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1、中文摘要摘要蓝牙通信技术具有很多优点，但蓝牙通信技术在安全方面仍存在一些隐患。由于蓝牙系统的移动性和开放性，使得其安全问题显得尤为重要。蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，利用蓝牙技术能够有效地简化掌上电脑、笔记本电脑和移动电话等移动通信终端设备之间、以及这些设备与因特网之间的通信，从而使这些现代化通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速、高效，为无线通信拓宽道路。信息安全在网络迅猛发展的今天，已经成为不容忽视、而且必须解决的问题。自1998年以来，蓝牙技术已广泛应用于个人办公或商务环境中，但是蓝牙通信技术在安全方面仍存在一些隐患。由于蓝牙系统的移动性和开放性，使得其安全问题显得尤为重要。目前
2、关于蓝牙安全研究大部分是蓝牙白皮书规范展开的，虽然Linux内核已经实现了蓝牙通信协议栈，但是采用简单安全机制。由此引发了对蓝牙技术安全性的研究。本论文目的是提高Linux系统所实现的蓝牙技术中的安全机制。本论文首先在深入了解蓝牙技术的白皮书发展历程的基础上，然后研究了蓝牙通信协议栈中专为蓝牙通信开发的核心协议，对蓝牙技术规范和网络安全机制进行了分析，并试用更先进的算法代替已有算法。主要工作包括为: 研究了蓝牙技术特点及蓝牙的组网拓扑，研究了蓝牙技术协议栈，阐述了蓝牙技术体系轮廓和安全技术框架。根据已经提出的蓝牙安全策略及其实现技术，试实现蓝牙数据DES加密的解决方案。对Linux内核及Lin
3、ux下各种加密算法进行粗浅解析。关键词：蓝牙通信:密钥交换;DES加密;网络攻击与安全，数据加密算法 ，Linux内核AbstractAlthough Bluetooth technology has some advantages, it has some potential problems on security. Considering the open property and mobility of Bluetooth system, the network security is very serious.Bluetooth is a short-range wireless c
4、ommunication technology. It can simplify the Communication among mobile terminals like pocket PC, laptop, and cell phone effectively, as well as these equipments access to the Internet so as to make the data transmission between these modem communication equipments and the Internet more rapid and ef
5、fective so that it can broaden the road for wireless communication.Since 1998 , Bluetooth has been greatly used in public office or commercial environments, and has brought a widely research in the Bluetooth security of the technologies . .Based on deeply understanding the historythe study of Blueto
6、oth technology, this paper works on the communication protocol stacks of Bluetooth including some special core and inherited protocols specially developed for Bluetooth analysis the Bluetooth network security technology and try to use the DES arithmetic instead of the E0 arithmetic to make it more s
7、ecurity.Main work is : This thesis worked on Bluetooth specific and its network structure .Worked on Bluetooth protocol stacks, described Bluetooth outline and its security technology frame. By the already exists Bluetooth security tactics and secure technologies, try to realize the DES encryption i
8、n Bluetooth. Do my best to learn the kernel of Linux and studied most of the crypto files and encryption arithmetic.Key Words: Bluetooth Communication; DES Encryption; Network Attack and Security, Data encryption arithmetic, Linux kernel.目录中文摘要1Abstract21引言51.1概述61.2蓝牙名称的由来71.3蓝牙技术国内外研究动态71.3.1国外研究动
9、态71.3.2国内研究动态81.4蓝牙技术及产品发展现状分析91.5本文主要内容112蓝牙技术简介112.1蓝牙技术概况112.2蓝牙关键技术分析介绍122.2.1选择频段、地址码、速率122.2.2跳频扩频与纠错的方案132.2.3射频特性132.2.4链路类型132.2.5安全机制142.3主要技术指标和系统参数142.4蓝牙技术体系结构152.4.1蓝牙硬件系统162.4.2蓝牙软件系统182.6蓝牙技术的特点232.7蓝牙技术的应用243.蓝牙安全系统分析253.1概述253.2.2蓝牙认证过程293.3蓝牙高层安全机制303.4.1蓝牙安全性机制的现状313.5蓝牙系统的安全风险与安
10、全威胁323.6蓝牙安全性分析及建议334 DES数据加密方法在蓝牙技术中的应用344.1蓝牙技术标准中采用的加密算法存在的问题344.1.1蓝牙安全架构的局限性344.1.2 E0流密码算法354.1.3线性反馈寄存器LFSR354.1.4 PIN问题354.2 DES算法374.3 适用于蓝牙技术加密的DES算法原理及实现384.3.1适用于蓝牙技术的DES算法描述384.3.2为实现E0算法的改造，已做工作有：39结论49参考文献501引言1994年蓝牙的名称问世10余年来，蓝牙技术的快速发展不仅填补了近距离无线通信的空白，更重要的是极大地推动、扩大并完善了无线通信的应用范围。从一开始人
11、们期待它能取代家用电器之间互连的线缆，发展到今天进入蓝牙微微网中的各种数据与语音能以极为便利的方式完成交换，蓝牙技术越来越受到人们的关注。蓝牙技术，其英文名为Bluetooth，是1998年由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝等5家公司联合制订的近距离无线通信技术标准。蓝牙的出现是用户需求和通信技术发展的必然。像PDA和移动电话一样，蓝牙产品也是用来满足人们对移动性的需求，但是，与它们相比，蓝牙产品更具有划时代的意义。首先在技术上，它不仅使用成熟、实用和先进的无线技术替代了电缆，而且以网络的形式把所有的固定和移动设备连接在一起;其次在应用范围上，它把无线通信、计算机网络和家电等有机地结合在一
12、起，实现了前所未有的大融合; 最后在开发策略上，蓝牙技术的推动者提出了竞争前合作的思想，开放协议，实现全球统一 。自1998年蓝牙特别兴趣小组成立以来，在短短的几年内，就有近2500多家公司加入，其中包括了信息行业和电子行业所有世界知名的厂家，覆盖了与电子相关的各个行业。蓝牙最初的目标是代替现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的电缆连接。在制定蓝牙规范之初，就建立了统一全球的目标，向全世界公布。工作频段为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和医学(ISM) 频段。由于蓝牙体积小、功率低，其应用研究己经不限于计算机的外设，几乎可以被集成到任何数字设备当中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移
13、动设备和便携式设备。应用前景非常广阔。由于蓝牙协议的公开性和频带的无须授权性得到了越来越广泛的应用。但是由于蓝牙网络存在移动性和开放性，没有中心结点并且计算能力很弱，就使得其安全保护存在一定复杂性，虽然蓝牙系统的快速跳频机制和短分组技术能够对防止干扰和攻击起一定作用，但这种安全功能是十分有限的，且蓝牙的流加密本身存在易被破解的弱点。并试图在蓝牙技术中实现DES数据加密来代替流加密，以增强系统的安全性。1.1概述人类正在步入数字化网络信息时代，而数字化设备的有线连接给人们随时随地与信息网络相连和通信带来了很多不便.发展无线通信连接技术，将人们从有线连接的束缚中解放出来，已经成为一种必然趋势。在这
14、方面，移动电话的迅猛发展就是一个例子，广大用户已经深刻地体会到无线技术带来的自由、灵活和便捷。随着计算机技术和移动通信技术的迅猛发展，人们感到越来越迫切需要发展小范围的无线数据与语音通信技术。手机、掌上电脑、便携式电脑、鼠标、键盘、打印机、扫描仪、数码相机、调制解调器等设备逐渐随着计算机网络技术的发展渗透和普及到社会的各个应用领域，信息家电在不久的将来也会很快渗入到人们生活的方方面面，将会对人们的学习、工作和生活起到很大作用，并在很多方面对人们原有的生活方式和现有的生活理念产生了强烈的影响。人们无法想象，如果人们的生活中缺少了这些现代化设备将如何生活和工作。但是，这些现代化设备在为我们提供快捷
15、、高效的生活和工作方式的同时，也为我们带来了不小的麻烦:所有的设备都有各不相同的多种接口，为了使这些各自独立的设备能够连接起来协同工作，人们采用了各种形式不同的连线将这些设备相互连接在一起，这项工作对专业人士来讲，虽不是什么难事，但为了在有限的空间合理布置这些连线，却是一件十分费神的麻烦事:而对非专业人士来讲，如何将这些设备正确地连接起来，确实是一件难以应付的工作。至于移动办公，在这种需要进行复杂的线缆连接到网络环境里几乎不可能。传统局域网络己经越来越不能满足人们对移动和网络的需求，因此如何减少这些繁杂的连线过程，使大家能够方便快捷地实现数据、语音的快速连接，成为当前人们最为关注的问题之一，这
16、种情况下，蓝牙技术应运而生。事实上，多年以来，一些公司和标准化组织开始探寻在不同领域的无线连接技术，并且开发出一系列技术标准，其中有些标准得到了很好的应用。在这些无线技术之中，蓝牙无线通信技术的发展最快，得到的支持最多，具有广阔的应用前景。蓝牙技术是由蓝牙特别兴趣集团(SIG)于1998年提出的。SIG最初由 IBM、INTEL、NOKIA、ERICSSON、TOSHIBA等公司组成。目前，加入SIG的企业已经达到两千多家，在短短两年时间里，SIG成员几乎攫盖了全球通信、网络、芯片、外设、软件等行业中人们熟知的大企业，其发展势头异常迅猛。蓝牙技术诞生的初衷是将智能移动电话与笔记本电脑、掌上电脑
17、、HPC、PDA、打印机、传真机、数码相机和各种数字化信息设备，在短距离用无线的方式把它们连接起来，形成一个小范围的网络，在其范围之内，实现各种信息化移动设备之间的资源共享。根据预测，在几年以后，将会有大量的数字移动电话、PC 机以及各种信息设备都把蓝牙技术的无线接口作为一种标准配置。1.2蓝牙名称的由来“蓝牙”的名称来源于古代丹麦的一位国王的名字。Harald Bluetooth是公元10世纪的一位丹麦国王，据说在他统治期间，将当时的瑞典、芬兰与丹麦成功地统一起来，形成了一个强大的联合王国.因为 Harald 国王有联合他人的能力，而蓝牙技术和Harald-样能够联合人们，使他们能够相互交流
18、、交谈，此由于有国王Harald Bluetooth这位联合者，人们接受了美国英特尔公司的Jim Kardach的提议，将这项专门用于联合的技术命名为蓝牙技术。以Bluetooth命名这种新技术，同时也隐含着人们对将计算机行业、通信行业、信息家电行业等各自为战的局面统一起来的希望。出于对国王Harald的尊重，官方的蓝牙标志 (如图1.1所示) 由古代北欧文字的H和B组成 ，也代表Harald Bluetooth。 图1 .1 蓝牙官方标志Fig.1. 1 Official sign of Bluetooth1.3蓝牙技术国内外研究动态1.3.1国外研究动态自1994年爱立信提出蓝牙技术以来，
19、这项低功耗、低成本的无线连接技术己经获得了巨大的发展。从整体发展来看，蓝牙技术从提出到现在大约经历了3个阶段。(1) 蓝牙技术的提出1994年，爱立信的工程师苦恼于日益增多的连接线缆，提出了使用无线通信技术来代替线缆连接的思想。并将这种技术命名为“Bluetooth”（ 蓝牙）。由于哈拉德国王为统一四分五裂的瑞典、芬兰、丹麦立下了不朽的功劳。爱立信公司用他的名字来命名这一新的技术标准，显然含有将计算机行业、通信行业、家电行业等各自为战的局面统一起来的含义。(2) 蓝牙技术的发展1998年5月，爱立信 (Ericsson) 联合诺基亚 (Nokia) 、东芝 (Toshiba) 、IBM和英特尔
20、 (Intel) 这4家公司一起成立了蓝牙特殊利益集团 (Special interest Group, SIG) 。加大了对蓝牙的投资力度，他们主要致力于蓝牙协议的研究制订、产品测试，并协调各国蓝牙的具体使用。3Com，朗讯(Lucent)，微软(Microsoft)和摩托罗拉(Motorola)很快加盟SIG,与SIG的五个创始公司一同成为SIG的九个倡导发起者。SIG着眼于全球的发展与应用，将蓝牙技术标准完全公开，1999年7月SIG公布了蓝牙规范1.0版，1999年12月公布了蓝牙规范1.0b 版;2001年4月公布了1.1版 本蓝牙规范。这标志着蓝牙技术已经初具雏形。此后，声称支持蓝
21、牙协议的企业也日益增多。(3) 蓝牙技术的逐渐成熟截至目前，蓝牙特殊兴趣小组的成员己经超过了2500家，几乎覆盖了全球各行各业，包括通信厂商、网络厂商、外设厂商、芯片厂商、软件厂商等，甚至消费类电器厂商和汽车制造商都加入了SIG。蓝牙技术的飞速发展，从来没有哪个无线通信标准联盟的成长能达到这个速度。从2000年初蓝牙芯片发售以来，包括爱立信、剑桥硅无线电 (Cambridge Silicon Radio, CSR) ，摩托罗拉等在内的多家公司都己经开始制造和发售蓝牙芯片或模块，产品的体积越来越小，价格越来越低。目前已经有500多种蓝牙产品获得了SIG的认证并被推向市场。蓝牙技术包括蓝牙协议、蓝
22、牙芯片、蓝牙模块、各种蓝牙应用系统等，目前，国外只有少数几个厂家能够自行研制蓝牙芯片和蓝牙应用系统。而蓝牙技术成熟后的发展过程大致可分为分为三个阶段：第一阶段：2000-2002年，蓝牙以配件或附件形式出现，体积较大，价格较贵，主要面向公司团体和商业人士的高档手机和便携式PC。第二阶段：2003-2005年，蓝牙进入实用化，以单芯片形式出现并嵌入到PC、移动电话和PDA等设备中，体积小，价格适中，相关的应用经得起考验，与蓝牙相关的认证和测试也都完善起来，蓝牙产品的需求量急剧增加。第三阶段：2005年以后，基于蓝牙的行业应用大量涌现，由蓝牙技术构成的个人无线网（WPAN）随处可见，届时蓝牙价格已
23、经不是问题，其应用就如今天的因特网一样普遍。蓝牙营造的全球一体化市场将取得可观的效益。1.3.2国内研究动态国内对蓝牙技术的研究起步较晚，高校、科研单位、企业在1999年以后才对蓝牙技术进行了较多的关注和跟踪。就中国当前信息技术产品的普及情况来看，蓝牙技术是比较适合的。因为在美国等一些发达国家，家庭计算机的普及率很高，因而其家庭联网的主要对象将是以计算机和外设为主。而我国则拥有世界之最的巨大的家用电器市场，移动电话用户的增长也是非常迅速。便携式信息终端是真正面向个人的网络终端，拥有的市场前景非常广阔。除了信息家电，开发适合我国国情的蓝牙技术产品也是十分有意义的。目前，国内研究蓝牙技术的机构并不
24、多，且主要是进行蓝牙技术上层应用的开发。具体主要有以下几个方面的研究与开发：(1) 蓝牙技术研究分析：重点分析蓝牙有关技术标准和通信协议，蓝牙模块的组成和接口技术，开发应用编程接口，并不断跟踪国外有关蓝牙技术和产品的发展信息。(2) 利用蓝牙开发应用产品。(3) 以蓝牙设计中心为基础与国外蓝牙芯片模块厂商建立国内代理业务。(4) 开发蓝牙芯片：在发展蓝牙应用的基础上，考虑开发设计自主版权的蓝牙芯片和模块，以逐步取代国外的蓝牙模块。虽然，由于蓝牙技术的发展速度一直未达到预计的要求而使一些业内人士对蓝牙技术产生了怀疑，但是作为一种前景光明的连接技术，蓝牙仍以惊人的速度向前发展。目前 国内还不能开发
25、蓝牙芯片，主要是开发蓝牙模块和各种蓝牙应用系统。在开发蓝牙模块和蓝牙应用系统中，关键的工具或者说技术就是蓝牙开发平台。掌握蓝牙核心技术、拓展蓝牙应用、建立蓝牙产业，蓝牙开发平台是必备的工具之一。国外只有少数几个厂家能够自行研制蓝牙开发平台，例如爱立信(Ericsson)和剑桥硅无线电(Cambridge Silicon Radio ,CSR)。国内只有南京东南大学和重庆蓝牙技术研究所少数几家在开发蓝牙开发平台，而且技术水平与国外相比还有很大的差距。其主要原因是国内蓝牙技术起步较晚、对蓝牙HCI指令和蓝牙规范的研究较少、芯片还主要依赖进口。现在随着蓝牙技术在全球的兴起，国内从事该研究的人员也逐渐
26、增多。正如单片机开发系统广泛应用于单片机应用系统的开发中一样，随着蓝牙芯片价格的不断下降，国内各蓝牙开发厂家、大专院校、科研研究所对蓝牙开发平台的需求会日益增长，蓝牙开发平台具有巨大的市场空间。1.4蓝牙技术及产品发展现状分析蓝牙技术是一种实现无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别的短程无线电技术.其最初目的是实现最高传输速度为1Mbps (有效传输速度721kbps) 、最大传输距离为10米 (增大发射功率可达100米) 的无线通信连接。蓝牙技术的实质内容是要建立通用的无线电空中接口及其控制软件的公开标准，使通信技术和计算机
27、技术进一步结合，使不同厂商生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。下一代高速蓝牙决定采用超宽带(UWB)技术。现有蓝牙规格在物理层中采用基于跳频方式的频谱扩散技术。作为其传输技术，将来准备采用UWB这一方针是由蓝牙标准化团体美国蓝牙兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth S IG)于2004年宣布的。蓝牙规格对物理层与MAC层以及上层的应用层做了相应的规定。蓝牙兴趣小组有关人士此前已经提到将来有可能将UWB用作物理层。该小组表示，“蓝牙己被大量应用于手机，而且认证程序也己经完善。假如再结
28、合UWB，就将能够实现面向便携终端高速无线通信的最佳接口”。飞思卡尔的XS110 DS-UWB解决方案己在2004年通过美国联邦通讯委员会(FCC)认证，目前己可提供110 Mbps的通讯速率，通讯范围也已达20米。XS110支持USB2.0、mini PCI、IE EE1394及Compact Fl ash等接口及TCP/IP协议。2004年11月，蓝牙兴趣小组曾向业界介绍了今后的举措，比如，降低耗电量，以便用于传感器网络终端，以及长距离传输等。客观地说 ，蓝牙采用的技术中有些并非是当前该领域最先进的技术。蓝牙的目标是全球通用、价格低廉、结构紧凑，因此它并不强调技术的先进性。蓝牙技术自提出以
29、来，在短短2年里已风靡全球。目前全球己有2000多家企业推出了蓝牙芯片、蓝牙平台、应用程序、测试设备等产品。蓝牙技术推出以来，经过不断的研发和改进，技术已经臻于成熟，并在移动通信、汽车、笔记本电脑、PDA.家庭娱乐等广泛的领域获得众多厂商和用户的追捧。蓝牙技术的应用前景十分广阔，具权威的市场调研机构In-Stat报告，蓝牙已确立了作为语音和数据传输的短距离无线解决方案的地位，据In-Stat统计，2004年蓝牙芯片出货量达到1.15亿片，比2003年增长92.3%，而预计2005年蓝牙芯片出货量达到3.16亿片，到2009年将达到8.66亿。2005年10月蓝牙技术联盟(Bluetooth S
30、pecial Interest Group)宣布，蓝牙产品每周的发货量已达到950万，创下里程碑式的重要纪录。这再一次证明蓝牙是架设个人局域网的最佳无线技术。有关专家指出，移动电话是蓝牙普及的核心。而这又帮助蓝牙渗透到其他产品，包括笔记本电脑、耳机、汽车和便携式数字音乐播放机。In-Stat的最新报告发现:面对无线USB、无线1394和Wi-Fi等的竞争，蓝牙需要不断适应。In-Stat的美国消费者家用技术调查表明，消费者对蓝牙的认识日益加深，对无绳立体声耳机的兴趣越来越大。2005年符合蓝牙2.0增强数据率(EDR)的芯片开始进入市场，提供较高的带宽和较低的功耗。虽然 ，由于蓝牙技术的发展速
31、度一直未达到预计的要求而使一些业内人士对蓝牙技术产生了怀疑，但是作为一种前景光明的连接技术，蓝牙仍以惊人的速度向前发展.1.5本文主要内容全文分为四章，具体内容如下:第一章为绪论部分，介绍了蓝牙的基本情况、蓝牙的由来、蓝牙国内外的研究动态以及蓝牙技术及产品的现状。第二章对蓝牙技术进行了详细的介绍。对蓝牙的关键技术进行了分析，给出了蓝牙的技术指标和系统参数，研究了蓝牙通信协议栈，阐述了蓝牙的技术特点及应用。第三章对蓝牙的安全系统进行了分析，讲述了蓝牙的低层安全机制和高层安全机制，分析了蓝牙的系统风险与威胁，给出了蓝牙的安全性分析与建议。第四 章 主 要是基于DES的蓝牙数据加密的实现，本章对适用
32、于蓝牙技术的DES算法进行了描述，并试图将E0加密算法的接口改为DES算法接口，并列出Linux下蓝牙链路级加密部分源码。最后是结论和参考文献。2蓝牙技术简介2.1蓝牙技术概况 蓝牙技术是一个开放性的、短距离无线通信技术标准 ，它是基于WPAN (Wireless Personal Area Network) 的无线网络连接技术，是以短程无线电收发技术为固定与移动设备通信环境建立了一个短程无线电的特别连接。它建立一个通用的无线电空中接口以及控制软件的公开标准，使无线通信技术和计算机技术紧密结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下在近距离范围内具有互用、互操作的性能，代替
33、固定与移动通讯设备之间的电缆。在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的话音和数据通信。作为 一 种 短距离的无线通信技术，蓝牙技术并不是唯一的。但是与其他相应的无线通信技术比较起来，蓝牙技术的优势在于它是全球统一的、开放的的技术标准，技术先进与成本低廉的折衷统一考虑，以及世界蓝牙组织SIG知识产权共享的巨大诱惑力。近年来，世界上一些权威的标准化组织，也都在关注蓝牙技术标准的制定和发展。例如，IEEE的标准化机构，也已经成立了802.15工作组，专门关注有关蓝牙技术标准的兼容和未来的发展等问题。IEEE802.15.1 TG1就是讨论建立与蓝牙技术1.0版本相一致的标准；IEEE802
34、.15.2 TG2是探讨蓝牙如何与IEEE802.11b无线局域网技术共存的问题;而IEEE802.15.3 TG3则是要研究未来蓝牙技术向更高速率(如1020Mbit/s) 发展的问题。关于无线局域网IEEE802.11b与蓝牙技术可以共存、相互补充的问题，许多专家己有共识，并且已经提出一些可行的技术方案进行深入的研究；例如蓝牙采用自适应跳频的方式避开无线局域网的22MHz的频段，或者对蓝牙及无线局域网的发射功率加以控制，从而使其相互之间的干扰减至最小等。与此同时，世界蓝牙组织SIG的各个技术工作组也在积极开展工作，加快制定各种实用的纵向应用规范Profiles。例如，网络打印、静态图象的传
35、输、汽车应用平台、电子商务、工业自动化及信息安全等。蓝牙使用 全球通用的ISM频段，由于这个频段对所有无线电系统都开放，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。为保证蓝牙设备在这种噪杂的无线环境中能可靠地工作，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分为若干个跳频信道，在一次连接中，无线电收发器按一定的码序列不断的从一个信道跳到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的设备干扰源不可能按同样的规律进行千扰。跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍的扩展成宽带宽，使干扰可能的影响变得很小。与其他工作在相同频段的系统相比，蓝牙跳频更
36、快，数据包更短，这使蓝牙系统比其他系统都稳定。理论上讲，这种跳频每秒为1600次，系统有78个可能的信道。在短短的十几年时间里，蓝牙技术风靡全球，什么原因使得它有如此大的影响力?本节将就蓝牙关键技术、蓝牙技术特点、主要技术指标和系统参数、蓝牙网络、蓝牙协议体系结构、蓝牙技术的特点等方面对蓝牙技术进行了比较全面的介绍和分析。2.2蓝牙关键技术分析介绍蓝牙技术的初衷是取代现有的PC、打印机、传真机和移动电话等设备上的有线接口，因而可以用无线接口来代替有线电缆连接，有很强的移植性。客观地说，蓝牙所采用的技术有些并不是当前该领域最先进的技术。蓝牙技术的目标是全球通用、价格低廉、结构紧凑和功耗低，它不强
37、调技术的先进性。2.2.1选择频段、地址码、速率蓝牙使用全球通用的2.4G Hz ISM (Industrial, Scientific and Medical) 频段，它是一个无需申请许可就可以使用的频段，因此，它消除了蓝牙技术“国界”的障碍。任何一个蓝牙设备都可根据IEEE802标准得到一个唯一的48比特的蓝牙地址码(BD_ADDR)，它是一个公开的地址码，可以通过人工或自动进行检查。在BD_ADDR基础上，使用一些性能良好的算法可获得各种保密和安全码，从而保证了设备识别码 (ID) 在全球的唯一性，以及通信过程中设备的鉴权和通信的安全保密。蓝牙的数据速率为1Mbit/s以时分方式进行全双
38、工通信，其基带协议是电路交换和分组交换的组合。2.2.2跳频扩频与纠错的方案因为ISM频段是开放的，所以运行在这一频段的无线系统会面临许多难以预测的干扰，比如某种监视器、无绳电话和微波炉都有可能是干扰源。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用的水平。为此，蓝牙特别设计了快跳频和短分组的技术，有强的抗信号衰落和低的同频干扰性，既保证了蓝牙系统比其他类似的系统更为稳定，又保证语音和数据传输的可靠性。蓝牙技术采用1/3比例前向纠错编码( FEC)，2/ 3比例前向纠错编码(FEC)和自动重发请求 (ARQ)等三种纠错方案。前向纠错的目的是为了减少数据重发的次数。但在无误码环境下，FEC产生的无用
39、检验位降低了数据的吞吐量，因此，是否采用FEC可视需要而定。分组报头含有重要的连接信息和纠错信息，始终采用1/3FEC方式进行保护性传输。在无编号的ARQ方案中，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到收到确认。只有数据在收端通过了报头错误检测和循环冗余检测认为无误后，才向发端确认消息，否则，返回一个错误消息。此外 ，话音信道采用连续可变斜率增量调制 (Continuous Variable Slope Delta, CVSD) 或脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation, PCM) ，可以处理丢失和被破坏的语音采样，即使比特错误率达到4%，用CVSD或PCM的编码还是可听
40、的。2.2.3射频特性射频是介于声音频率与红外线频率之间的电磁波频率。对于无线通信系统而言，射频部分就是通信系统的“空中接口”，不同厂商生产的设备要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也是由射频来决定的。蓝牙射频规定了蓝牙射频频段、调制方式、跳频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。蓝牙 天 线 发射功率按标称的0dBm设计，遵循FCC(美国联邦通信委员会)有关电平为0dBm的ISM频段的标准。理想的连接范围为10厘米到10米.采用了扩频技术后，发射功率达到100mw以上，通信距离延长至100米。发射功率具有自适应性。2.2.4链路类型蓝牙系统中有两种物理链路：异步无连接
41、链路ACL(Asynchronous Connectionless)和同步面向连接链路SCO( Synchronous Connection Oriented)。ACL链路是微微网主设备和所有从设备之间的同步或异步数据分组交换链路，主要用于对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据或控制信令等。SCO链路是一条微微网中由主设备维护的点对点、对称的同步数据交换链路，主要用于对时间要求很高的数据通信，如语音等。它们有着各自的特点、性能与收发规律。2.2.5安全机制蓝牙网络的安全性是蓝牙系统的关键技术，将是影响蓝牙网络能否得到广泛应用的关键因素。蓝牙网络中的安全模式分为以下三类:安全模式1:又称无安全模
42、式，运行在该模式下,蓝牙设备可以屏蔽所有的安全机制。安全模式2:称服务级安全模式，该模式为应用程序提供多种灵活的访问策略.安全模式 3:称链路级安全模式，该模式要求设备在建立链路连接前要启动链路级安全措施。 安全模式2与安全模式3本质区别在于:模式2下的蓝牙设备在信道建立以后启动安全性过程，其安全性过程在较高协议进行;模式3下的蓝牙设备在信道建立以前启动安全性过程，安全性过程在低层协议进行。 蓝牙系统采用流密码方式对信息进行加密，适合硬件实现，密钥由高层软件管理。 在蓝牙系统中认证是一个非常重要的部分,它采用“询问一应答”机制进行认证。2.3主要技术指标和系统参数蓝牙 技 术 目前主要以满足美
43、国FCC的要求为目标，对具体国度的应用可能需要做一些适应性调整。蓝牙规范1.1(Bluetooth Specification 1.1) 所公布的主要技术指标和系统参数1101如表2.1所示表2 .1 蓝牙主要技术指标和系统参数 Tab.2.1 Main technical specification and system parameter of Bluetooth技术指标与系统参数 说明工作频率 ISM频段：2402MHz2480MHz双工方式 全双工，TDD时分双工业务类型 支持电路交换和分组交换数据速率 1Mbit/s异步信道速率 非对称连接：721kb/s，57.6kb/s，对称连接
44、：342.6kb/s同步信道速率 64kb/s功率 美国FCC要求小于0bBm(1mw)，其他国家可以扩展为100mW调频频率数 79个频点/MHz调频频率 1600次/秒工作模式 Active/Sniff/Hold/Park数据连接方式 同步面向连接SCO，异步无连接ACL纠错方式 1/3FEC，2/3FEC，ARQ鉴权 采用质询响应方式信道加密 采用0位、40位、60位密钥语音编码方式 连续可变斜率调制CVSD/脉冲编码调制PCM发射距离 一般可达10cm-10m，增加发射功率可达100m2.4蓝牙技术体系结构蓝牙技术的应用需要蓝牙通信技术规范的支持。蓝牙技术规范是由蓝牙特别兴趣小组(SI
45、G)制定的，在使用通用无线传输模块和数据通信协议的基础上，开发交互式服务和应用。蓝牙协议规范的目的是符合该规范的各种应用之间能够互通，本地设备与远端设备需要使用相同的协议。但是，所有的协议都使用同一公共蓝牙规范中的数据链路层和物理层。图2.1就是互操作应用支持的蓝牙应用模型之上的完整蓝牙协议栈。图2 .1 蓝牙体系结构Fig.2. 1Structure of Bluetooth system并不是所有应用程序都利用全部协议。相反，应用程序往往只利用协议栈中的某些部分。并且，协议栈中的某些附加垂直协议子集恰恰是用于支持主要应用的服务，如TCS(语音控制规范)或SDP(服务搜索协议)等。实际上，上
46、述示意图描述的是当需要无线传输数据有效载荷时，利用其它协议服务过程中的协议关系。这些协议应具有与其它协议之间的关联。例如，一些协议 (如L2CAP、TCS二进制)当需要控制链路管理器时，可以使用LMP(链路管理器协议)。如图 2 .1，整个蓝牙协议栈包括蓝牙指定协议(LMP和L2CAP)和非蓝牙指定协议(如对象交换协议OBEX和用户数据报协议UDP)。设计协议和协议栈的主要原则是尽可能利用现有的各种高层协议，保证现有协议与蓝牙技术的融合以及各种应用之间的互通性，充分利用兼容蓝牙技术规范的软硬件系统。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可自由地选用其专利协议或常用的分公共协议，以便在蓝牙技术规范基础上开发新的应用。2.4.1蓝牙硬件系统蓝牙的硬件系统主要包括以下几个方面：(1) 射频模块对于无线通信系统来说,射频部分就是通信系统的“空中接口”,不同厂商的设备要实现兼容或者互操作的基本要求就是射频规范的统一，而且通信质量也是由射频来决定。蓝牙射频规范规定了蓝牙射频频段、调制方式、跳频频率、发射功率、接收机灵敏度等参数。(2) 基带模块蓝牙基带在蓝牙协议堆栈中位置处于底层。蓝牙设备发送数据时，基带部分将来自高层协议的数据进行信道编码，向下传给射频进行发送;接收数据时，射频将经过解调恢复空