个位场即标识符场数据长度码 DLC-Data Length Code 场和LLC数据场组成 如图 2LLC远程帧 LLC远程帧由两个位场 标识符场和DLC场 组成 标识符格式与数据帧标识符格式相同如图所 示 返

28、 回 上 页 下 页 二 媒体访问控制 MAC 子层 MAC子层可划分为相对独立工作的两个部分即发送部分和接收部分 发送部分功能为发送数据封装包括接收LLC帧及控制信息CRC计算在LLC帧的基础上附加MAC特定信息构造MAC帧发送媒体访问管理确认总线空闲后开始发送并应答包括MAC帧串行化插入填充位 位填充 在丢失仲裁情况下退出仲裁并转入接收方式错误检测 监控格式校验 应答校检确认超载条件构造超载帧构造出错帧输出串行位流至物理层 一MAC子层功能 返 回 上 页 下 页 接收部分功能为接收媒体访问管理包括由物理层接收串行位流解除串行结构并重新构筑帧结构检测填充位 解除位填充 错误检测发送应答构造

29、错误帧并开始发送确认超载条件重激活超载帧结构并开始发送接收数据卸载包括由接收帧中去除MAC特定信息和输出LLC帧和控制信息至LLC子层 返 回 上 页 下 页 二MAC帧类型及结构 a MAC数据帧结构 b 仲裁场结构 c 控制场结构 d CRC场结构 e ACK场结构 返 回 上 页 下 页 CAN系统中数据在节点间发送和接收四种不同类型的帧下面以CAN 20A为例论述MAC层的帧类型 1MAC数据帧 数据帧将数据由发送器传至接收器MAC数据帧由七个不同位场构成如图834所示它们是帧起始 SOF-Start Of Frame 仲裁场控制场 两位保留DLC场 数据场CRC场ACK场和帧结束 E

30、OF-End Of Frame 1 帧起始 SOF 标志数据帧和远程帧的起始它由 单个显性位构成所有节点必须同步于SOF的上 升沿 2 仲裁场由来自LLC子层的11位标识符和 RTR Remote Transmission Request 位构成 在MAC数据帧中RTR位数值为0 返 回 上 页 下 页 3 控制场由六位构成包括2位用于未来DLC扩展的 保留位r0rl和4位数据场长度编码 DLC 4 数据场MAC数据场与LLC数据场格式相同由08 个字节组成 5 CRC场包括CRC序列及CRC界定符 6 ACK场ACK场为两位ACK隙和ACK界定符 ACK隙是隐性位所有无错误地接收到该数据帧

31、的节点以显性位改写此隐性位作为应答 ACK界定符为ACK场的第二位也是 隐性位 7 帧结束 EOF MAC的每个数据帧和远程帧均由7个 隐性位构成帧结束标志 返 回 上 页 下 页 2MAC远程帧 用以请示发送具有相同标识符的数据帧远帧程由 6个位场构成帧起始 SOF 仲裁场控制场CRC场ACK场和帧结束 EOF 如图所示 仲裁场由来自LLC子层的标识符场和RTR位构成注意在MAC远程帧中RTR位数值为1 帧起始 SOF 控制场CRC场ACK场和帧结束 EOF 等位场与MAC数据帧的相应场相同 返 回 上 页 下 页 3出错帧 CAN是广播式发送总线上的每一个节点都对帧接收校验如果发现错误就向

32、总线发出错帧出错帧由两个不同场构成如图 出错帧结构 返 回 上 页 下 页 1 错误标志 活动错误标志由6位连续的 显性位构成 认可错误标志由6位连续的 隐性位构成 由于每个节点都可能同时检测到错误 如总线故 障 所以可能同时发送错误标志由于出错帧没有 严格的同步规则所以各节点的错误标志场将在总 线上叠加使得总线上呈现的错误标志场大于6 位但最长是12位 2 错误界定符 错误界定符由8位隐性位构成发送错误标 志场后每个节点送出隐性位并监控总线直 至检测到隐性位此后它开始发送剩余的7个 隐性位作为错误界定符 返 回 上 页 下 页 4超载帧 超载帧为相邻的数据帧或远程帧之间提供附加延时超载帧包括

33、两个位场超载标志和超载界定符如图836所示超载标志由6个显性位构成当某节点的超载标志出现在总线上时所有其他节点都将检测到也发送超载标志由于超载帧没有严格的同步规则所以各节点的超载标志场将在总线上叠加使得总线上呈现的超载标志场大于6位但最长是12位超载界定符由8位隐性位构成发送超载标志后每个节点均监总线直至检测到隐性位此时每个节点完成送出超载标志并且所有节点同时开始发送剩余的7个 隐性位以完成8位长度超载界定符 超载帧结构 返 回 上 页 下 页 5帧间空间 数据帧和远程帧同前述的任何帧 数据帧远程帧超载帧 以帧间空间隔开但超载帧间无帧间空间分隔超载恒和错误帧前面不存在帧间空间帧间空间包括间歇场

34、和总线空闲场如果先前是错误认可型的出错帧则还有中间暂停发送场 返 回 上 页 下 页 b错误认可的帧间空间 a非错误认可的帧空间 返 回 上 页 下 页 1 间歇场 间歇场由 3个 隐性位构成间歇期间不允许节 点开始发送数据帧或远程帧仅起标注作用 2 总线空闲场 总线空闲时间可以是任意长度总线空闲时任 何节点均可访问总线以便发送如果在总线空闲 期间检测到总线上显性位将被理解为数据帧或 远程帧 的帧起始SOF 3 暂停发送场 某节点的 错误一认可出错帧完成发送后紧随 同歇场发送八位隐性位作为暂停发送场其 间若有其他节点的发送启动则该节点中断后 面的其他位立即将变为接收器 返 回 上 页 下 页

35、三MAC帧编码和发送接收 帧起始仲裁场控制场数据场和CRC场均以位填充方法进行编码当发送器在发送位流中检测到5个数值相同的连续位 包括填充位 时它在实际发送位流中自动插入一个补码如下所示 末填充位流 100000abc 0111111abc 填充位流 1000001abc 0111110abc 其中abc 01 返 回 上 页 下 页 数据帧或远程帧的其余位场 CRC界定符ACK场和帧结束 为固定形式不进行位填充错误帧和超载帧也为固定格式同样不使用位填充方法进行编码发送器和接收器对帧的有效时点是不同的对于发送器若在帧结束完成前不存在错误则该帧为有效对于接收器若在帧结束最后一位前不存在错误则该帧

36、为有效 返 回 上 页 下 页 四媒体访问和仲裁 在间歇场中未检测到显性位即认为总线被所有节点释放允许节点访问总线帧可以起始发送发送期间发送数据帧或远程帧的节点为总线主站当许多节点一起开始发送时会产生冲突解决冲突的机制是非破坏性的优先权逐位仲裁规则数据帧和远程帧的优先权标注于帧的仲裁字段中较高优先权的标识符具有较低的二进制数值若具有相同标识符的数据帧和远程帧同时被发送按照RTR位数据帧较之远程帧具有较高优先权 返 回 上 页 下 页 五错误检测和CAN节点的状态 MAC子层具有监测总线填充规则校验帧格式校验CRC校验和应答校验当检测到以上这些错误时LLC子层即被告之并且MAC子层启动发送出错帧

37、在CAN总线任何一个节点可能处于下列三种状态错误激活 error active 错误认可 error passive 和总线关闭 返 回 上 页 下 页 在每一个节点的MAC层都有两个错误计数器发送错误计数器 TEC 和接收错误计数器 REC 根据计数器的值决定节点的状态和变化如图839节点初始化后REC和TEC为零节点是错误激活状态当检测到发送错误TEC增加检测到接收错误REC增加如果发送成功TEC减少接收成功REC减少计数器采用非比例计数的方法出错计数的比例大于成功计数的比例错误计数器的内容反映了总线干扰的相对程度当REC或TEC大于127则由激活状态变为认可状态当TEC大于255节点由认

38、可状态变为总线关闭状态 返 回 上 页 下 页 允许认可激活状态的节点继续参加总线通信当它们监测到错误时所不同的是错误认可状态节点发具有认可错误标志的出错帧错误激活状态节点发具有活动错误标志的出错帧 不允许 总线关闭的节点参与通信即不发送也不接收只有应用户的干预或其他节点的请求才能恢复通信 返 回 上 页 下 页 三 物理层 从实际应用的角度CAN的物理层主要包括接口的连接方式总线电平和传输速率等内容CAN总线电气连接为对称差分驱动总线末端均应接入电阻以抑制反射CAN中的总线数值为显性 Dominant 或隐性 Recessive 显性表示逻辑 0隐性表示逻辑 1 CAN总线具有 线与的能力显

39、性和隐性位同时发送总线数值是显性显性隐性状态在总线上的差分电压表示如图839所示CAN的传输速率与节点之间的距离有关在没有中继的情况下它们的关系如图840所示由图可知距离速率积约为常数即距离速率 40M mbps 返 回 上 页 下 页 图839 CAN总线的数值表示 返 回 上 页 下 页 图 840 CAN总线有效度与传输速率的关系 86 蓝牙技术 下 页 上 页 返 回 蓝牙技术是一项开放的全球统一的短距离无线通信协议标准它的目的是取消线缆及不兼容的标准将无线电接收装置内嵌于蓝牙芯片中在将芯片整合在设备内各设备间自由连通实现无线通信蓝牙作为短距离连接技术的新贵近年来发展迅速应用广泛 下

40、页 上 页 返 回 maxbook118com 蓝牙技术的产生及概况 最早提出蓝牙概念的是爱立信移动通信公司1994年Ericsson公司倡导建立一种低功耗低成本的无线连接口以解决互连设备间的电缆问题这个问题的提出直接引出了蓝牙的产生1998年Ericsson与Nokia IBM Intel Toshiba公司成立了 SIG special Interest Group 并将这项技术正式命名为蓝牙现在蓝牙规范已制定该项技术已得到大多数公司的支持许多公司都推出了自己的蓝牙产品蓝牙芯片的厂商正致力于大力降低芯片的价格蓝牙不单单是线缆的替代品它作为一种无线连接方案已初露锋芒逐渐扩展到多个领域并日趋成

41、熟 蓝牙技术指标和系统参数 返 回 上 页 下 页 一 蓝牙技术与其他无线技术的比较 蓝牙技术作为一个全球公开的无线应用标准通过把数据设备用无线链路连接起来使人们能随时随地的进行数据信息的交换和传输随着蓝牙技术的不断完善其芯片制造工艺的不断改进价格的大幅度降低将使其大规模应用成为可能并逐渐走向人们的生活 返 回 上 页 下 页 1使用24GHz的ISM公用频段可不必申请专用许可证 2以时分双工进行全双工通信理想通信距离为10cm到10m增加发射功率可达100m 3采用快频段短分组和前向纠错技术可有效降低干扰提高通信的安全性 4唯一的48位BD_ADDR 5通信协议采用分层结构支持语音数据访问点

42、外设连接个人网络PAN等三大范畴的应用 蓝牙技术有如下特点 返 回 上 页 下 页 6采用FM调制方式使设备变得更加简单可靠使终端更加轻便 8每一话音通道可支持速率64kbits的同步 话音异步通道可支持前向速率721kbits反向速率576kbits的非对称连接或者速率4326kbits的对称连接 7业务分配灵活可以支持一个异步数据通道或者3个并发的同步语音通道或者一个同时传送异步数据和同步话音的通道 返 回 上 页 下 页 一蓝牙技术与红外线技术 红外线技术是目前应用最广泛的无线传输技术与蓝牙技术相比红外技术发展已经非常成熟其较蓝牙技术最大的优点是价格低廉并且传输速度快但是蓝牙技术在连接方

43、式和安全性方面却有着一定的优势蓝牙技术支持点对多的通信一个设备可以同时和7个设备连接起来而红外线技术只有两个设备相互连接同时蓝牙技术不像红外线传输那样对发送和接收数据的接口方向性有那么高的要求在接收距离内蓝牙设备可以不必对准即可进行通信传输对于有安全需求的地方蓝牙技术也稍显优势总的来说蓝牙技术与红外线技术是各有优缺点但是蓝牙技术较红外线技术有更多的优点所以蓝牙技术将有更大的发展潜力 返 回 上 页 下 页 二蓝牙技术与IEEE80211b IEEE80211b是继IEEE80211之后制定的新的高速无线局域网标准其传输速率可到达11Mbs并与IEEE80211完全兼容IEEE80211b的发射

44、功率较高传输距离可达100m最大传输速率为11Mbs就传输速率来看蓝牙技术更适合个人携带的信息传输量较小的设备而对于对传输速率要求极高的情况下IEEE80211b则更适合带有蓝牙技术的芯片能够做到非常小并且因为其低功耗支持省电模式而使其价格远远低于价格昂贵的80211b组件由于其本身的短距离传输速率较低的性质在多终端同时高速联入网络时就显得力不从心所以目前许多企业建筑群飞机场等网络范围较大传输速率较高的地方采用IEEE80211b 返 回 上 页 下 页 三蓝牙技术与HomeRF HomeRF与蓝牙技术相似其发展目的是为了实现无线家庭网络将家用电器如电视机电冰箱电话PC等设备以无线电波相互连接

45、起来其工作频段是24Ghz支持数据和语音HomeRF在技术上与蓝牙技术有很多相似之处它也采用跳频技术只不过其频率跳跃为50次s传输距离为50m传输速率可以达到2Mbs同时支持6路语音通道同一个网络中可以最多连接设备128个每个设备在网络中都是独立的不受中央节点控制与蓝牙技术相比HomeRF更侧重的是低成本的家庭语音和数据无线通信以及PC和其外设连接的无线局域网 返 回 上 页 下 页 总结 就无线通信来说蓝牙技术IEEE80211bHomeRF三种短距离无线通信传输标准各有优缺点因此在不同技术要求的场合下用户可以各取所需随着技术的不断发展它们也在不断的日趋完善 返 回 上 页 下 页 返 回

46、上 页 下 页 5USB总线的通信流 USB通信可以分为配置通信和应用通信在配置通信中主机通知设备使设备准备好交换数据这类通信主要发生在上电或连接时主机检测到外设的时候应用通信出现在主机的应用程序与一个检测到的外设交换数据的时候是实现设备目的的通信例如对键盘来说应用通信是发送按键数据给主机告诉一个应用程序显示一个特性或执行某种动作主机上的软件通过一系列的通信流与逻辑设备进行通信 返 回 上 页 下 页 1设备端点 每个USB设备内有一个或多个逻辑连接点称为端点 Endpoint 端点是USB系统用来交换数据的特定逻辑地址每个端点都有自己的特性和用途对主机来说不同的端点实际上就是对应的不同的数据

47、缓冲区对设备来说不同的端点对应不同的硬件电路每个端点在设备出厂时已定义好主机只能通过端点与设备进行通讯在USB协议规范中用4位地址标识端点地址每一个端点都有唯一的地址每个设备最多有16个端点每个端点都有一定的特性包括端点号传输方式总线访问频率带宽数据包的最大容量等等每个端点指定一种传输类型所有设备都有一个端点0通常为控制端点用于配置和控制各设备其他端点在设备配置后才能生效 返 回 上 页 下 页 2管道 管道Pipe是USB系统通信驱动程序和端点组成的通信通道其中传输的数据称为通信流可实现主机的一个内存缓冲区和设备的端点之间的数据传输主机USB系统软件和设备的端点0之间的连接称为缺省管道默认管道管道只有主机和设备连接配置生效后才能形成管道的序列号是主机临时给定的当设备从主机移去时管道同时取消 返 回 上 页 下 页 管道分为流管道 Stream Pipe 和消息管道 Message Pipe 流管道在传输数据时对数据分组没有结构要求数据在管道中以顺序先进先出方式单向传输支持批量同步和中断传输方式消息管道通常以双向方式与端点进行数据传输通信流具有一