تقنية البلوتوث بعيون مهندسي الشبكات

بما ان كلمة بلوتوث اصبحت منشرة بشكل واسع واصبح هذا المصطلح في كل مجال ، بل لايكاد يخلو مكان من جهاز يعمل بهذه التقنية فنراها في الهواتف المتنقلة وفي الكمبيوترات وفي البيوت والمستشفيات والسيارات وغيرها ، لذلك اصبح من الضروري لجميع المهتمين بمجال الشبكات ان يدركوا الية وطريقة عمل وخصائص وتركيب هذه الشبكة وليس مجرد استعمالها كحال المستخدمين العاديين لهذه التقنية. هذا مانحن بصدد معرفته في مقالنا هذا وساحاول بقدر الامكان التركيز على المعلومات التي تخص مجال الشبكات. لذلك دعونا نبدا اولا بالتعرف على معلومات اساسية عنها.

فالبلوتوث هو احد تقنيات الشبكات اللاسلكية يستخدم في تبادل البيانات بين الاجهزة (gadgets) ضمن مدى قصير نسبيا  حيث ان هذه التقنية جاءت لتحل محل تقنية الاشعة تحت الحمراء IrDA فهي لاتتطلب ان تكون الاجهزة المقترنة باتجاهين متقابلين بالاضافة الى امكانية الاتصال بين جهاز وعدة اجهزة اخرى في نفس الوقت. تـُعرف تقنية البلوتوث بالمعيار IEEE 802.15 وتصنف من ضمن الشبكات الشخصية PAN.

بدأ العمل في هذا المشروع من قبل شركة اريكسون السويدية عام 1994 واشتق مصطلح البلوتوث من اسم الملك الدنماركي Harald Blaatand والذي قام بتوحيد الدنمارك والنرويج حيث ان كلمة Blaatand تعني بالانكليزية Bluetooth ، لهذا تم اطلاق هذه التسمية على البلوتوث كونه وحد بروتوكولات الاتصالات تحت معيار عالمي واحد.  كذلك شعار البلوتوث اشتق من الاحرف الاولى من اسم الملك، فحسب الاحرف الرونية القديمة فحرف H يمثل بالرمز وحرف B يمثل بالرمز  وعند دمجهما يتكون شعار البلوتوث.

معلومات تقنية عن البلوتوث

يعمل البلوتوث ضمن حزمة ISM بتردد  2.4كيكاهيرتز حيث تكون الحزمة مقسمة الى 79 قناة وبعرض حزمة 1 ميكاهيرتز لكل منها.

ونظرا لاستعمال البلوتوث غالبا في الاجهزة المتنقلة لذلك يجب ان يكون استهلاك هذه الاجهزة للطاقة عند استعمال هذه التقنية قليل وهذا الذي جعل مدى الارسال بين اجهزة البلوتوث قصير نسبيا فهو لايتعدى 10 امتار عندما تكون قدرة الارسال 0db او 1 ملي واط ، ويمكن زيادة هذه المسافة الى 100 متر بزيادة قدرة الارسال الى 20db في الاماكن المفتوحة ويتغير هذا المدى حسب ظروف الارسال ووجود الحواجز. وحسب الجدول التالي :

ومن الجدير بالذكر ان الجهاز من فئة 2 يمكن ان يرفع مدى ارساله عندما يتصل مع جهاز من فئة 1، هذا التغير يحدث عن طريق جهاز فئة 1 بزيادة امكانية التحسس للاشارة الضعيفة المرسلة من جهاز فئة 2 عند الاستقبال وكذلك بزيادة القدرة عند الارسال.

البلوتوث مقابل التقنيات الاخرى :

معمارية البلوتوث

تكون عملية الاتصال في شبكات البلوتوث بين الاجهزة بطريقة السيرفر والكلاينت حيث ان الجهاز الواحد ممكن ان ياخذ احد الوضعين. وعند ربط مجموعة من هذه الاجهزة تتكون شبكة من نوع Adhoc تسمى البيكونت  Piconet.

شبكة البيكونت تحتوي على 8 اجهزة كحد اقصى وهذا يعني وجود جهاز واحد يعمل كسيرفر وباقي الاجهزة الاخرى تعمل ككلاينت (بعض المصادر تسميها master و slave او رئيسي وثانوي). وتقوم هذه الكلاينت بمزامنة توقيتها الداخلي وتسلسل القفز بين الترددات(hopping sequence)  مع السيرفر. حيث يمكن ان تحتوي الشبكة على اكثر من 7 اجهزة كلاينت ولكن فقط 7 منها تكون فعالة في الوقت الواحد والاخرى تكون في حالة وقوف مؤقت parked state. والتي يقتصر نشاطها على عملية التزامن ولايمكنها المشاركة فعليا في عملية الاتصال مالم تنتقل الى الحالة النشطة وتحول احد الاجهزة النشطة الى حالة التوقف المؤقت.

عملية انشاء الاتصال تتم بواسطة الجهاز السيرفر – يمكن للجهاز الكلاينت ان يعمل طلب للتحول الى جهاز سيرفر- حيث يكون هذا السيرفر هو بمثابة البوابة لجميع الكلاينت فلا يمكن الاتصال بين كلاينت واخر الا عن طريقه.

عند تجمع عدد من البيكونت متداخلة في تغطيتها مع بعضها تتكون شبكة تسمى بالـ  Scatternet. في هذه الشبكة يمكن للجهاز الواحد ان يكون سيرفر في شبكة بيكونت ما وكلاينت في شبكة اخرى او كلاينت في اكثر من شبكة بيكونت.

عملية اعداد الاتصال في البلوتوث :

أي جهاز بلوتوث اثناء عملية الاستكشاف للاجهزة الموجودة في المحيط يقوم بارسال هذه المعلومات :

• اسم الجهاز.
• فئة الجهاز.
• الخدمات التي يدعمها.
• معلومات تقنية (مميزات الجهاز، المصنع، ومعلومات اخرى).

كل جهاز يستعمل تقنية البلوتوث لديه عنوان ثابت وخاص بذلك الجهاز كعنوان MAC في اجهزة الكمبيوتر يسمى ( (BD_ADDRويتكون من 48 بت ويحدده جمعية مهندسي الكهرباء والألكترونيات (IEEE). غير ان هذه الارقام لاتظهر في عملية البحث فبدلا من ذلك يتم اظهار اسماء اما محددة من قبل الشركة المصنعة للجهاز او محددة مسبقا من قبل المستخدم.

فعندما يتقارب جهازا بلوتوث من بعضهما البعض، فإن حديث إلكتروني يجري لمعرفة إن كانت هناك بيانات للمشاركة او اذا على الجهاز الأول التحكم في الجهاز الثاني وهذا الامر كله يجري بدون الحاجة إلى ضغط اي زر او إصدار اي امر.

فهذا الحديث الإلكتروني سيأخذ مجراه بشكل تلقائي وعندما يتم الاتصال ما بين الجهازين فإنه يتم تكوين شبكة معينة ما بين الجهازين، وتقوم أنظمة بلوتوث بعدئذ بإنشاء شبكة شخصية قد تمتد لغرفة كاملة او تمتد لمتر او اقل. وعندما يتم تكوين الشبكة الشخصية فإن الجهازين يقومان بتغيير التردد بطريقة واحدة وفي وقت واحد حتى لا يتم التداخل مع شبكات شخصية أخرى التي قد تكون موجودة في نفس المكان.

آلية الاقتران بين اجهزة البلوتوث :

هناك نوعين من الاقتران بين هذه الاجهزة ففي الاجهزة التي تعمل باصدار 2.0 وماقبلها يتطلب ان يدخل كلا الجهازين رمز  PIN، ولكي ينجح الاتصال فيجب ان يكون كلا الرقمين المدخلين متطابقين والا فالاتصال يلغى. وبما انه ليست جميع الاجهزة تستطيع ادخال جميع رموز PIN مثل سماعات الراس التي تعمل بهذه التقنية لذلك فإن مثل هذه الاجهزة تحتوي على رقم مبرمج على الجهاز مسبقا وغالبا مايكون اما “0000” او “1234” . وبعضها تستطيع ادخال فقط ارقام مثل الهواتف النقالة وبعضها تستطيع ادخال جميع الرموز من نوع  UTF-8 كما في الاجهزة الذكية والكمبيوترات.

اما الاجهزة التي تعمل باصدار بلوتوث 2.1 ومابعدها فالجهاز قد لايحتاج الى تدخل المستخدم او قد يحتاج فقط لتاكيد الاتصال او الغائه كما يحدث في بعض الاجهزة التي تحتوي على ازرار قليلة مثل سماعات الرأس. وبعض الاجهزة تقوم بعرض رقم من 6 خانات في كلا الجهازين المقترنين لكي يقوم المستخدم بمقارنة الرقمين ثم يقرر بقبول الاتصال او رفضه.

طبقات البلوتوث

يتكون البلوتوث من عدة طبقات تختلف نوعا ما عن تلك الطبقات الخاصة بـOSI Model . حيث انها تبدا بالطبقة الراديوية وتنتهي بالتطبيقات والتي تشترك بها مع Model OSI.

الطبقة الراديوية  Radio Layer

هذه الطبقة تكافئ الطبقة الاولى Physical Layer في طبقات OSI Model ، فكما ان الطبقة الفيزيائية هي المسؤولة عن ارسال البيانات عبر الوسط الناقل في طبقات OSI Model فكذلك هي الطبقة الراديوية مسؤولة عن عملية الارسال في البلوتوث، وكما ذكرت فإن عملية الارسال تكون لاسلكيا وعبر موجات الراديو لكن بطاقة ارسال قليلة حيث يستخدم حزمة الارسال 2.4 كيكاهيرتز وتكون الحزمة مقسمة الى 79 قناة وبعرض حزمة 1 ميكاهيرتز لكل منها ولمعرفة ترددات كل قناة (بالميكاهيرتز) يمكن استخدام الصيغة الرياضية الآتية :

تردد الموجة الحاملة ( ( fc = 2402 + n         حيث ان :  n = 0 ،1، 2 ، 3 ،………………..، 78

فعلى سبيل المثال تردد الاشارة الحاملة للقناة الاولى =2402 ميكاهيرتز والقناة الثانية = 2403 ميكاهيرتز وهكذا.

في عملية تحويل الارقام الى اشارات ، يستخدم البلوتوث في عملية التضمين نسخة معقدة ومتطورة من FSK تدعى GFSK (وهو عبارة عن FSK مع Gaussian bandwidth filtering). ايضا بما ان البلوتوث يحتاج الى مستوى عالي من الامن وكذلك فإن العديد من التقنيات تستخدم حزمة الارسال ISM لذلك اصبح من الضروري ايجاد طريقة ارسال للبلوتوث تمنع التداخل بين ترددات هذه الاجهزة وتتمتع بدرجة عالية من الامن لذلك يستخدم البلوتوث طريقة الارسال المعروفة بـ

(FHSS (frequency-hopping spread spectrum وهي تعني ان البلوتوث يقفز في تردداته 1600 مرة في الثانية الواحدة او بمعنى اخر فان كل جهاز بلوتوث يغير تردد التضمين الخاص به 1600 مرة في الثانية الواحدة وكما نعرف ان التردد هو مقلوب الزمن لهذا فان زمن استخدام الجهاز لكل تردد لايتعدى 625 مايكرو ثانية او (11600) ثانية قبل ان يغير تردده الى تردد اخر. ويسمى هذا الزمن بزمن الاقامة او dwell time.

طبقة الحزمة الاساسية  Baseband Layer

هذه الطبقة تكافئ تقريبا طبقة MAC الثانوية في طبقات OSI. تستخدم طريقة الوصول للقناة المعروفة بـ TDMA، وتعني ان الجهاز السيرفر والكلاينت يتصلان مع بعضهما باستعمال طريقة تقسيم الزمن، حيث ان جزء الزمن slot time المخصص لكل جهاز هو نفسه زمن الاقامة dwell time الذي ذكرته سابقا ويساوي 625 مايكروثانية. هذا يعني ان خلال هذا الزمن تردد واحد يمكن استخدامه بحيث يمكن للمرسل ان يرسل فريم الى الكلاينت او الكلاينت يرسل فريم الى السيرفر ولايوجد هناك ارسال من كلاينت الى كلاينت اخر.

في الحقيقة تقنية البلوتوث تستخدم صيغة معينة من TDMA تسمى TDD-TDMA

Time Division Duplex TDMA))

وهو من نوع الاتصال المزدوج Half Duplex ويعني ان المرسل والمستقبل كلاهما يقومان بالارسال والاستقبال ولكن ليس في نفس الوقت.

عملية الارسال في شبكة البيكونت التي تحتوي على كلاينت واحد تكون بسيطة للغاية. حيث يتم تقسيم الزمن الى اجزاء من 625 مايكروثانية لكل منها، يستخدم السيرفر الاجزاء ذات الارقام الزوجية و يستخدم الكلاينت الاجزاء ذات الارقام الفردية، وهذا يعني ان السيرفر يرسل والكلاينت يستقبل في الجزء رقم 0 والسيرفر يستقبل والكلاينت يرسل في الجزء رقم 1 وهكذا تعاد العملية.

اما اذا كانت شبكة البيكونت تحتوي على اكثر من كلاينت فالعملية اكثر تعقيدا فالسيرفر كذلك يرسل في الاجزاء الزوجية وجميع الكلاينت تستمع للسيرفر عند ارساله ولكن واحد منهم فقط يرسل في الجزء الفردي وحسب العنوان المرسل من قبل السيرفر في الجزء الزوجي السابق.

يدعم البلوتوث نوعين من الربط عند الاتصال بين السيرفر والكلاينت هما SCO وACL.

يُستخدم  SCOاو link Synchronous Connection-Oriented في نقل الصوت بين الاجهزة حيث تكون السرعة في نقل البيانات (latency) اكثر اهمية من دقة البيانات المستلمة (integrity) لذلك فعندما تصل البيانات غير صحيحة او تالفة فلن يتم اعادة الارسال لذلك الفريم. في هذا الربط الكلاينت يمكن ان ينشأ 3 قنوات اتصال SCO كحد اقصى مع السيرفر لنقل الصوت بشكل رقمي PCM وبسرعة 64 kbps عبر كل قناة.

اما ACL او Asynchronous ConnectionLess link فيُستخدم في نقل البيانات بين الاجهزة عندما تكون دقة البيانات المستلمة وخلوها من الاخطاء اكثر اهمية من سرعة النقل. سرعة النقل في هذا النوع من الربط تصل الى 721 kbps كحد اقصى.

صيغة الفريم في طبقة baseband تكون على 3 انواع  one-slot ،  three-slot  او  five-slot. سوف لن اتطرق الى تفاصيل هذه الانواع ولكن يكفي ان نعرف صيغة الفريم بصورة عامة وهي على النحو الاتي :

Access code : هذا الحقل خاص يحتوي على المعلومات الخاصة بعملية المزامنة وكذلك المعلومات التي يستطيع بها السيرفر تمييز الفريم من أي شبكة بيكونت قادم.

• Packet header : هذا الحقل يعاد ارساله 3 مرات بشكل متكرر ويتكون من 18 bits في كل عملية ارسال. هذه الطريقة تستخدم في تصحيح الخطأ في الفريم كون الارسال يكون لاسلكيا فعند استقبال الثلاث رسائل يتم مقارنة هذه الرسائل مع بعضها فاذا لم يكن هناك اختلاف بين هذه الرسائل يتم قبول الفريم. اما اذا كان هناك اختلاف فيتم اعتبار الرسالتين المتطابقتين هي الصحيحة. كل رسالة او قسم من هذا الحقل يتكون من :
• Address : يتكون هذا الحقل من 3bits  حيث ان هناك 7 اجهزة كلاينت فعندما يكون هذا الرقم 0 هذا يعني ان الارسال هو Broadcast أي من السيرفر الى جميع الكلاينت.
• Type : يتكون هذا الحقل من 4 bits ويـُعرف نوع البيانات القادمة من الطبقات العليا.
• F : هذا الحقل هو 1 bit خاص بعملية flow control. عندما يكون 1 فهذا يعني ان الجهاز غير قادر على استقبال بيانات اكثر.
• A : هذا الحقل هو ايضا 1 bit خاص بعملية الابلاغ بالاستلام acknowledgment.
• S : يتكون من 1 bit  وهو يحمل تسلسل الفريم sequence number.
• HEC : يتكون من 8 bit وهو المسؤول عن عملية تصحيح الاخطاء في الرسائل الثلاث بشكل خاص وليس في كامل الفريم كما ذكرت سابقا.
• Payload : ويحمل هذا الحقل البيانات المراد ارسالها او معلومات السيطرة القادمة من الطبقات العليا.

طبقة L2CAP او Logical Link Control and Adaptation Protocol :

هذه الطبقة تكافئ تقريبا طبقة LLC الثانوية في طبقات OSI. وهي مسؤولة عن عملية الـ multiplexing  وبمعنى اخر فهي تقوم باستقبال البيانات من الطبقات العليا وتحولها الى فريم ومن ثم تسلمها الى طبقة baseband هذا عند المرسل اما عند المستقبل فالعملية بالعكس.

ايضا من مهامها هو عملية تجزئة الباكيت واعادة تجميعها Segmentation and Reassembly وكذلك من مهامها هو QoS(Quality of Service). اضافة الى ذلك فهي تقوم بعملية ادارة المجموعات وتعني ان عدد من الكلاينت تستطيع ان تعمل مجموعة Multicast لاستلام رسائل خاصة بها من السيرفر.

الطبقات الاخرى المتبقية تكون مسؤولة عن اعدادات الاتصال وعملية انشاء الاتصال وتطبيق خطوات الامن والتوثيق في الاقتران وانهاء الاتصال، كذلك تحتوي على البرامج والتطبيقات التي تسيطر على عملية تبادل البيانات وترجمتها واظهارها.

والان بعد ان اخذنا لمحة سريعة عن هذه التقنية وعرفنا مميزاتها نستطيع  ان نقول ان هذه التقنية ليست خالية من المساوئ مثلها مثل كل التقنيات فلكل تقنية مساوئها ومميزاتها ولكن كون هذه التقنية من ابسط وافضل التقنيات في خدماتها وتكلفتها الواطئة جعلها الاكثر انتشارا.