Радиосенсоры и радиолокаторы
13.3. Радиосенсоры "Bluetooth"
Одним из примечательных достижений этого периода стало создание миниатюрных близкодействующих радиосенсоров "Bluetooth", разработка коммуникационного стандарта Bluetooth и внедрение в жизнь технологии передачи данных на небольшие расстояния с помощью радиосигналов. Эти разработки обеспечили условия эффективного беспроводного обмена информацией между компьютерами, мобильными телефонами, принтерами, видеокамерами и любыми другими приборами и устройствами, оснащенными радиосенсором Bluetooth. Это небольшое устройство ( рис. 13.7) работает в частотном диапазоне от 2400 до 2483,5 МГц, который является открытым и не лицензируется в большинстве стран мира.
Поскольку в этом диапазоне могут работать и другие источники радиоволн, для защиты от них выбран так называемый метод FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum) [ [ 293 ] , http://www.bluetooth.com]. При таком методе несущая частота передачи информации скачками изменяется 1600 раз в секунду в соответствии с квазислучайным "шаблоном", составленным из 79 разных частот этого диапазона, с гауссовским распределением вероятностей. Поэтому "понять" друг друга могут лишь радиосенсоры, которые используют один и тот же шаблон изменения частот. Такой алгоритм работы позволяет легко избежать "конфликтов" с другими приборами, работающими на той же частоте, поскольку находящиеся на связи сенсоры могут автоматически заменить данную частоту в своем шаблоне на другую, свободную.
При мощности миниатюрного радиопередатчика 4 дБм связь устанавливается на расстоянии до 10 м, при мощности 20 дБм – до 100 м. Инфракрасные беспроводные сенсоры, которые применяются во всем известных телевизионных дистанционных пультах, обмениваются информацией, лишь "глядя глаз в глаз". В отличие от них, радиосенсоры Bluetooth могут связываться, "не видя друг друга", находясь в разных комнатах, будучи разделены стенами, дверями, мебелью или другими неметаллическими преградами.
Контакт между радиосенсорами Bluetooth устанавливается автоматически, как только они оказываются в зоне "радиодосягаемости". Для этого при изменении окружения сенсор Bluetooth автоматически излучает радиозапрос. Если рядом находится другой активный сенсор Bluetooth, работающий в "открытом" режиме ("Discoverable mode"), то он всегда отвечает на этот запрос. В режиме "ограниченных контактов" ("Limited discoverable mode") сенсор отзывается лишь в случае выполнения запрограммированных в нём условий. Каждый Bluetooth-сенсор имеет свой уникальный 48-разрядный двоичный код. Согласно протоколу Bluetooth сенсоры, которые вступили в контакт, сообщают друг другу свой код, выясняют, должны ли они в соответствии со своими предписаниями обмениваться информацией. Если должны, то "договариваются" о шаблоне общения и о шифрах, которые будут применять для защиты информации.
Связь между Bluetooth-сенсорами возможна не только по принципу "один к одному", но и в соответствии с иными схемами, показанными на рис. 13.8.
Рис. 13.8. Возможные схемы соединения Bluetooth-сенсоров: а) простое звено (piconet); б) сложное звено (scatternet)
Чтобы образовалось простое звено (так называемый " пиконет " – рис. 13.8, а ), один из Bluetooth-сенсоров при отладке (инсталляции) назначается "старшим" ( М, "master"), другие – "младшими" ( S, "slave"). До одного "старшего" могут присоединяться до семи "младших". "Старший" сенсор определяет шаблон, с которым работает все звено.
Чтобы образовался так называемый " скатернет " ( рис. 13.8, б ), "старшие" Bluetooth-сенсоры некоторых простых звеньев назначаются одновременно "младшими" по отношению к определенным другим. В "скатернет" могут быть объединены до десяти простых звеньев. А с помощью специальных коммутаторов, так называемых "gates", можно образовать еще более сложные сети.
После "выяснения отношений" все соединенные в сеть Bluetooth-сенсоры получают список имен и адреса доступных им сенсоров и доступных через них услуг (service discovery). Младшие радиосенсоры могут обмениваться между собой информацией через старший сенсор, если такое предусмотрено в списке его услуг.
Таким способом относительно просто, быстро и с небольшими затратами при помощи Bluetooth-сенсоров удаётся организовать локальные сети из многих устройств (компьютеров, мобильных телефонов, принтеров, цифровых фото- и видеокамер и других автоматизированных устройств) с беспроводным обменом информации со скоростями 0,4-1,0 Мб/с в пределах одной квартиры, дома, одного двора. Можно без проводов информационно соединить все, во что удается встроить миниатюрный Bluetooth-сенсор. Это могут быть, например, холодильник и микроволновая печь, радиоприемник и электропривод передвижной стены. В ходе эксплуатации, в зависимости от нужд, конфигурацию сети можно дополнять и изменять.
Примеры одного из распространенных ныне применений сенсоров Bluetooth показаны на рис. 13.9. Это – наушники для высвобождения рук, которые продаются как дополнение к мобильным телефонам, оснащенным сенсором Bluetooth, – так называемые " гарнитуры hands-free ". В них тоже встроен такой сенсор, а также мини-микрофон и динамик с усилителями.
Такой наушник настраивают на связь со своим мобильным телефоном и цепляют за ухо. Мобильный телефон может оставаться в кармане, в сумке или может вообще лежать где-то в десятке метров от Вас. Благодаря двусторонней радиосвязи с мобильным телефоном через наушник можно принимать входные звонки, вести телефонный разговор. При этом руки остаются свободными для другой работы. Это удобно и нравится многим пользователям. И к тому же мощность радиоизлучения гарнитуры hands-free в сотни раз меньше, чем мощность излучения мобильного телефона. И это сводит к минимуму влияние коротковолнового радиоизлучения на организм человека во время сеансов радиосвязи.
Практика использования радиосенсоров Bluetooth показала, что защита передаваемой через них информации от несанкционированного перехвата и преступного использования пока еще недостаточна. Наиболее уязвим процесс установления первичного контакта между такими сенсорами, когда они обмениваются ключами и информацией о себе в незакодированном виде. Специально запрограммированные Bluetooth-сенсоры злоумышленников ("хакеров") могут активно вступить в такой контакт и получить доступ к шаблонам и шифрам, а с их помощью – ко всей информации, циркулирующей в локальной сети. Задача хакеров особенно облегчается, если сами пользователи пренебрегают вопросами безопасности: выбирают короткие, типовые пароли; не настраивают свои Bluetooth сенсоры на индивидуальные специфические требования, не меняют коды, не используют личное шифрование, особенно конфиденциальной информации. Тем не менее, можно не сомневаться, что выявленные слабые стороны Bluetooth технологии беспроводного информационного взаимодействия уже в скором времени будут ликвидированы в новых версиях протокола взаимодействия.
Конкуренцию радиосенсорам Bluetooth составляют радиосенсоры RadioEthernet IEEE 802.11, тоже предназначенные для создания беспроводных локальных компьютерных сетей под названием Wi-Fi. Они действуют на расстояниях до 100 м и обеспечивают более высокую скорость передачи данных – до 11 Мб/с. По этим важным параметрам и по уровню защиты информации радиосенсоры и вся технология RadioEthernet IEEE 802.11 выигрывают у технологии Bluetooth. Однако они проигрывают по размерам мини-сенсоров, по цене, энергопотреблению, уровню радиоизлучения.