Дипломная работа: Система контроля доступа мобильных пользователей на основе технологии Bluetooth

3.1 Принцип действия Bluetooth

Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2.4465-2.4835 ГГц). Спектр сигнала формируется по методу FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum — широкополосный сигнал по методу частотных скачков). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование стоит недорого.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 Кбит/с в обоих направлениях) используется различные схемы кодирования: аудио-сигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. Без помехоустойчивого кодирования это обеспечивает передачу данных со скоростями 723,2 Кбит/с с обратным каналом 57,6 Кбит/с, или 433,9 Кбит/c в обоих направлениях.

Интерфейс Bluetooth состоит из трех частей: приемо-передатчик, контроллер связи и управляющее устройство, осуществляющее связь с терминалом. Терминалом может быть любой прибор, будь то мобильный телефон, КПК или ноутбук. Приемо-передатчик и контроллер связи, как правило, выполнены на отдельных микросхемах, а вот функции управляющего устройства может выполнять и процессор теримнала при достаточной собственной мощности. Схема проста в реализации как в аппаратном, так и в программном направлении, что сказывается на популярности интерфейса Bluetooth.

Рисунок 3.1 Блок-схема организации Bluetooth-связи

3.2 Спецификации

В первых версиях Bluetooth 1.0 и 1.0B было обнаружено несколько небольших ошибок. Они имели плохую совместимость между продуктами различных производителей, а так же была обязательной передача адреса устройства BD_ADDR на этапе установления связи, что делало невозможным реализовать анонимность на протокольном уровне.

Эти ошибки были исправлены в версии 1.1, а так же добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI). Именно эта версия стала первым стандартом новой технологии. Соединение с помощью Bluetooth 1.1 достаточно медленное, а энергопотребление первого поколения мобильных устройств, поддерживающих Bluetooth, было очень большим. В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путем использования разнесенных частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путем повторения поврежденных пакетов. Также предусмотрено дополнительное улучшение качества звука в шумных помещениях.         Новейшая версия - Bluetooth 2.0 - быстрее предыдущих, а, кроме того, менее энергоемкая. Аппараты на основе версии Bluetooth 2.0 могут применяться для общения по технологии VoIP; это означает, что появилась возможность использовать наушники Bluetooth, чтобы совершать звонки с компьютера через интернет.         Bluetooth 2.0 поддерживает EDR (Enhanced Data Rate) - именно эта технология обеспечивает более быстрый обмен информацией с другими устройствами - в 3 раза быстрее, чем обычно (до 2,1 Мбит/с.). При этом снижается энергопотребление, а значит увеличивается время жизни батареи. Кроме того, можно установить мультисоединение, например с GPS-ресивером и наушниками Bluetooth. Версия 1.2 также поддерживает эту возможность, но работа 2.0 более стабильна и доступна к применению повсеместно. Bluetooth версии 2.0 полностью совместим с версиями 1.x.

Для обеспечения безопасности в Bluetooth используется алгоритм аутентификации и генерации ключа SAFER+. Инициализационный и главный ключи генерируются по алгоритму E22. Поточный шифр E0 используется для закрытия передаваемых данных. Что в целом делает более трудоемким прослушивание устройств связанных по Bluetooth.

Профили - это возможности, которые поддерживаются как устройством, так и аксессуарами. На каждый профиль существует ограниченный набор функций (наушники, например), который гарантирует, что оба устройства будут работать корректно и стабильно. Профили разрабатываются и внедряются чтобы улучшить качество соединения между Bluetooth-устройствами. Обычно помимо основного набора профилей имеется несколько дополнительных, расширяющих спектр возможностей как гарнитуры Bluetooth, так и самого устройства.

Устройства, образующие между собой Bluetooth-соединение, образуют сеть, называемую пикосетью (piconet). В ней одно устройство является главным (master), а другое – подчиненным (slave). К одному master-устройству может быть подключено несколько slave-устройств. Пикосети могут объединяться, образуя скеттерсеть (scatternet). В этом случае соединяются два главных устройства, одно из которых становиться главным/подчиненным.

Рисунок 3.2 Возможные топологии пикосетей

3.3 Протоколы Bluetooth

Bluetooth, призван объединить все находящиеся поблизости устройства в беспроводную локальную сеть. Устройства, как мы знаем, бывают разными. Следовательно, характер передаваемых ими данными тоже будет неоднороден. Согласно этому разработчики беспроводного стандарта создали для Bluetooth большое количество протоколов.

Basehand (Базовая полоса). Осуществляет физическое соединение между двумя и более устройствами. Возможны два типа соединения: SCO (синхронное) и ACL (асинхронное). По SCO можно передавать данные, или данные с аудиопотоком, например, голосом. По ACL передается только аудиопоток.

LMP (Link Manager Protocol, Протокол диспетчера подключений). Контролирует такие стороны подключения устройств между собой, как аутентификация, шифрование, генерирование ключей шифрования и соединения, а также обмен этими ключами и их проверка. Помимо этого протокол диспетчера подключений управляет режимом питания и исполнительными циклами устройств Bluetooth, а также осуществляет мониторинг состояния этих устройств в пикосети.

L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol, Протокол управления логическим подключением и адаптацией). Занимается адаптацией протоколов верхнего уровня над базовой полосой.

SDP (Service Discovery Protocol, Протокол обнаружения услуг). Позволяет получить сведения о устройстве Bluetooth, его услугах и информацию, связанную с этими услугами.

RFCOMM (Протокол, заменяющий кабель). Эмулирует последовательную линию, или, иначе говоря, осуществляет своими действиями функционирование виртуального COM-порта. При применении протокола осуществляется эмуляция линий управления и линий данных протокола RS-232, согласно которому строиться функционирование COM-порта. RFCOMM обеспечивает транспортировку информации, которую требует выполнение услуг верхнего уровня, использующих при своей работе последовательную линию.

TCS BIN (TCS Binary, контроль телефонии). Иными словами, двоичный протокол управления телефонией. Выполняет контроль сигнализации вызова для установления речевого вызова и вызова данных между устройствами Bluetooth.

Управление телефонией – команды AT. Протокол определяет набор AT-команд, позволяющий использовать мобильный телефон или модем в режиме мультииспользования.

Существуют также заимствованные протоколы:

PPP (Point-to-Point Protocol, «Точка-точка»). Служит для передачи IP-пакетов с уровня PPP на уровень локальных сетей.

TCP/UDP/IP. Применяется для обмена данными (в качестве моста) между протоколом TCP/IP и Bluetooth. В качестве моста могут быть использованы любые электронные устройства, будь то телефон или наушники, поддерживающие технологию Bluetooth.

IrOBEX (Infrared Object Exchange Protocol). Разработан ассоциацией IrDA для поэтапного обмена объектами и обеспечивает функциональность, сходную с протоколом HTTP. IrOBEX определяет модель для представления объектов и операций, а также формирует оглавление папок, необходимое для просмотра содержимого памяти удаленных устройств. По данному протоколу, к примеру, возможна передача данных типов vCard, vCalendar, vMessage и vNote. Обмен визитками, календарной информацией, сообщениями и заметками соответственно. Также IrOBEX осуществляет транспортировку журнальных файлов, необходимых для функционирование отдельных видов устройств.

WAP (Wireless Application Protocol, Протокол беспроводных приложений). Разработан Форумом WAP и призван обеспечить возможность загрузки информации из сети Интернет на мобильные телефоны и подобные электронные устройства.

Стек протоколов

Стек Bluetooth протоколов состоит из двух частей: контроллера, который, как правило, имеет аппаратную реализацию, и on-host стека с которым, собственно, и взаимодействуют приложения.

Рисунок 3.3 Bluetooth протоколы

Host Controller Interface (HCI) - Это самый низкий уровень стека программных протоколов. Он непосредственно взаимодействует с Bluetooth контроллером.

Logical Link Control and Adaptation Layer (L2CAP) - На этом уровне происходит сегментация и сборка пакетов, мультиплексирование протокола, обеспечивается качество управляющей информации. Service Discovery Protocols (SDP) используется для поиска доступных Bluetooth устройств. RFCOMM обеспечивает последовательную передачу данных через Bluetooth, другими словами, ведет себя аналогично обычному последовательному порту (COM).

Object Exchange Protocol позаимствован у Infrared Data Association (IrDA). Он позволяет выполнять синхронизацию данных.

3.4 Профили

Чтобы обеспечить совместимость между устройствами, Bluetooth профили определяют возможность некого нейтрального устройства. Сам по себе термин профиль означает набор функций и возможностей, которые использует Bluetooth в качестве механизма транспортировки. Профили гарантируют возможность обмена информацией между устройствами разных производителей. Bluetooth SIG определяет несколько стандартных профилей:

Generic Access Profile (GAP) - определяет использование стека протоколов нижнего уровня, включая функции управления устройством. Все реализации Bluetooth осуществляют GAP.

Service Discover Application Profile (SDAP) - описывает специфические приложения и использование SDP, доступность и аспекты пользовательского интерфейса процесса поиска других устройств, использование L2CAP и низких слоев для обеспечения режима поиска.

Serial Port Profile (SPP) - определяет для RFCOMM, L2CAP, SDP, и других слоев низкого уровня, требования взаимодействия и возможности для эмуляции последовательного кабеля.

Dial-up Networking Profile (DUNP) - определяет требования обеспечения взаимодействия для GAP и SPP, а также для телефонных звонков, контролирует возможность устройства работать в режиме телефона.

Generic Object Exchange Profile (GOEP) - определяет для OBEX, SPP и GAP требования к взаимодействию и способности OBEX для передачи файлов, размещения объектов и синхронизации.

Object Push Profile (OPP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, использование OBEX, SDP и способности размещать объекты для контента в форматах vCard, vCalendar, vNote и vMessage.

File Transfer Profile (FTP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, а также взаимодействие и использование GOEP, OBEX и SDP.

Synchronization Profile (SP) - определяет требования к пользовательскому интерфейсу, а также взаимодействие и использование GOEP, OBEX и SDP в режиме, аналогичном IrMC синхронизации.

4. Разработка системы

С целью упростить учёт рабочего времени, мною была разработана система контроля и управления доступом на основе технологии Bluetooth.

Система состоит из

-   сервера (персональный компьютер с серверной частью и Bluetooth-адаптером)

-   клиентов (мобильные телефоны с технологией Bluetooth, поддерживающие jsr82 и клиентской частью программы).

Рисунок 5.1 Состав системы

Сервер постоянно рассылает широковещательный сигнал всем клиентским устройствам, зарегистрированным в его базе. У каждого устройства есть свой уникальный идентификатор, который вводится при установке мидлета на телефон и алгоритм шифрования, который так же хранится на сервере. Согласно этому алгоритму, как клиент так и сервер шифруют случайное число, генерируемое сервером 1 раз в час. По прошествии часа, сервер генерирует новое случайное число, передаёт его клиенту, и оба его шифруют по заданному алгоритму, в результате чего получается ключ. Этим идентификатором и ключом они и обмениваются всё время соединения.

В случае удачной проверки (совпадение идентификатора и ключа, полученных от клиента с теми, что имеются в базе сервера), сервер ждёт 5 минут, затем снова опрашивает клиента.

Информация о дате и времени появления\исчезания клиента в зоне досягаемости Bluetooth-радиоканала сервера фиксируется в log-файле.

4.1 Сервер:

4.2 Клиент:

4.3 Формат сообщений

Сообщение делится на 3 части:

-   заголовок сообщения,

-   тело сообщения

-   контрольная сумма сообщения.

Заголовок включает в себя:

-   тип пакета (1 байт)

-   тип сообщения (2 байта)

-   длина сообщения (2 байта)

Контрольная сумма состоит из 4 байт и следует за телом сообщения

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Цена программного обеспечения (ПО), разрабатываемого в дипломной работе, определяется по формуле:

(6.1)

где: h - норматив рентабельности, учитывающий прибыль организации разработчика ПО (0,15);

НДС – ставка налога на добавленную стоимость (0,18);

Тi – трудоемкость разработки ПО по видам работ, чел.час (10 чел.час.);

Á i – зарплата (основная) разработчиков i категории за 1 час работ, руб.час (300 руб.час);

Hg – коэффициент, учитывающий размер дополнительной зарплаты разработчиков (0,2);

HECH – ставка единого социального налога (0,28);

HH – коэффициент учитывающий накладные расходы организации, в которой разрабатывается ПО (0,35);

Тмо – машинное время, необходимое для отладки и тестирования ПО, маш.час (4 маш.час);

Цм – отпускная цена одного часа машинного времени, руб./маш.час (13).

Таким образом стоимость разработки ПО будет равна:

(6.2)

6. Охрана труда и техника безопасности

6.1 Введение

Судно - объект повышенной опасности. Наличие опасных и вредных производственных факторов при работе на морском флоте обусловлено спецификой труда. Задача охраны труда заключается в обеспечении работающему таких условий труда, чтобы при максимальной производительности утомляемость его была минимальной. В частности, охрана труда рассматривает наличие опасных и вредных факторов при работе на морском транспорте, предусматривает меры и мероприятия по предупреждению несчастных случаев и профессиональных заболеваний. Согласно ГОСТ 12.003-74 ССБТ опасные и вредные производственные факторы делятся по природе действия на следующие группы:

-   физические

-   химические

-   психофизиологические

Источники ЭМИ, например радиостанции УКВ, ПВ/КВ диапазонов, радиолокационные станции, ВЧ генераторы, спутниковые терминалы, персональные компьютеры и т.д. в настоящее время используются на судах для целей навигации и связи. При несоблюдении мер безопасности их эксплуатация может привести к неблагоприятным изменениям в состоянии здоровья членов экипажей. Следовательно, при проведении предупредительного и текущего санитарного надзора необходима гигиеническая оценка этого фактора обитаемости на судах.

Электромагнитные излучения характеризуются следующими основными параметрами: частотой, длиной волны, временем распространения и скоростью, которая в обычных условиях равна скорости света, т. е. 3*105 км/с.

Таблица 7.1

В зависимости от частоты колебаний (длины волн) электромагнитные излучения разделяют на ряд диапазонов. Электрическое (Е) и магнитное (Н) поля неразрывно связаны между собой, что проявляется в постоянном переходе энергии одного поля в энергию другого. Совокупность обоих полей представляет электромагнитное поле (ЭМП), необходимым условием возникновения которого является колебательный процесс.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8