Infrared Data Association IrDA. IrPHY. Der IrDA-Protokollstapel. Bitübertragungsschicht. Kommunikationsdienste und -netze

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1 Kommunikationsdienste und -netze Kapitel 7: Bluetooth und IrDA Infrared Data Association IrDA IrDA basiert auf den Vorarbeiten und Entwicklungen bei HP: 1979 Infrarot-Schnittstelle im Taschenrechner HP-41C zum Anschluss an einen Drucker 1990 bidirektionale Schnittstelle, dann auch in PCs Name: Serial InfraRed SIR August 1993: Gründung der InfraRed Data Association 30 Gründungsmitglieder März 1998: Über 160 Mitglieder 1994: IrDA-Spezifikation 1.0, basierend auf SIR 1995: IrDA-Spezifikation 1.1 Neueste Projekte (2000): IrWWW Spezifikationen MP3 SIG für einen standardisierten Datenaustausch von und zu MP3- Playern JetSend Point and Shoot und JetSend Digital Photography KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 225 Der IrDA-Protokollstapel IrPHY Bitübertragungsschicht IAS Anwendungen IrLAN IrLMP IrLAP Tiny TP Bitübertragungsschicht Hardware IrOBEX Controller IR-Transceiver IrCOMM Serial IR Physical Layer (SIR) Anschluss der IrDA-SIR Hardware an die serielle Schnittstelle eines PCs (UART [Universal Asynchronous Receiver and Transmitter] 16550), daher begrenzt auf b/s Asynchroner Zeichenstrom (Startbit, 8 Datenbits, Paritätsbit, Stoppbit) Codierung: 0 = IR-Impuls, 1 = kein IR-Impuls Impuls hat Wellenlänge zwischen 0,85 und 0,9 μm, dauert mindestens 1,6μs Halbduplex-Betrieb Fast IR Physical Layer (FIR) Höhere Übertragungsraten: 1,15 und 4 Mb/s Spezieller Kommunikationscontroller benötigt Besondere Modulation (Pulse Position Modulation) Very Fast IR Physical Layer (VFIR) [verabschiedet 1999] 16 Mb/s maximale Datenrate KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 226 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 227

2 IrLAP Sicherungsschicht IrLAP - Abläufe Zuverlässiger Datentransfer auf der Basis eines HDLC-Derivats Unnummerierte Rahmen (U-Frames) Überwachungsrahmen (S-Frames) Datenrahmen (I-Frames) Master-Slave-Prinzip Primary Station ist verantwortlich für den Aufbau der Verbindung, den Datentransfer, die Flusskontrolle und die Behandlung von Übertragungsfehlern z.b. PCs, PDAs, Kameras Secondary Station sendet nur, wenn sie angesprochen wird z.b. Drucker, Geräte mir geringen Ressourcen Sendedauer ist auf 500 ms begrenzt IrLAP Betriebsmodes: Normal Disconnect Mode NDM Normal Response Mode NRM Im IrLAP-Rahmen steuert ein Poll/Final-Bit die Übertragung (genau wie in HDLC) NRM Start-Up zum Abfragen der Secondary Station A(Pri) SNRM, P RR0, P B(Sec) UA, F I 0, 0 I 1, 0 NRM Informationstransfer A(Pri) I 0, 0 I 1, 0 I 2, 0 P B(Sec) NRM Primary Poll Frame Error I 0, 3 I 1, 3 F A(Pri) I 0, 0 I 1, 0 P Timeout RR 0, P B(Sec) I 0, 1 I 2, 0 F I 3, 2 I 1, 1 F RR3, P I 4, 2 P I 1, 2 P KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 228 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 229 IrLMP / IrIAS Netzwerkschicht IrDA Link Management Protocol Multiplexing für mehrere IrLMP-Dienstnehmer (LM-MUX) Beseitigung von Adressenkonflikten (Adressen werden temporär vergeben) Keine Flusskontrolle IrDA Information Access Service Eine Art Gelbe Seiten Beschreibung der auf einem Gerät verfügbaren Dienste Adressierung Logical Service Access Point (LSAP): Geräteadresse LSAP Selector zur Unterscheidung der Verbindungen innerhalb einer Station (vergleichbar mit Portnummer, Zahl zwischen 1 und 128) KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 230 TinyTP Transportschicht Tiny Transport Protocol für IrDA: Flusskontrolle für eine einzelne Verbindung Segmentierung und Reassemblierung von Datenpaketen Verbindungsorientiert TTP_Connect TTP_Disconnect Adressierung entspricht der LSAP-Adresse Maximale SDU-Größe kann angegeben werden und unterschiedlich für die kommunizierenden Geräte sein Datentransfer TTP_Data TTP_UData KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 231

3 IrCOMM Schnittstellenemulation IrLAN Netzwerkanbindung Emulation einer seriellen oder einer parallelen Schnittstelle über IrLMP/IrLAP Keine großen Änderungen an Anwendungen, die bislang drahtgebundene Schnittstellen verwendeten Nachbildung einer Vollduplex-Verbindung über eine Halbduplex-Verbindung maximale Latenzzeit 500ms Steuerleitungen werden durch eine Unterteilung der übertragenen Daten in Daten- und Steuerpakete nachgebildet Emulationen: 3-Wire Raw: minimale RS 232-Schnittstelle, exklusive Nutzung der IR-Schnittstelle 3-Wire: wie oben, ohne exklusive Nutzung der IR-Schnittstelle IrLPT: Spezielle Betriebsart zur Ansteuerung von Druckern mit IR-Schnittstelle 9-Wire: 9-drahtige RS 232-Schnittstelle Centronics: Centronics-Schnittstelle Nachteile Zusätzliche eigene Flusskontrolle überflüssig Nicht sehr zuverlässig Hauptsächlich von IBM, HP und Microsoft entwickelte und seit Ende 1997 angenommene Erweiterung des IrDA- Standards Primäre Anwendung: Anbindung portabler PCs an Büronetzwerke Drei Betriebsmodi: Verbindung eines PCs an ein LAN über ein Access Point Device (IR LAN Adapter, z.b. HP NetBeam IR) LAN-artige Verbindung zweier IrDA-Geräte untereinander Verbindung eines IrDA-Gerätes über ein anderes IrDA-Gerät, das einen Netzanschluss besitzt und somit als Router fungieren kann KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 232 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 233 OBEX ObjectExchange IrDA Lite Transfer von Datenobjekten von einem Gerät auf ein beliebiges anderes Ähnlich zu HTTP, aber nicht so umfangreich und mächtig Zwei Teile: Repräsentationsmodell für Objekte Sitzungsprotokoll zur Regelung des Austauschs Hauptziele: Anwendungsfreundlichkeit Kompaktheit Plattformunabhängigkeit Flexible Handhabung von Daten Einfache Einbindung in Internet-Protokollwelt Einfache Erweiterbarkeit Einfache Fehlersuche Basiert auf TinyTP, kann aber auf jedem anderen zuverlässigen Transportprotokoll aufsetzen KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 234 Minimale, standardkonforme Implementierung der IrDA- Schichten IrLAP: Feste Übertragungsrate b/s Feste Datengröße 64 byte Fenstergröße 1 500ms Umlaufzeit IrLMP Kein Multiplexen Keine Punkt-zu-Mehrpunkt-Verbindungen Implementierung auf Intel 80x86 unter C: 5-6 (primary) oder 3-4 (secondary) kbyte ROM 250 byte (primary) oder 150 byte (secondary) RAM Nachteil Leistungseinbußen KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 235

4 Bluetooth Wer war Bluetooth Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele Mitglieder Anwendungen Anbindung von Peripheriegeräten Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer Unterstützung von ad-hoc-netzwerken kleine, billige Geräte Verbindung von Netzwerken beispielweise GSM über Handy - Bluetooth - Laptop Einfacher, billiger Ersatz für IrDA eingeschränkte Reichweite niedrige Datenraten Harald II, genannt Blätand, König von Dänemark ( ) Vereinte im 10. Jahrhundert Dänemark und Norwegen Synonym für fortschrittliches Denken auf Basis eines großen Grundgedankens In diesem Sinne: Vereinigung führender Technologiefirmen Verabschiedung eines weltweit anerkannten Standards KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 236 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 237 Das Bluetooth-System Bluetooth Begriffe Transceiver sendet und empfängt Daten im Bereich von 2,402 2,48 GHz (ISM- Band, Industrial, Scientific, Medical) Link Controller Baseband Link Manager Protocol Schnittstelle zum Gerät Host Controller Interface HCI Link Layer Control and Adaptation Protocol L2CAP Darüber beliebige Protokolle vcard/vcal HCI OBEX WAE WAP UDP / TCP PPP RFCOMM L2CAP Baseband Transceiver LMP Audio KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 238 IP AT- Commands TCS BIN SDP Master Das Gerät, das eine Verbindung zu einem anderen Gerät aufbaut Slave Alle Geräte, die sich mit dem Master einen Kanal teilen Piconetz Eine Ansammlung von zwei bis acht Geräten, die sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves) AM-Adresse (Active Member Address) 3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Pico-Netz KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 239

5 Bluetooth Luftschnittstelle Bluetooth Paketformat ISM-Band: 2,402 2,48 GHz Weltweit lizenzfrei verwendbar Ausnahmen: Frankreich, Japan, Spanien Interferenzen mit anderen Nutzern möglich (Garagenöffner, Mikrowelle, etc.) Frequency Hopping Spread Spectrum 79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz 1600 Sprünge pro Sekunde GFSK-Modulation Gaussian-shaped Frequency Shift Keying Time Division Duplex 625μs Übertragung von Vorwärts- und Master Rückwärtsrichtung zeitlich getrennt Slot-Länge 625 μs Für jeden Slot wird eine andere Slave Frequenz verwendet f 1 f 2 f 3 Datenrate: 1Mbit/s (incl. Header) Reichweite: 10cm bis 10m bei 0dBm Sendeleistung, erweiterbar auf 100m KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 240 Access Code Packet Header Nutzdaten ( bit) AM_Addr Type Flow ARQN SEQN HEC Access Code: eindeutig für jeden Kanal, da aus der ID des Master gewonnen AM_Addr: 3 bit lange, temporäre Adresse der aktiven Teilnehmer (Active Member) an einem Piconetz (immer die des Slaves) Type: Pakettyp Flow: Flusskontrolle ARQN: Automatic Repeat Request zur Übertragungswiederholung SEQN: Sequenznummer HEC: Header Error Check (Vorwärtsfehlerkorrektur mit der Rate von 1/3) KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 241 Bluetooth Kanäle der Luftschnittstelle Datenraten auf einem DCL-Link Zwei Kanaltypen: Synchronous Connection-Oriented (SCO) Bis zu drei synchrone Sprachkanäle mit 64 kbit/s bidirektional verfügbar In festen Intervallen werden zwei Slots reserviert (einer für Vorwärts-, einer für Rückrichtung) Asynchronous ConnectionLess (ACL) Symmetrisch (max kbit/s) oder asymmetrisch (max. 721 kbit/s in eine Richtung und 57,6 kbit/s in die andere) Paketvermittelt Punkt-zu-Mehrpunkt Für Datenübertragung Master kontrolliert den Kanal durch (implizites) Polling KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 242 DM1 DH1 DM3 DH3 DM5 DH5 Typ Symmetrisch 108,8 kbit/s 172,8 kbit/s 256,0 kbit/s 384,0 kbit/s 286,7 kbit/s 432,6 kbit/s Asymmetrisch 108,8 kbit/s 108,8 kbit/s 172,8 kbit/s 172,8 kbit/s 384,0 kbit/s 54,4 kbit/s 576,0 kbit/s 86,4 kbit/s 477,8 kbit/s 36,6 kbit/s 721,0 kbit/s 57,6 kbit/s DMx: x-slots und FEC mit Rate 2/3 DHx: x-slots ohne Fehlerschutz Bei x-slots (x>1) muss Access Code und Header nur einmal übertragen werden, die Frequenz wird während des gesamten Pakets beibehalten KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 243

6 Bluetooth Fehlerschutz Bluetooth ARQ Vorwärtsfehlerkorrektur Bit Repeat Code mit Rate 1/3 b 0 b 0 b 0 b 1 b 1 b 1 b 2 b 2 b 2 Shortened Hamming Code mit Rate 2/3 Generator-Polynom: g(d) = (D+1)(D 4 + D + 1) Automatic Repeat Request: Jedes Paket wird im nächsten Slot bestätigt (ARQN=1) oder als fehlerhaft empfangen (ARQN=0) gekennzeichnet. Bei einer fehlerhaften Sendung wird das Paket mit der gleichen Sequenznummer wiederholt. Master A B B X C D 0 D 2 D 4 D 5 Slave 1 G F H Slave 2 Z Z KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth Daten 244 NAK ACK KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 245 Scatternets Jedes Piconetz hat einen Master und bis zu 7 weitere Knoten Der Master bestimmt die hopping sequence, die anderen Knoten müssen darauf synchronisieren Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen Bluetooth Synchronisierung in einem Piconetz Die Sprungfrequenz wird von einer Sprungsequenz der der aktuellen Phase bestimmt. Die Sprungsequenz berechnet sich ihrerseits aus der ID des Masters Clock + Phase Sequenz Sprung Offset Master ID Pikonetze KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 246 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 247

7 Bluetooth Verbindungsaufbau Bluetooth Verbindungsaufbau - Ablauf Von 79 Frequenzen sind 32 als Wake-Up-Frequenzen definiert. Die Wake-Up-Frequenzen hängen vom Gerät selbst ab. Im Stand-By hört jedes Gerät diese 32 Frequenzen nach einer PAGE-Message ab, die einen korrekten Access Code enthalten muss. Um den Access Code bestimmen zu können, der von der Geräte-ID abhängt, ist ein Inquiry -Verfahren definiert. Mit diesem Verfahren kann auch ermittelt werden, wer sich alles in Sendereichweite aufhält. Für ein Inquiry wird ein spezielle Access Code verwendet, der quasi einem Rundruf entspricht. Paging Unit Inquiry Paging Verbindung aufgebaut Inquiry Access Code ID + Clock Access Code ACK ID + Clock ACK Daten Standby Unit Neue Sprungsequenz KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 248 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 249 Bluetooth Datenschutz Die Schnittstelle zwischen Bluetooth und Host Zum Abhörschutz einer Verbindung stellt Bluetooth ein Stream Cipher -Verfahren bereit: Der Klartext wird bitweise mit einem Schlüsselstrom verknüpft. Der Schlüsselstrom wird aus der Bluetooth-Geräte-ID, einem privaten Schlüssel und einer Zufallszahl ermittelt. Zusätzlich kann eine Authentifizierung des Kommunikationspartners mit einem Challenge-Response-Verfahren erreicht werden. Handy Schlüssel Geräte-ID Zuf.zahl Algorithmus Ergebnis Challenge Response Schlüssel Geräte-ID Algorithmus Ergebnis LapTop Host Control Interface Link Layer Control and Adaptation Protocol (L2CAP) Protokollmultiplex: Adaption höherer Protokolle an das Bluetooth-Baseband Verbindungsorientiert oder verbindungslos, allerdings keine Unterstützung von SCO-Kanälen Segmentieren Reassemblieren Dienstgüte Bis zu 64 kbyte lange Datenpakete Vergleich KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 250 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 251

8 Bluetooth Protokolle Cable Replacement Protocol RFCOMM Emulation einer seriellen Leitung gemäß ETSI Nachbildung von RS 232 Telephony Control Protocol Telephony Control Protocol Binary TCS BIN Bitorientiertes Protokoll zum Aufbau von Sprach- und Datenverbindungen zwischen Bluetooth-Geräten Mobilitätsmanagement für Gerätegruppen Telephony Control AT Commands Basis: ITU-T V.250 und ETS (GSM 07.07) Zusätzlich Befehle für Fax-Dienste Angepasste Protokolle PPP zum Ablauf über RFCOMM TCP/UDP/IP Definition einer Brücke zwischen Bluetooth und Internet OBEX gemäß IrDA-Standard zum Austausch von Objekten WAP KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 252 Bluetooth Anwendungsbeispiel Filetransfer Übertragung von Datenobjekten (*.xls, *.ppt, *.wav, *.jpg, *.doc,...) von einem Gerät (PC, Smart-Phone, PDA) zu einem anderen. Datenobjekte können auch ganze Ordner oder Streaming Media sein. Möglich wird dadurch auch das Anzeigen des Inhaltes von Ordnern auf einem entfernten Gerät. Zusätzlich können Push-Operationen realisiert werden. Aufbau des Protokollstapels: Filetransfer-Anwendung OBEX RFCOMM L2CAP SDP Service Discovery Protocol KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 253 Bluetooth Anwendungsbeispiel Headset Vergleich Bluetooth IrDA Wireless LAN Drahtlose Anbindung eines Headsets an ein Handy oder an einen Rechner: Der Audiostrom geht direkt vom Baseband zum Lautsprecher / Mikrofon und umgeht somit L2CAP. Mit dem Headset können über AT-Commands ankommende Gespräche angenommen oder die Verbindung terminiert werden, ohne dass manuell am eigentlichen Telefonapparat eingegriffen werden muss. OBEX RFCOMM L2CAP Headset-Anwendung SDP Audio Standard Verbindungsart Übertragungsrate Übertragungsdistanz (ca.) Übertragungsumkreis Anzahl unterstützter Geräte Sicherheitsmaßnahmen HW/SW- Unterstützung < 1Mbit/s 10 m 8 Bluetooth Punkt zu Punkt, Punkt zu Mehrpunkt Omnidirektional Hardwareebene Im Anlaufen 1 m 30 Winkel 2 (P2MP optional...) Softwareebene Breit IrDA Punkt zu Punkt Punkt zu Mehrpunkt 4-16 Mbit/s Punkt zu Punkt, Punkt zu Mehrpunkt < 24 Mbit/s 300 m Omnidirektional 256 Hardwareebene Breit Wireless LAN KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 254 KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 255

9 Literatur ROTH, J.: Mobile Computing Grundlagen, Technik, Konzepte. dpunkt-verlag, Heidelberg, 2002, ISBN SCHILLER, J.: Mobilkommunikation. (2. überarbeitete Auflage) Addison-Wesley, München, ISBN (Vielen Dank für die Überlassung der Folien) WALKE, B.: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 1. (3. Auflage). Verlag Teubner, Stuttgart, 2001, ISBN WALKE, B.: Mobilfunknetze und ihre Protokolle 2. (2. Auflage). Verlag Teubner, Stuttgart, 2000, ISBN KDN / KomNetII - 7. IrDA und Bluetooth 256