Mạng Bluetooth (tiếng Anh Bluetooth) là mạng cá nhân sử dụng chuẩn truyền thông không dây khoảng cách ngắn Bluetooth, cho phép các thiết bị tương tác với nhau trong phạm vi cá nhân sử dụng mô hình khách-chủ. Mạng Bluetooth sử dụng sóng vô tuyến UHF tần số từ 2.402 GHz – 2.480 GHz và tạo thành mạng PAN (Personal Area Network) và có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, công nghệ, y học, công nghiệp, …

Thành phần cơ sở

Thành phần cơ sở của hệ thống mạng Bluetooth là piconet, gồm một nút chính và có thể kết nối tới bảy nút con trong khoảng cách tới 10m. Nhiều piconet có thể nằm trong cùng một không gian rộng và có thể kết nối với nhau qua một nút cầu tham dự trong một mạng lưới đa piconet. Một nhóm các piconet kết nối với nhau gọi là một scatternet. Piconet là mạng tùy biến trong đó kết nối nhóm các thiết bị không dây sử dụng các giao thức của công nghệ Bluetooth. Một piconet gồm hai hoặc nhiều thiết bị cùng chiếm một kênh truyền thông vật lý được đồng bộ qua đồng hồ chung với cùng chuỗi tín hiệu nhảy tần cho phép một thiết bị chính kết nối với tối đa bảy thiết bị con đang hoạt động. Ngoài ra có thể có tới 255 thiết bị con ở trạng thái không hoạt động, hay ở trạng thái nghỉ để tiết kiệm năng lượng. Thiết bị chính có thể đưa chúng vào trạng thái hoạt động sau khi có một thiết bị con hoạt động chuyển sang trạng thái nghỉ. Ví dụ về piconet có thể là thiết bị di động kết nối với máy tính, hay máy xách tay kết nối với các máy ảnh số có công nghệ Bluetooth.

Mạng piconet là hệ thống TDM (time division multiplexing - phân kênh theo thời gian) tập trung, trong đó nút chính điều khiển đồng hồ đồng bộ và xác định thiết bị nào sẽ được truyền thông trong khe thời gian nào. Tất cả các quá trình truyền thông đều diễn ra giữa nút chính và nút con, tương tác trực tiếp giữa các nút con với nhau là không thể.

Cấu trúc

Chuẩn Bluetooth gồm nhiều giao thức được nhóm lại một cách lỏng lẻo theo tầng, không tuân theo mô hình OSI hay TCP/IP, mô hình 802 hay các mô hình khác.

Tầng Radio vật lý

Tầng thấp nhất là tầng Radio vật lý, tầng này tương ứng với tầng Vật lý của mô hình OSI hay mô hình 802. Các chức năng trên tầng này làm việc với quá trình truyền tín hiệu radio và điều chế tín hiệu. Nhiều giải pháp đã thực hiện trên tầng này để đảm bảo cho hệ thống có giá thành thấp và có thể là sản phẩm hàng loạt trên thị trường.

Chức năng trên tầng Radio là chuyển các bit từ nút chính tới các nút con và ngược lại. Tầng này gồm hệ thống năng lượng thấp trong phạm vi 10m sử dụng dải tần số 2.4GHz ISM giống như 802.11. Dải tần số được chia thành 79 kênh 1MHz mỗi kênh. Để có thể cùng hiện diện với các mạng khác cùng sử dụng dải ISM, Bluetooth sử dụng kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS cho phép 1600 bước nhảy một giây với khe thời gian 625 microsec.

Tầng điều khiển kết nối

Tầng điều khiển kết nối, hay còn gọi là tầng dải tần cơ sở hơi tương tự với tầng điều khiển truy cập MAC, tuy vậy tầng này cũng chứa các thành phần của tầng Vật lý. Các chức năng trên tầng này đảm bảo sao cho nút chính có thể điều phối các khe thời gian và sao cho các khe này có thể nhóm lại thành khung. Tiếp tới là hai giao thức sử dụng giao thức điều khiển kết nối:

• Quản trị kết nối kiểm soát việc thiết lập các kênh logic giữa các thiết bị, bao gồm quản lý năng lượng, quản lý việc kết đôi và mã hoá, và quản lý chất lượng dịch vụ. Chức năng quản trị kết nối nằm dưới đường giao diện điều khiển nút. Giao diện này đưa ra để thuận tiện cho việc thực hiện công nghệ: thông thường, những giao thức nằm dưới giao diện này sẽ thực hiện trên Bluetooth chip. Còn những giao thức phía trên giao diện này sẽ thực hiện trong thiết bị Bluetooth chứa chip.

• Giao thức kết nối phía trên giao diện là L2CAP (Logical Link Control Adaptation Protocol). Giao thức này đóng khung những thông điệp có độ dài thay đổi với độ tin cậy nếu cần thiết. Nhiều giao thức sử dụng L2CAP như giao thức phát hiện dịch vụ và giao thức Rfcomm (Radio Frequency Communication). Giao thức phát hiện dịch vụ sử dụng để xác định các dịch vụ trong mạng. Giao thức Rfcomm sẽ mô phỏng cổng tuần tự tiêu chuẩn tìm thấy trên PC để kết nối các thiết bị ngoại vi như bàn phím, chuột, modem,...

Tầng ứng dụng

Tầng cao nhất là tầng ứng dụng. Các ứng dụng khác nhau có thể có các hồ sơ giao thức khác nhau, xác định các nhóm giao thức của chồng giao thức có thể được sử dụng. Những hồ sơ ứng dụng cụ thể thông thường sẽ chứa những giao thức sử dụng cho ứng dụng đó và không dùng cho ứng dụng khác. Ví dụ, một hồ sơ giao thức cho bộ tai nghe Bluetooth sẽ khác với của chuột Bluetooth. Một hồ sơ giao thức ứng dụng có thể chứa L2CAP nếu ứng dụng phải gửi các gói dữ liệu, nhưng có thể bỏ qua L2CAP nếu ứng dụng chỉ gồm các luồng dữ liệu âm thanh.

Lịch sử hình thành và phát triển

Năm 1994, hãng Ericsson bắt đầu nghiên cứu khả năng kết nối điện thoại di động của hãng với các thiết bị khác và máy tính xách tay không sử dụng cáp chuyển. Vào năm 1998, cùng với bốn hãng công nghệ lớn là IBM, Intel, Nokia, Toshiba, Ericsson lập ra nhóm SIG (Special Interest Group) để thực hiện dự án phát triển chuẩn kết nối không dây cho phép các thiết bị tương tác với nhau cũng như tương tác với các thiết bị phụ trợ sử dụng sóng radio không dây qua khoảng cách ngắn, tiêu hao năng lượng thấp và giá thành không cao. Dự án có tên là Bluetooth.

Phiên bản Bluetooth 1.0 được công bố vào tháng 7 năm 1999. Hiện nay hầu hết các thiết bị điện tử đều sử dụng Bluetooth: các điện thoại di động, cụm tai nghe và micro, máy in, bàn phím, chuột, loa và thiết bị âm thanh, thiết bị định vị, đồng hồ thông minh, bộ trò chơi, robot, … Giao thức Bluetooth cho phát những thiết bị này phát hiện lẫn nhau, kết nối với nhau, thực hiện quá trình kết đôi (pairing) và truyền dữ liệu an toàn.

Phiên bản Bluetooth 2.0 với tốc độ dữ liệu cao hơn được công bố vào năm 2004. Phiên bản Bluetooth 3.0 được phát triển và công bố vào năm 2009. Trong phiên bản này, các thiết bị có thể kết đôi bằng Bluetooth kết hợp với 802.11 để đạt thông lượng dữ liệu cao hơn. Tháng 12/2009, phiên bản Bluetooth 4.0 được phát triển đối với những thao tác năng lượng thấp. Điều này tiện lợi cho những người không muốn nạp năng lượng cho thiết bị một cách thường xuyên.

Bluetooth thường được ứng dụng khi cần trao đổi dữ liệu giữa hai hoặc nhiều thiết bị ở gần nhau trong những trường hợp có băng thông thấp. Những tình huống hay ứng dụng Bluetooth thường là truyền dữ liệu âm thanh giữa điện thoại và máy tính cầm tay. Các hãng sản xuất công nghệ lớn như Apple, Google, Samsung, … luôn hỗ trợ các kết nối qua Bluetooth.

Những sản phẩm công nghệ hay ứng dụng Bluetooth có thể kể đến như điện thoại, loa, tai nghe, máy tính bảng, các hệ thống robot, máy tính xách tay, các thiết bị trò chơi,... Nhiều nhiều thiết bị công nghệ cao cũng ứng dụng Bluetooth như các modem, máy trợ thính, thiết bị y tế, các bộ thiết bị cảm ứng, đồng hồ, … Giao thức Bluetooth làm quá trình khám phá, khởi tạo, cài đặt các dịch vụ giữa các thiết bị trở nên đơn giản hơn. Những thiết bị Bluetooth có thể thông báo về sự hiện diện và các dịch vụ của mình. Điều này làm cho quá trình sử dụng dịch vụ đơn giản và dễ dàng hơn, bảo mật hơn, quá trình đánh địa chỉ cũng như gán quyền có thể được cấu hình tự động dễ dàng hơn so với một số dạng mạng khác.

Tài liệu tham khảo

1. A.S. Tanenbaum, and D. J. Wetherall (2011). Computer Networks. Pearson 2011.
2. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2007.
3. W. Stallings. Data and Computer Communications. Pearson 2013;
4. Benrouz A. Forouzan. Data Communication and Networking. McGraw-Hill 2012.
5. J. F Kurose, K. W Ross. Computer Networking A topdown approach,.6th ed. Pearson. 2013.