Исследование технологий обмена данными между мобильным устройством и ПК. Проект Чернокозинецкий. Исследование технологий обмена данными между мобильным устройством и пк оглавление введение Технологии обмена
 Скачать 48.48 Kb.
|
ИНДИВИДУАЛЬНЫЙ ПРОЕКТ ПО ИНФОРМАТИКЕ УЧЕНИКА 11А КЛАССА Исследование технологий обмена данными между мобильным устройством и ПК ОГЛАВЛЕНИЕ Введение Технологии обмена Технология Bluetooth Технология Wi-Fi Технология USB Практическая часть: Сравнительный анализ технологий 8. Вывод Введение Цифровое мобильное устройство (то есть легко перемещаемое, портативное) — это любое небольшое устройство, которое обычно содержит дисплей и миниатюрную клавиатуру (позже был изобретён сенсорный экран с виртуальной клавиатурой). Первоначально это были в основном карманные устройства, но разнообразие таких устройств постоянно увеличивается. Устройства становятся более гибкими и могут выполнять различные функции, такие как запись и воспроизведение мультимедиа, подключение к видеочатам, подключение к Интернету, функции оплаты. Мобильные устройства имеют операционную систему (ОС) и могут запускать различные приложения, известные как мобильные приложения. Большинство из них также оснащены различными их типами (Wi-Fi, Bluetooth, GPS), которые позволяют подключаться к компьютерным сетям или другим аналогичным устройствам или, например, наушникам. Они часто оснащены одной или двумя миниатюрными цифровыми камерами, а их питание обеспечивается литиевой батареей. Персона́льный компью́тер, ПК (англ. personalcomputer, PC), ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) — однопользовательская (предназначенная для использования одним пользователем) ЭВМ, имеющая эксплуатационные характеристики бытового прибора и универсальные функциональные возможности. ПК может быть стационарным (чаще всего настольным) или портативным. Согласно ГОСТ 27201-87, ПК применяются как средства массовой автоматизации в социальной и производственных сферах деятельности в различных областях народного хозяйства и предназначенные для пользователей, не обладающих специальными знаниями в области вычислительной техники и программирования. Изначально компьютер был создан как вычислительная машина, но ПК также используется в других целях — как средство доступа в информационные сети и как платформа для мультимедиа, и компьютерных игр, и персональная рабочая станция. Очень часто в повседневной жизни нам необходимо перенести некоторые данные с мобильного устройства на ПК. Например: перенести видеофайлы с мобильного телефона на ПК, чтобы отредактировать их; передать документы с одного ПК на другой; скачать и передать аудиофайлы с ПК на MP3-плеер и т.п. Для этого мы используем технологии передачи (обмена) данными, основные из которых я рассмотрю и сравню. ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH Bluetooth (от слов англ. blue — синий и tooth — зуб; произносится /bluːtuːθ/), блюту́с — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (Wirelesspersonalareanetwork, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами, как персональные компьютеры (настольные, карманные, ноутбуки), мобильные телефоны, интернет-планшеты, принтеры, цифровые фотоаппараты, мыши, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры и акустические системы на надёжной, бесплатной, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся друг от друга в радиусе около 100 м в старых версиях протокола и до 1500 м начиная с версии Bluetooth 5. Дальность сильно зависит от преград и помех, даже в одном помещении. История создания Работы по созданию Bluetooth начал производитель телекоммуникационного оборудования Ericsson в 1994 году как беспроводную альтернативу кабелям RS-232. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой. Спецификация Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня 2002 года). Спецификации и основные изменения Bluetooth 1.0Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В версиях 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации. Bluetooth 1.1Исправление ошибок Поддержка для нешифрованных каналов Bluetooth 1.2Быстрое подключение и обнаружение Более высокая скорость передачи данных (до 1 Мбит/с) Bluetooth 2.0 + EDRBluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR — около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радиотехнологий передачи данных. Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют бо́льшие скорости передачи данных по воздуху — 2 и 3 Мбит/с соответственно. Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к спецификации 2.0, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство — HTC TyTN Pocket PC — использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях. Согласно спецификации 2.0 + EDR, у EDR имеются следующие преимущества: В некоторых случаях увеличение скорости передачи в три раза (2,1 Мбит/с). Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания. Снижение потребления энергии благодаря уменьшению нагрузки. Bluetooth 2.12007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3—10 раз. Bluetooth 2.1 + EDRВ августе 2008 года Bluetooth SIG представила версию 2.1 + EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в пять раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется. Bluetooth 3.0 + HS3.0 + HS[17] была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации. Bluetooth 4.030 июня 2010 года Bluetooth SIG утвердил спецификацию Bluetooth 4.0. Включает в себя протоколы: Классический Bluetooth, Высокоскоростной Bluetooth Bluetooth с низким энергопотреблением. Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth. Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением предназначен, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Bluetooth 4.1В конце 2013 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE. Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных. Bluetooth 4.23 декабря 2014 Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.2. Основные улучшения — повышение конфиденциальности и увеличение скорости передачи данных. Bluetooth 5.016 июня 2016 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 5.0]. Изменения коснулись в основном режима с низким потреблением и высокоскоростного режима. Радиус действия увеличен в четыре раза, скорость увеличена вдвое. Также версия Bluetooth 5.0 полностью совместима с предыдущими версиями Bluetooth. В этом типе протокола были серьёзные качественные обновления, которые позволили назвать новую версию не 4.3, а именно 5.0. Bluetooth 5.0 – большое обновление «синезуба», но оно почти не затрагивает беспроводную передачу звука. Bluetooth 5.1От предыдущих версий Bluetooth 5.1 отличается тем, что у пользователей есть возможность определять местоположение и направление с максимальной точностью. Ещё лучше оптимизировалось энергопотребление и увеличилась надёжность соединения по Bluetooth Low Energy. Bluetooth 5.2Спецификация опубликована SIG 6 января 2020 года. Новые функции: Улучшенная версия протокола атрибутов ATT — Enhanced Attribute protocol (EATT), который более безопасен, так как использует только шифрованное соединение. Новый LE Power Control — позволяет устройствам динамически оптимизировать мощность для связи между подключенными устройствами. LE Isochronous Channels — функция для поддержки нового стандарта передачи аудио LE Audio, следующего поколения Bluetooth-аудио. Позволяет передавать данные с привязкой ко времени на одно или несколько устройств для синхронизированной по времени обработки. Bluetooth 5.3Bluetooth SIG опубликовал спецификацию ядра Bluetooth версии 5.3 13 июля 2021 года. Улучшения функций Bluetooth 5.3 заключаются в следующем: Вычитание Соединения Периодический Рекламный Интервал Улучшение классификации каналов Улучшения в Управлении Размером Ключа Шифрования Технология Wi-Fi Wi-Fi — технология беспроводной локальной сети с устройствами на основе стандартов IEEE 802.11. Логотип Wi-Fi является торговой маркой Wi-Fi Alliance. Под аббревиатурой Wi-Fi (от английского словосочетания Wireless Fidelity, которое можно дословно перевести как «беспроводная точность») в настоящее время развивается целое семейство стандартов передачи цифровых потоков данных по радиоканалам. Основными диапазонами Wi-Fi считаются 2.4 ГГц (2412 МГц-2472 МГц) и 5 ГГц (5160-5825 МГц). Сигнал Wi-Fi может передаваться на километры даже при низкой мощности передачи, но для приема Wi-Fi-сигнала с обычного Wi-Fi-маршрутизатора на далеком расстоянии нужна антенна с высоким коэффициентом усиления (например параболическая антенна или Wi-Fi-пушка). Любое оборудование, соответствующее стандарту IEEE 802.11, может быть протестировано в Wi-Fi Alliance и получить соответствующий сертификат и право нанесения логотипа Wi-Fi. История создания Wi-Fi был создан в 1998 году в лаборатории радиоастрономии CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization) в Канберре, Австралия. Создателем беспроводного протокола обмена данными является инженер Джон О’Салливан. Стандарт IEEE 802.11n был утверждён 11 сентября 2009 года. Его применение позволяет повысить скорость передачи данных практически вчетверо по сравнению с устройствами стандартов 802.11g (максимальная скорость которых равна 54 Мбит/с), при условии использования в режиме 802.11n с другими устройствами 802.11n. Теоретически 802.11n способен обеспечить скорость передачи данных до 600 Мбит/с. С 2011 по 2013 разрабатывался стандарт IEEE 802.11ac, стандарт принят в январе 2014 года. Скорость передачи данных при использовании 802.11ac может достигать нескольких Гбит/с. Большинство ведущих производителей оборудования уже анонсировали устройства, поддерживающие данный стандарт. 27 июля 2011 года Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) выпустил официальную версию стандарта IEEE 802.22. Системы и устройства, поддерживающие этот стандарт, позволяют принимать данные на скорости до 22 Мбит/с в радиусе 100 км от ближайшего передатчика. Происхождение названияТермин «Wi-Fi» изначально был придуман как игра слов для привлечения внимания потребителя «намёком» на Hi-Fi (англ. HighFidelity — высокая точность). Несмотря на то, что поначалу в некоторых пресс-релизах WECA фигурировало словосочетание «Wireless Fidelity» («беспроводная точность»), на данный момент от такой формулировки отказались, и термин «Wi-Fi» никак не расшифровывается. Принцип работыОбычно схема сети Wi-Fi содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме точка-точка (Ad-hoc), когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «напрямую». Точка доступа передаёт свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит/с каждые 100 мс. Поэтому 0,1 Мбит/с — наименьшая скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. При попадании в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID приёмник может выбирать между ними на основании данных об уровне сигнала. Стандарт Wi-Fi даёт клиенту полную свободу при выборе критериев для соединения. Технология USB USB (англ. UniversalSerialBus — «универсальная последовательная шина») — последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике. Получил широчайшее распространение и стал основным интерфейсом подключения периферии к бытовой цифровой технике. Интерфейс позволяет не только обмениваться данными, но и обеспечивать электропитание периферийного устройства. Сетевая архитектура позволяет подключать большое количество периферии даже к устройству с одним разъёмом USB. Разработка спецификаций USB производится в рамках международной некоммерческой организации USB Implementers Forum (USB-IF), объединяющей разработчиков и производителей оборудования с шиной USB. В процессе развития выработано несколько версий спецификаций. Тем не менее разработчикам удалось сохранить высокую степень совместимости оборудования разных поколений. Спецификация интерфейса охватывает беспрецедентно широкий круг вопросов подключения и взаимодействия периферийных устройств с вычислительной системой: унификацию разъёмов и кабелей нормирование энергопотребления протоколы обмена данными унификацию функциональности и драйверов устройств ИсторияВ Intel днем рождения USB называют 15 ноября 1995 года. Первые спецификации для USB 1.0 были представлены в 1994—1995 годах. Разработка USB поддерживалась фирмами Intel, Microsoft, Philips, US Robotics. USB стал «общим знаменателем» под тремя не связанными друг с другом стремлениями разных компаний: Расширение функциональности компьютера. На тот момент для подключения внешних периферийных устройств к персональному компьютеру использовалось несколько «традиционных» (англ. legacy) интерфейсов (PS/2, последовательный порт, параллельный порт, порт для подключения джойстика, SCSI), и с появлением новых внешних устройств разрабатывали и новый разъём. Предполагалось, что USB заменит их все и заодно подхлестнёт разработку нетрадиционных устройств. Подключить к компьютеру мобильный телефон. В то время мобильные сети переходили на цифровую передачу голоса, и ни один из имеющихся интерфейсов не годился для передачи с телефона на компьютер как речи, так и данных. Простота для пользователя. Старые интерфейсы (например, последовательный (COM) и параллельный (LPT) порты) были крайне просты для разработчика, но не давали настоящего «подключи и работай». Требовались новые механизмы взаимодействия компьютера с низко- и среднескоростными внешними устройствами — возможно, более сложные для конструкторов, но надёжные, дружественные и пригодные к «горячему» подключению. Версии и спецификации USB 1.0Спецификация выпущена 15 января 1996 года. Технические характеристики: два режима работы: режим с низкой пропускной способностью (Low-Speed) — 1,5 Мбит/с; режим с высокой пропускной способностью (Full-Speed) — 12 Мбит/с; максимальная длина кабеля (без экрана) для режима Low-Speed — 3 м; максимальная длина кабеля (в экране) для режима Full-Speed — 5 м; максимальное количество подключённых устройств (включая размножители) — 127; возможно подключение «разноскоростных» периферийных устройств к одному контроллеру USB; напряжение питания для периферийных устройств — 5 В; максимальный ток, потребляемый периферийным устройством, — 500 мА. USB 1.1Спецификация выпущена в сентябре 1998 года. Исправлены проблемы и ошибки, обнаруженные в версии 1.0. Первая версия, получившая массовое распространение. USB 2.0Спецификация выпущена в апреле 2000 года. USB 2.0 отличается от USB 1.1 введением режима High-Speed (пометка на логотипе — «Hi-speed»). Для устройств USB 2.0 регламентировано три режима работы: Low-Speed, 10—1500 Кбит/c (клавиатуры, мыши, джойстики, геймпады); Full-Speed, 0,5—12 Мбит/с (аудио-, видеоустройства); High-Speed, 25—480 Мбит/с (видеоустройства, устройства хранения информации). USB 3.xUSB 3.0Окончательная спецификация USB 3.0 появилась в 2008 году. Созданием USB 3.0 занимались компании Intel, Microsoft, Hewlett-Packard, Texas Instruments, NEC и NXP Semiconductors. Спецификация USB 3.0 повышает максимальную скорость передачи информации до 5 Гбит/с, что на порядок больше скорости, которую может обеспечить USB 2.0. Также версия 3.0 отличается увеличенной с 500 мА до 900 мА силой тока. Таким образом, от одного порта можно запитывать большее количество устройств, а также отпадает необходимость использования внешнего питания для некоторых устройств. В спецификации USB 3.0 разъёмы и кабели обновлённого стандарта физически и функционально совместимы с USB 2.0, причём для однозначной идентификации разъёмы USB 3.0 принято изготавливать из пластика синего цвета (у некоторых производителей — красного). Кабель USB 2.0 содержит в себе четыре линии — пару для приёма/передачи данных, плюс и ноль питания, разъём «A» имеет 4 контакта. Для передачи высокоскоростных SuperSpeed сигналов в USB 3.0 добавлено ещё четыре линии связи (две витые пары) и один контакт сигнальной земли (GND_DRAIN), в результате чего кабель стал гораздо толще. Новые контакты в разъёмах USB 3.0 расположены отдельно от старых в другом контактном ряду. В октябре 2009 года появилась информация, что корпорация Intel решила отложить внедрение поддержки USB 3.0 в свои чипсеты до 2011 года. Это решение привело к тому, что до 2011 года данный стандарт не стал массовым, так как пользователю было недостаточно просто купить материнскую плату, был необходим дополнительный адаптер либо производитель материнских плат распаивал на них контроллер стороннего производителя. USB 3.131 июля 2013 года USB 3.0 Promoter Group объявила о принятии спецификации следующего интерфейса, USB 3.1, скорость передачи которого может достигать 10 Гбит/с. Компактный разъём USB Type-C, используемый с данной версией, является симметричным, позволяя вставлять кабель любой стороной, как это ранее сделала Apple в разъёмах Lightning. После выхода стандарта USB 3.1 организация USB-IF объявила, что режим передачи USB 3.0 со скоростью до 5 Гбит/с (SuperSpeed) теперь будут классифицироваться как USB 3.1 Gen 1, а новый стандарт передачи USB 3.1 со скоростью до 10 Гбит/с (SuperSpeed+) — как USB 3.1 Gen 2. В USB 3.1 Gen 2, помимо увеличения скорости до 10 Гбит/с, были снижены издержки кодирования до 3 % переходом на схему кодирования 128b/132b. Стандарт USB 3.1 обратно совместим с USB 3.0 и USB 2.0. На практике первая реализация USB 3.1 в виде IP-блока от Synopsys показала в декабре 2013 года эффективную скорость передачи 7,2 Гбит/с (900 МБ в секунду). USB 3.222 сентября 2017 некоммерческая организация USB Implementers Forum (USB-IF) опубликовала спецификацию стандарта USB 3.2, заключительная ревизия для USB 3.x. Новая спецификация предусматривает удвоение максимально возможной скорости передачи данных по сравнению с USB 3.1 Gen 2 — с 10 до 20 Гбит/с за счёт использования двух линий на 5 Гбит/с или 10 Гбит/с только для разъема USB Type-C по причине его двухсторонних контактов и использования дублирующих выводов как отдельный канал. USB4В отличие от предыдущих версий, название протокола пишется слитно, без пробела между словом «USB» и цифрой «4». Спецификация четвертой версии была опубликована 29 августа 2019 года. Новый базовый протокол повышает максимальную скорость до 40 Гбит/с (при использовании совместимых кабелей Type-C), сохраняя обратную совместимость с USB 3.2, USB 2.0 и, опционально, Thunderbolt 3.
Сравнительный анализ технологий Технология Bluetooth Достоинства: Bluetooth не требует для синхронизации прямой видимости между устройствами. Bluetooth не требует наличия проводов и кабелей. Максимальная дальность, находится в пределах 100 метров. Однако это расстояние во многом будет зависеть от типа устройства и используемой версии Bluetooth. Bluetooth не требовательна к мощности батареи. Это делает ее идеальным инструментом для очень многих электронных устройств. Простота использования Недостатки: Самая низкая скорость передачи в сравнении с другими технологиями. Потребляемая энергия в течение одной передачи данных незначительна, но на многих устройствах Bluetooth постоянно включен и это неизбежно съедает значительный заряд батареи, а также ощутимо снижает срок ее службы. Технология Wi-Fi Достоинства: Отсутствие проводов. Мобильность и высокая скорость передачи. Простая настройка. Недостатки: Задержки в сети. Ограничение скорости - снижение скорости у пользователя. Помехи с другими устройствами на частоте 2.4 МГц. Плохая безопасность протоколов защиты. Технология USB Достоинства: Самая высокая скорость передачи. Возможность использования в любых местах (при наличии провода). Недостатки: Необходимость наличия провода
|