Беспроводной USB

Эта статья нуждается в обновлении . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Июнь 2020 г. )

Эта статья, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Июнь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Логотип Certified Wireless USB

Wireless USB - это протокол беспроводной радиосвязи малого радиуса действия с высокой пропускной способностью , созданный группой Wireless USB Promoter Group, целью которой является дальнейшее повышение доступности общих технологий на основе USB. В целом IPv6 был ключом к этой технологии. Он поддерживается WiMedia Alliance, и (по состоянию на 2009 год) текущая версия 1.0, которая была утверждена в 2005 году. ^[1] Беспроводной USB иногда сокращается как «WUSB», хотя Форум разработчиков USB не одобряет эту практику и вместо этого предпочитает Назовем технологию Certified Wireless USB, чтобы отличить ее от конкурирующего стандарта UWB.

Беспроводной USB был основан на (ныне несуществующей) WiMedia Alliance «s сверхширокополосных (СШП) общего радио платформы, которая может передавать 480  Мбит / с на расстоянии до 3 метров (9,8 футов) и 110 Мбит / с на вверх до 10 метров (33 футов). Он был разработан для работы в диапазоне частот от 3,1 до 10,6  ГГц , хотя местные нормативные требования могут ограничивать допустимый рабочий диапазон в некоторых странах.

Обзор [ править ]

Обоснованием этой спецификации является ошеломляющий успех USB в качестве основы для периферийных устройств повсюду: упомянутые причины включают чрезвычайную простоту использования и низкую стоимость, которые позволяют существование повсеместной двунаправленной архитектуры с быстрым портом . Определение Ultra-WideBand (UWB) очень близко соответствует возможностям и скорости передачи USB (от 1,5 и 12 Мбит / с до 480 Мбит / с для USB 2.0) и обеспечивает естественное беспроводное расширение USB на коротких расстояниях. (3 метра, до 10 со сниженной скоростью 110 Мбит / с). Тем не менее, больше нет физической шины для питания периферийных устройств, а отсутствие проводов означает, что некоторые свойства, которые обычно считаются само собой разумеющимися в системах USB, должны быть достигнуты другими способами.

Целью спецификации является сохранение функциональной модели USB, основанной на интеллектуальных хостах и ​​простых в поведении устройствах, в то же время позволяя ему работать в беспроводной среде и сохраняя уровень безопасности на уровне традиционных проводных систем. Он также стремится быть сравнительно энергоэффективным. Для этого он использует существующий стандарт, который определяет подходящий физический уровень и управление доступом к среде , с помощью которых может быть достигнута желаемая производительность, и добавляет к нему уровень конвергенции для объединения обеих архитектурных усилий.

W-USB определяется как шина, хотя и логическая, а не физическая, которая может одновременно соединять хост с рядом периферийных устройств. Хост делит доступную полосу пропускания с помощью стратегии множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA). Он поддерживает способность USB безопасно управлять устройствами на лету . Хосты могут связываться с устройствами на расстоянии до 10 метров.

Использует [ редактировать ]

Беспроводной USB используется в игровых контроллерах , принтерах , сканерах , цифровых камерах , портативных медиаплеерах , жестких дисках и USB-накопителях . ^{[ необходима цитата ]} Он также подходит для передачи параллельных видеопотоков с использованием USB по сверхширокополосным протоколам.

Развитие [ править ]

Группа разработчиков Wireless USB Promoter Group была сформирована в феврале 2004 года для определения протокола Wireless USB ^{[ необходима цитата ]} . В группу входят Agere Systems (в настоящее время объединенная с LSI Corporation ), Hewlett-Packard , Intel , Microsoft , NEC Corporation , Philips , Staccato Communications , Alereon , Wisair и Samsung ^{[ ссылка необходима ]} .

В мае 2005 года Wireless USB Promoter Group анонсировала версию 1.0 спецификации Wireless USB. ^{[ необходима цитата ]}

В июне 2006 года пять компаний впервые продемонстрировали совместимость беспроводных USB-устройств с различными производителями. Ноутбук с хост-адаптером Intel, использующим Alereon PHY, использовался для передачи видео высокой четкости с беспроводного полупроводника Philips с PHY Staccato Communications, все с использованием драйверов Microsoft Windows XP, разработанных для Wireless USB.

В октябре 2006 года Федеральная комиссия по связи США (FCC) одобрила беспроводные USB-устройства Host Wire Adapter (HWA) и Device Wire Adapter (DWA) от WiQuest Communications для использования на открытом воздухе и в помещении. Первый розничный продукт был отправлен IOGEAR с использованием Alereon., Intel и NEC в середине 2007 г. Примерно в то же время Belkin, Dell, Lenovo и D-Link начали поставки продуктов, в которых использовалась технология WiQuest. Эти продукты включали в себя встроенные карты в ноутбуки или адаптеры для тех ПК, которые в настоящее время не поддерживают Wireless USB. В 2008 году компания Dell выпустила новую беспроводную док-станцию ​​USB от Kensington. Этот продукт был уникальным, поскольку он был первым продуктом на рынке, поддерживающим видео и графику через USB-соединение с использованием графической USB-технологии DisplayLink . В августе 2008 года компания Kensington выпустила универсальную док-станцию ​​Wireless USB для беспроводной связи между ноутбуком и внешним монитором, динамиками и существующими проводными периферийными устройствами USB. Imation объявила о выпуске Q408 нового внешнего жесткого диска Wireless HDD.

16 марта 2009 г. WiMedia Alliance объявил о соглашениях о передаче сверхширокополосных (UWB) спецификаций WiMedia. WiMedia передала спецификации в группу специальных интересов Bluetooth (SIG), группу промоутеров беспроводных USB-устройств и форум разработчиков USB . После передачи технологии WiMedia Alliance прекратил работу. ^{[2] [3] [4]} В октябре 2009 года группа по интересам Bluetooth отказалась от разработки UWB как части альтернативной технологии MAC / PHY, Bluetooth 3.0 / High Speed. Небольшое, но значительное количество бывших участников WiMedia не подписали и не подписали необходимые соглашения об интеллектуальной собственности.передача. Группа Bluetooth теперь переключает свое внимание с UWB на 60 ГГц . ^{[5] [6] [7]}

29 сентября 2010 года была анонсирована версия 1.1 спецификации Wireless USB. ^[8] Он обеспечивает несколько улучшений с обратной совместимостью: поддержка верхней полосы UWB для частот 6 ГГц и выше, улучшенное управление мощностью и потреблением, а также поддержка NFC и ассоциации на основе близости.

Архитектура протокола [ править ]

Как уже упоминалось, модель USB сохраняется, и, как правило, вносятся незначительные изменения в соответствии с конкретными потребностями беспроводной системы. Изменения следующие сверху вниз:

• Функция слой испытывает лишь незначительные изменения для повышения эффективности и поддержки изохронизма .
• Уровень устройства включает в себя функции безопасности и управления устройствами, ориентированные на беспроводную связь.
• Уровень шины не меняет своих функций, но существенно адаптирован для повышения эффективности и безопасности беспроводных сетей.

Изменения в USB [ править ]

Замена медных проводов на уровне шины вносит неоднозначность в фактическое состояние соединений между хостом и устройством и, что еще более важно, потенциально открывает доступ к обмену данными для любого другого устройства в пределах диапазона распространения, тогда как по проводу они были достаточно безопасными. Следовательно, должны быть установлены явные безопасные отношения. Для этого уровни шины и устройства включают необходимые ресурсы для использования функциональным уровнем. Каждая передача W-USB шифруется на уровне шины без ухудшения горизонтальной связи между уровнями.

Шина следует методике опроса на основе TDMA, контролируемой хостом. Передача состоит из трех частей: токена , данных и рукопожатия . По соображениям эффективности несколько токенов, содержащих информацию о времени для устройств, могут быть сгруппированы в один, таким образом формируя группы транзакций . Размеры контроля потока и пакетные регулируются для энергетической эффективности, при соблюдении высокого уровня трубы модели связи между источником и местом назначением.

Даже сохранение типичной для модели USB частоты ошибок в беспроводных средах требует изменений в механизмах, используемых для достижения указанной модели: среди прочего, квитирование данных и буферизация.

UWB определяет уровни PHY и MAC, которые необходимо интегрировать в модель W-USB. В частности, MAC объединяется с подуровнем управления логическим каналом (LLC) для формирования канального уровня , отвечающего за шифрование / дешифрование, управление ошибками PHY и синхронизацию, в то время как сам PHY обеспечивает правильность заголовков, а не полезной нагрузки.

Уровень MAC особенно важен для W-USB. Он использует суперкадры, разделенные на 256 временных интервалов , первый из которых предназначен для передачи информации радиомаяка . Слоты могут быть дополнительно выделены для удовлетворения потребностей кластеров устройств, также идентифицируемых MMC (см. Ниже). Хост поддерживает один или несколько каналов связи W-USB и полностью осведомлен об уровне MAC, тогда как устройству необходимо использовать только определенный интерфейс W-USB для связи по существующим каналам.

В устройствах есть три степени сознания MAC. Самый высокий из них соответствует устройству с самосигналом , которое способно выполнять сигнализацию самостоятельно. Следующая степень представляет устройства направленной передачи маяков , которые не осведомлены о кадрах MAC и имеют ограниченные возможности передачи маяков в зависимости от хоста, который должен обнаруживать и передавать маяковые сигналы для соседних устройств. Наконец, существуют устройства, не передающие маяки , которые имеют очень ограниченную способность передавать и принимать; с другой стороны, устройства, которые не могут быть обнаружены хостом, не могут быть затронуты этими устройствами и не могут повлиять на них.

Таким образом, устройства, не передающие маяковые сигналы, могут работать только в непосредственной близости от хоста. Направленные и самосигнальные устройства должны иметь возможность идентифицировать своих скрытых соседей , что они и делают, испуская маяки. Со своей стороны, хосты управляют глобальными таймерами с точностью, необходимой для физического носителя (20 ppm ). Время канала передается в MMC и используется для распределения слотов, поэтому важно, чтобы хосты выполняли точную передачу маяков. Устройства также могут передавать объявления о резервировании маяка.

Суперкадр включает временные интервалы уведомления устройства для асинхронных передач, инициированных устройствами (которые не используют каналы, а вместо этого напрямую подключаются к уровню шины); хост динамически назначает слоты по мере необходимости. Помимо этого, транзакции W-USB между хостом и конечными точками выполняются как в USB.

Архитектура передачи данных [ править ]

Транзакции используют микропланирование TDMA при соблюдении семантики USB. Протокол сплит-транзакции используется , чтобы несколько операций , которые будут выполняться одновременно. Это связано с концепцией группы транзакций, которая состоит из микропланированной команды управления (MMC) и выделенных временных интервалов для выполнения связанной с ней рабочей нагрузки.

Беспроводная передача данных, как правило, сопряжена со значительными накладными расходами; для смягчения этого W-USB заменяет их фазой данных пакетного режима , которая группирует один или несколько пакетов данных, что уменьшает разделители пакетов и промежутки разделения, в отличие от правила USB одного пакета данных на транзакцию. Степень применения этой практики можно регулировать, что приводит к различной степени равенства между конкурирующими устройствами.

В спецификации определены четыре конкретных типа передачи данных; здесь кратко излагаются их отличительные особенности.

• Массовые передачи затрагивают канал, поскольку пропускная способность доступна. Доставка гарантирована, но ни скорость передачи, ни задержка не гарантируются, хотя хост может попытаться использовать ожидающие передачи или конечные точки. Они используются для передачи больших объемов, демонстрируя резкое изменение во времени. В них используются однонаправленные трубы.
• Передача прерывания обслуживает короткие транзакции, требующие высокой надежности и низкой задержки. Гарантируется максимальный период обслуживания, а также количество повторных попыток в течение указанного периода.
• Изохронная передача обеспечивает гарантированные скорости передачи и ограниченную задержку для попыток передачи, а также в среднем постоянную скорость передачи данных (хотя и зависит от среды, обычно сопоставимая со скоростью, достижимой через проводной USB). Также существует по крайней мере одна гарантированная повторная попытка в течение периода обслуживания, и это поддерживает дополнительную надежность против пакетов ошибок путем добавления задержки к потоку в соответствии с емкостью буферизации; размеры полезной нагрузки можно регулировать. Тем не менее, в конечном итоге может потребоваться отбросить самые старые данные в буферах (получатель может быть проинформирован об объеме информации, отброшенной, пока канал не используется). Хосты будут отбрасывать данные только по истечении времени представления пакета.
• Передачи управления такие же, как в USB 2.0. Система использует политику максимальных усилий, но программное обеспечение может ограничивать доступ к каналу и доступную полосу пропускания для устройств.

Управление питанием также может влиять на передачу данных, так как устройства могут управлять потреблением энергии по своему усмотрению. Тот факт, что протокол связи основан на TDMA, означает, что и хост, и устройства точно знают, когда их присутствие не требуется, и могут использовать это для перехода в режимы энергосбережения. Устройства могут отключать свои радиомодули прозрачно для хоста, сохраняя при этом свои соединения. Они также могут отключаться на длительный период времени, если они предварительно уведомили хост, поскольку они будут игнорировать все сообщения от указанного хоста. В конце концов, устройство запустит процедуру пробуждения и проверит незавершенные работы.

В свою очередь, хост обычно отключает свое радио, когда оно не нужно. Если он решает остановить канал, временно перейти в режим гибернации или выключения, он должен уведомить устройства, прежде чем он сможет это сделать.

Параметры совместимости для более старого оборудования [ править ]

Архитектура WUSB позволяет напрямую подключать к хосту до 127 устройств. Поскольку нет проводов или портов, больше нет необходимости в концентраторах.

Однако для облегчения перехода от проводной к беспроводной сети WUSB представил новый класс Device Wire Adapter (DWA) . DWA, который иногда называют «концентратором WUSB», позволяет использовать существующие устройства USB 2.0 по беспроводной сети с хостом WUSB.

Возможности хоста WUSB могут быть добавлены к существующим ПК с помощью Host Wire Adapter (HWA) . HWA - это устройство USB 2.0, которое подключается извне к USB-порту настольного компьютера или ноутбука или внутренне к интерфейсу MiniCard ноутбука.

WUSB также поддерживает устройства с двойной ролью (DRD) , которые помимо того, что являются устройством WUSB, могут функционировать как хост с ограниченными возможностями. Например, цифровая камера может действовать как устройство при подключении к компьютеру и как хост при передаче изображений непосредственно на принтер.

Связь [ править ]

W-USB может формировать настоящие USB-системы, состоящие из хоста, устройств и поддержки взаимодействия. В нем реализована модель USB- концентратора со спицами , в которой до 127 беспроводных устройств могут формировать двухточечные каналы (лучевые) с хостом (концентратором). Хост-контроллер уникален в системе и обычно встроен в рабочий компьютер, хотя он может быть подключен к нему через простое соединение USB, возможно, также беспроводное. Такая топология похожа на звездообразную сеть (но все коммуникации строго двухточечные, а не между устройствами).

Чтобы обеспечить возможность подключения обычных проводных USB-устройств, в спецификации определены проводные адаптеры устройств . Точно так же хосты подключаются к системам W-USB с помощью сетевого адаптера хоста . Несмотря на то, что физический уровень основан на Ultra-WideBand, устройства W-USB имеют полностью совместимый интерфейс USB. Физический уровень может поддерживать широкий диапазон скоростей передачи, три из которых определены как поддерживаемые в обязательном порядке: 53,3, 106,7 и 200 Мбит / с, все другие возможные скорости UWB являются необязательными для устройств (хосты должны поддерживать их все).

Устройства W-USB классифицируются так же, как и традиционные USB. Из-за наличия проводных адаптеров традиционные концентраторы USB не нужны. Устройство поддерживает один или несколько каналов связи с хостом и выделяет конечную точку 0 для канала управления USB. Информация о типе устройства доступна через этот канал.

Соединения с хостом создаются посредством сообщения об установлении, отправляемого в определенный момент. И хост, и устройство могут затем пройти аутентификацию, используя свои уникальные ключи; если процесс завершается успешно, хост назначает устройству уникальный адрес USB, после чего устройство становится видимым для протокола USB. Поскольку модель подключения допускает отключение на лету без предупреждения, подключения всегда должны оставаться активными. Помимо принудительных отключений хоста или устройства, длительные периоды бездействия могут запускать одни и те же механизмы завершения.

Кроме того, у хостов W-USB есть другие обязанности, выходящие за рамки проводного хоста; а именно, их подуровень MAC отвечает за надзор за соответствием уровней MAC устройства. При необходимости это требует оказания им помощи в выполнении их обязанностей по передаче маяков и обработке данных по передаче маяков, которые могут быть им отправлены. Кроме того, радиосвязь UWB и связанная с ней полоса пропускания могут использоваться совместно с другими объектами, и хост должен убедиться, что определенные политики удовлетворяются; в соответствии с совместным использованием (которое может быть скоординировано во избежание помех) он сможет предложить полную или частичную функциональность.

Отношение к сверхширокополосному [ править ]

СШП - это общий термин для радиосвязи с использованием импульсов энергии, которые распространяют излучаемую радиочастотную энергию на более чем 500 МГц спектра или превышают 20% относительной ширины полосы частот в диапазоне частот от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, как это определено постановлением Федеральной комиссии связи, выпущенным для СШП в феврале. 2002. UWB не является специфическим для WiMedia или какой-либо другой компании или группы, и на самом деле существует ряд групп и компаний, разрабатывающих технологию UWB, совершенно не связанную с WiMedia. WUSB - это протокол, опубликованный Форумом разработчиков USB, который использует радиоплатформу WiMedia UWB. Другие протоколы, объявившие о своем намерении использовать радиоплатформу WiMedia UWB, включают Bluetooth и протокол управления логическим каналом WiMedia. ^{[ необходима цитата ]}

Беспроводной USB против 60 ГГц [ править ]

Несколько проблем отличает Wireless USB от других предлагаемых / конкурирующих стандартов, которые используют диапазон 60 ГГц, например WiGig :

Поле зрения

На частоте 60 ГГц радиосвязь блокируется любым вмешивающимся объектом, что подразумевает необходимость прямой видимости . Беспроводной USB основан на платформе Ultra-WideBand (UWB), которая работает в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц и, таким образом, может проходить через промежуточные тела.

Мобильность

Технология 60 ГГц привлекательна для рынка беспроводного видео, потому что она должна обеспечивать беспроводную связь с несколькими гигабитными скоростями. ^[9] Чтобы поддерживать такие высокие требования, нижележащий уровень MAC должен иметь возможность обрабатывать этот огромный объем данных. Для этих требований изделиям на базе 60 ГГц требуется более высокое энергопотребление и больше электроники, которые менее подходят для мобильных устройств или устройств.

Сравнение цифровых радиочастотных систем [ править ]

Безопасность [ править ]

Надежность - одна из основных задач, на которых построена спецификация, и поэтому управление ресурсами и подключение / отключение устройств становится даже более важным, чем в проводном USB. Потеря и повреждение пакетов решаются с помощью тайм-аутов, а также аппаратной буферизации, гарантированных повторных попыток (как указано в описании моделей передачи) и других методов управления потоком . Если политика синхронизма не может поддерживаться, ошибки могут обрабатываться аппаратно или программно (повторные попытки, максимальное количество неудачных попыток, решения по восстановлению после сбоев и т. Д.).

Хост W-USB пытается снизить ненадежность беспроводных сред (10% ошибок считается приемлемым для пакетов размером 1 кБ; в проводных средах это значение обычно составляет около ^10-9 ), поддерживая счетчики и статистику для каждого устройства и возможные запросы информации. от них. Он также может получать доступ и изменять функции управления мощностью передачи каждого устройства, а также изменять параметры передачи, такие как размер полезной нагрузки данных и настройки полосы пропускания.

Основное внимание всегда уделяется обеспечению качества обслуживания, сопоставимого с традиционным USB. Провода предлагают очень высокий уровень безопасности (с учетом типичной доверенной рабочей среды), поэтому стандартный USB не имеет с этим дело, даже если он не препятствует его применимости или реализуемости; W-USB явно управляет безопасностью, но вместо того, чтобы использовать основу UWB, он разрабатывает модель, которая действительна для USB в целом. Из-за этого его необходимо добавить в общую плоскость управления USB- устройством .

Для существования связи должны быть установлены безопасные отношения. Они должны иметь определенную цель и ограничивать членство в группе, которая служит основой доверия для выполнения желаемой работы. В проводных системах передача данных подразумевает контролируемое физическое соединение; это переводится в область беспроводной связи через концепцию владения : пользователь доверяет устройствам, которые, в свою очередь, подтверждают это доверие другим (взаимодействуя в так называемых церемониях ), чтобы сформировать желаемые ассоциации. Идентификатор USB-адреса - это знак доверия владельца. Приложениям могут потребоваться другие базы доверия, которые напрямую не поддерживаются данной моделью USB, и в этом случае они могут быть реализованы поверх основного стека USB.

Более того, доверие необходимо поддерживать, иначе оно истечет. После получения группового ключа кластера устройство должно поддерживать соединение, по крайней мере, подтверждая его присутствие в пределах каждой границы тайм-аута доверия , которая установлена ​​на четыре секунды. Если ему не удается выполнить это требование, требуется повторная аутентификация.

Следуя естественной асимметрии USB, хост инициирует все процессы (кроме сигнализации), безопасность не является исключением. К устройствам направляются запросы безопасности, чтобы определить их возможности безопасности, после чего можно выбрать соответствующие устройства. Стандартный метод симметричного шифрования - AES-128 с CCM , хотя шифрование с открытым ключом может использоваться для начальной аутентификации (а именно, только отправка начального ключа CCM) при условии, что достигнутый уровень безопасности сопоставим (на практике с использованием 3072 -битный RSA и SHA-256 для хеширования).

Обратите внимание на разницу между мастер-ключами и сеансовыми ключами . Мастер-ключи долговечны и обычно работают как общий секрет или как средство распространения сеансовых ключей, которые, в свою очередь, не переживают соединение, для которого они были созданы, и обычно служат функциональным механизмом шифрования / дешифрования. В конкретном поле заголовка указывается, какой из возможных ключей следует использовать. Также важно отметить, что механизмы предотвращения повторного воспроизведения требуют наличия счетчиков, которые обновляются при действительных приемах. Диапазон этих счетчиков еще больше ограничивает срок службы ключей сеанса.

Конкуренты [ править ]

Существуют и другие формы USB по беспроводной связи, например, основанные на конкурирующей сверхширокополосной технологии прямой последовательности от Cable-Free USB. ^[12] То же самое верно и для других радиочастотных систем замены проводов, которые могут нести USB. В результате было принято название Certified Wireless USB, чтобы позволить потребителям определять, какие продукты будут соответствовать стандарту и будут поддерживать правильный протокол и скорость передачи данных.

Также существует USB over IP, который может использовать IP-сеть для беспроводной передачи USB-трафика. Например, с соответствующими драйверами сторона хоста может использовать Wi-Fi 802.11a / b / g / n / ac (или проводной Ethernet ) для связи со стороной устройства. ^[13]

Media Agnostic USB [ править ]

По состоянию на 2013 ^{[Обновить]}, Медиа Агностик USB ( MA USB ) является спецификация разрабатывается USB реализаторы Forum . Он предназначен для обеспечения возможности обмена данными с использованием протокола универсальной последовательной шины (USB) в широком диапазоне физических коммуникационных сред, включая беспроводные сети Wi-Fi и WiGig . ^[14] Протокол разрабатывается на основе предыдущей спецификации WiGig Serial Extension , разработанной Wi-Fi Alliance . ^{[15] [16]}

Media Agnostic USB отличается от предыдущих беспроводных протоколов USB, таких как Certified Wireless USB, и их не следует путать с ними.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Официальный веб-сайт
• Характеристики:
  • USB 1.0
  • USB 2.0
• Wireless USB Promoter Group
• Сертифицированные беспроводные USB-продукты на USB IF
• WiMedia Alliance
  • Последняя таблица нормативного статуса WiMedia
• Статьи:
  • Проблемы перехода на беспроводной USB
  • 5 шагов к обеспечению качества беспроводного USB