Wireless USB ( Universal Serial Bus ) — это протокол беспроводной радиосвязи с малым радиусом действия и высокой пропускной способностью , созданный Wireless USB Promoter Group, который призван повысить доступность общих технологий на базе USB . Он не связан с Wi-Fi и отличается от предложений Cypress Wireless USB. Он поддерживался WiMedia Alliance , прекратившим свою деятельность в 2009 году. Wireless USB иногда сокращается до WUSB , хотя Форум разработчиков USB не одобряет эту практику и вместо этого предпочитает называть технологию Certified Wireless USB, чтобы отличать ее от конкурирующего стандарта UWB.
Беспроводной USB был основан на общей радиоплатформе WiMedia Alliance Ultra -WideBand (UWB), которая способна передавать 480 Мбит/с на расстояние до 3 метров (9,8 фута) и 110 Мбит/с на расстояние до 10 метров (33 фута). Он был разработан для работы в диапазоне частот от 3,1 до 10,6 ГГц , хотя местные регулирующие политики могут ограничивать допустимый рабочий диапазон в некоторых странах.
Стандарт в настоящее время устарел, и в течение многих лет не производилось никакого нового оборудования, хотя он был принят Android для точной передачи сигналов [1]
Поддержка стандарта была прекращена в Linux 5.4 [2] [3] и удалена в Linux 5.7 [4]
Обоснованием для этой спецификации был ошеломляющий успех USB как основы для периферийных устройств по всему миру; в качестве причин упоминаются чрезвычайная простота использования и низкая стоимость, которые позволяют существовать повсеместной двунаправленной, быстрой архитектуре порта . 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 короткие расстояния (3 метра, до 10 при сниженной скорости 110 Мбит/с). Тем не менее, больше не было физической шины для питания периферийных устройств, а отсутствие проводов означает, что некоторые свойства, которые обычно принимаются как должное в системах USB, должны быть достигнуты другими способами.
Целью спецификации было сохранение функциональной модели USB , основанной на интеллектуальных хостах и поведенчески простых устройствах, при этом позволяя ей работать в беспроводной среде и сохраняя безопасность на уровне, предлагаемом традиционными проводными системами. Она также стремится быть сравнительно энергоэффективной. Для достижения этого она использует существующий стандарт, который определяет подходящий физический уровень и управление доступом к среде , с помощью которых может быть достигнута желаемая производительность, и добавляет к ней уровень конвергенции для объединения обоих архитектурных усилий.
W-USB был определен как шина, хотя и логическая, а не физическая, которая может одновременно соединять хост с несколькими периферийными устройствами. Хост делит доступную полосу пропускания с помощью стратегии множественного доступа с временным разделением (TDMA). Он поддерживает способность USB безопасно управлять устройствами на лету . Хосты могут взаимодействовать с устройствами на расстоянии до 10 метров.
Беспроводной USB-интерфейс потенциально мог использоваться в игровых контроллерах , принтерах , сканерах , цифровых камерах , портативных медиаплеерах , жестких дисках и USB-флеш-накопителях . [ необходима ссылка ] Он также подходил для передачи параллельных видеопотоков с использованием USB по сверхширокополосным протоколам.
Группа Wireless USB Promoter Group была сформирована в феврале 2004 года для определения протокола Wireless USB . Группа состояла из Agere Systems (теперь объединена с LSI Corporation [5] ), Hewlett-Packard , Intel , Microsoft , NEC Corporation , Philips Semiconductors и Samsung . [6]
В мае 2005 года Wireless USB Promoter Group анонсировала версию 1.0 спецификации Wireless USB. [7]
В июне 2006 года пять компаний продемонстрировали первую демонстрацию взаимодействия между различными поставщиками беспроводного USB. Ноутбук с хост-адаптером Intel , использующий PHY Alereon , использовался для передачи видео высокой четкости с беспроводного полупроводника Philips с PHY Staccato Communications, все с использованием драйверов Microsoft Windows XP, разработанных для беспроводного USB.
В октябре 2006 года Федеральная комиссия по связи США (FCC) одобрила беспроводные USB-продукты Host Wire Adapter (HWA) и Device Wire Adapter (DWA) от WiQuest Communications для использования как на открытом воздухе, так и в помещении. Первый розничный продукт был отправлен IOGEAR с использованием кремния Alereon , Intel и NEC в середине 2007 года. Примерно в то же время Belkin, Dell, Lenovo и D-Link начали поставлять продукты, включающие технологию WiQuest. Эти продукты включали встроенные карты в ноутбуки или адаптеры для тех ПК, которые в настоящее время не включают беспроводной USB. В 2008 году новая беспроводная док-станция USB от Kensington была представлена через Dell. Этот продукт был уникальным, поскольку он был первым продуктом на рынке, поддерживающим видео и графику через USB-соединение с помощью графической технологии DisplayLink USB. Kensington выпустила беспроводную универсальную док-станцию USB в августе 2008 года для беспроводного соединения между ноутбуком и внешним монитором, динамиками и существующими проводными периферийными устройствами USB. Компания Imation объявила о выпуске в четвертом квартале 2008 года нового внешнего беспроводного жесткого диска. [8]
16 марта 2009 года альянс WiMedia объявил о соглашениях о передаче спецификаций сверхширокополосной связи (UWB) WiMedia. WiMedia передала спецификации Bluetooth Special Interest Group (SIG), Wireless USB Promoter Group и USB Implementers Forum . После передачи технологий альянс WiMedia прекратил свою деятельность. [9] [10] [11] В октябре 2009 года Bluetooth Special Interest Group прекратила разработку UWB как части альтернативной технологии MAC/PHY, Bluetooth 3.0/High Speed. Небольшое, но значительное число бывших членов WiMedia не подписали и не будут подписывать необходимые соглашения о передаче интеллектуальной собственности . Затем группа Bluetooth переключила свое внимание с UWB на 60 ГГц . [12] [13] [14]
29 сентября 2010 года была анонсирована версия 1.1 спецификации Wireless USB. [15] Она предоставила несколько улучшений обратной совместимости: поддержку верхнего диапазона UWB для частот 6 ГГц и выше, улучшенное управление питанием и потреблением, а также поддержку NFC и ассоциации на основе близости.
Как уже упоминалось, модель USB сохраняется, и в целом вносятся незначительные изменения, чтобы соответствовать конкретным потребностям беспроводной системы. Изменения следующие, сверху вниз:
Замена медных проводов на уровне шины вносит неоднозначность в фактическое состояние соединений хост-устройство и, что еще важнее, потенциально полностью раскрывает коммуникации для любого другого устройства в пределах диапазона распространения, тогда как они были достаточно безопасны по проводу. Следовательно, необходимо установить явные безопасные отношения. Для этого уровни шины и устройства включают необходимые ресурсы для использования функциональным уровнем. Каждая передача W-USB шифруется уровнем шины, не нарушая горизонтальную связь между уровнями.
Шина следует подходу опроса на основе TDMA , контролируемому хостом. Передача формируется из трех частей: токена , данных и рукопожатия . В целях эффективности несколько токенов, содержащих информацию о времени для устройств, могут быть сгруппированы в один, таким образом формируя группы транзакций . Управление потоком и размеры пакетов регулируются для энергоэффективности, при этом соблюдается модель высокоуровневого канала связи между источником и местом назначения.
Даже при сохранении типичных показателей ошибок модели USB в беспроводных средах требуется внесение изменений в механизмы, используемые для реализации этой модели: среди прочего, в механизмы установления связи и буферизации данных.
UWB определяет как уровни PHY, так и MAC, которые необходимо интегрировать в модель W-USB. В частности, MAC объединяется с подуровнем управления логическим каналом (LLC) для формирования уровня канала , отвечающего за шифрование/дешифрование, управление ошибками PHY и синхронизацию, в то время как сам PHY отвечает за корректность заголовков, а не полезных нагрузок.
Уровень MAC особенно важен для W-USB. Он использует суперкадры , разделенные на 256 временных интервалов , первый из которых предназначен для передачи информации маяка . Слоты могут быть дополнительно выделены для удовлетворения потребностей кластеров устройств, также идентифицированных MMC (см. ниже). Хост поддерживает один или несколько каналов связи W-USB и полностью осведомлен о уровне MAC, тогда как устройству нужно использовать только определенный интерфейс W-USB для связи через существующие каналы.
Существует три степени MAC-осознания в устройствах. Самая высокая из них соответствует устройству с автомаяком , которое способно выполнять маякирование самостоятельно. Следующая степень представляет устройства с направленным маяком , которые не знают о кадрах MAC и имеют ограниченные возможности маяка, зависящие от хоста для обнаружения и маяка для близлежащих устройств. Наконец, существуют устройства без маяка , которые имеют очень ограниченную возможность передачи и приема; с другой стороны, устройства, которые не обнаруживаются хостом, не могут быть затронуты этими устройствами и не могут повлиять на них.
Таким образом, устройства без маяков могут работать только в очень близком соседстве с хостом. Устройства с направленным и самомаяковым сигналом должны иметь возможность идентифицировать своих скрытых соседей, что они и делают, испуская маяки. Со своей стороны хосты управляют глобальными таймерами с точностью, требуемой физической средой (20 ppm ). Время канала отправляется в MMC и используется для выделения слотов, поэтому важно, чтобы хосты выполняли точную маяковую передачу. Устройства также могут маячить декларации резервирования.
Суперфрейм включает временные интервалы уведомления устройств для асинхронных передач, инициированных устройствами (которые не используют каналы, а вместо этого напрямую подключаются к слою шины); хост динамически назначает интервалы по мере необходимости. Помимо этого, транзакции W-USB между хостом и конечными точками выполняются так же, как в USB.
Транзакции используют микропланирование TDMA, придерживаясь семантики USB. Протокол разделенных транзакций используется для одновременного выполнения нескольких транзакций. Это связано с концепцией группы транзакций, которая состоит из микропланируемой команды управления (MMC) и выделенных временных интервалов для выполнения связанной с ней рабочей нагрузки.
Беспроводная передача данных, как правило, влечет за собой очень значительные накладные расходы; чтобы смягчить это, W-USB заменяет их фазой данных в пакетном режиме , которая группирует один или несколько пакетов данных, что уменьшает разделители пакетов и разрывы разделения, в отличие от правила USB одного пакета данных на транзакцию. Степень применения этой практики может быть скорректирована, что приводит к различной степени равенства между конкурирующими устройствами.
Спецификация определяет четыре конкретных типа передачи данных; их идентификационные характеристики обобщены здесь.
Управление питанием также может влиять на передачу данных, поскольку устройства могут контролировать свое энергопотребление 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 длительные периоды времени, если предварительно уведомят хост, поскольку они будут игнорировать все сообщения от этого хоста. В конце концов, устройство запустит процедуру пробуждения и проверит наличие ожидающей работы.
В свою очередь, хост обычно выключает свое радио, когда оно не нужно. Если он решает остановить канал, временно находиться в состоянии гибернации или выключения, он должен уведомить устройства, прежде чем он сможет это сделать.
Архитектура WUSB позволяет подключать до 127 устройств напрямую к хосту. Поскольку нет проводов и портов, больше нет необходимости в концентраторах.
Однако для облегчения перехода от проводного к беспроводному WUSB представил новый класс Device Wire Adapter (DWA) . Иногда называемый «концентратором WUSB», DWA позволяет существующим устройствам USB 2.0 использоваться беспроводным способом с хостом WUSB.
Возможности WUSB-хоста можно добавить к существующим ПК с помощью адаптера Host Wire (HWA) . HWA — это устройство USB 2.0, которое подключается снаружи к USB-порту настольного компьютера или ноутбука или изнутри к интерфейсу MiniCard ноутбука.
WUSB также поддерживает устройства с двойной ролью (DRD) , которые в дополнение к тому, что являются устройством WUSB, могут функционировать как хост с ограниченными возможностями. Например, цифровая камера может выступать в качестве устройства при подключении к компьютеру и в качестве хоста при передаче изображений напрямую на принтер.
W-USB может формировать настоящие USB-системы, образованные хостом, устройствами и поддержкой взаимосвязи. Он реализует модель USB -концентратора-спицы , в которой до 127 беспроводных устройств могут формировать двухточечные соединения (спицы) с хостом (концентратором). Контроллер хоста уникален в системе и обычно встроен в работающий компьютер, хотя он может быть подключен к нему через простое USB-соединение, возможно, также беспроводное. Такая топология похожа на звездообразную сеть (но все коммуникации строго двухточечные, никогда между устройствами).
Для того чтобы обеспечить подключение обычных проводных USB-устройств, спецификация определяет адаптеры проводов устройств . Аналогично, хосты подключаются к системам W-USB с помощью адаптера проводов 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 данных, из которых три определены как обязательно поддерживаемые: 53,3, 106,7 и 200 Мбит/с, все остальные возможные скорости UWB являются необязательными для устройств (хосты должны поддерживать их все).
Устройства W-USB классифицируются так же, как и традиционные USB. Из-за существования проводных адаптеров традиционные USB-концентраторы 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.
Подключения к хосту создаются посредством сообщения об установлении, отправляемого в определенный момент. Затем хост и устройство могут продолжить аутентификацию с использованием своих уникальных ключей; если процесс проходит 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 те же механизмы завершения.
Кроме того, хосты W-USB имеют другие обязанности, которые выходят за рамки обязанностей проводного хоста; а именно, их подуровень MAC отвечает за надзор за пригодностью уровней MAC устройства. При необходимости это требует оказания им помощи в их обязанностях по передаче сигналов и обработки данных по передаче сигналов, которые могут быть им отправлены. Кроме того, радио UWB и связанная с ним полоса пропускания могут совместно использоваться с другими субъектами, и хост должен убедиться, что определенные политики выполняются; в соответствии с общим использованием (которое может быть скоординировано для предотвращения помех) он сможет предложить полную или частичную функциональность.
UWB — это общий термин для радиосвязи с использованием импульсов энергии, которые распространяют излучаемую радиочастотную энергию на 500 МГц+ спектра или превышают 20% дробной полосы пропускания в диапазоне частот от 3,1 ГГц до 10,6 ГГц, как определено постановлением FCC, выпущенным для UWB в феврале 2002 года. UWB не является специфичным для WiMedia или любой другой компании или группы, и на самом деле существует ряд групп и компаний, разрабатывающих технологию UWB, совершенно не связанную с WiMedia. WUSB был протоколом, обнародованным Форумом разработчиков USB , который использовал радиоплатформу UWB WiMedia. Другие протоколы, которые объявили о своем намерении использовать радиоплатформу UWB WiMedia, включали Bluetooth и протокол управления логическим каналом WiMedia. [ необходима цитата ]
Несколько моментов отличают беспроводной USB от других предлагаемых/конкурирующих стандартов, использующих диапазон 60 ГГц, таких как WiGig :
Надежность является одним из основных вопросов, на которых строится спецификация, и как таковое управление ресурсами и подключение/отключение устройств становится даже более важным, чем в проводном USB. Потеря пакетов и повреждение решаются с помощью тайм-аутов , а также аппаратной буферизации, гарантированных повторных попыток (как упоминалось в описании моделей передачи) и других методов управления потоком . Если политики синхронизма не могут быть соблюдены, ошибки могут быть обработаны либо аппаратно, либо программно (повторы, максимальное количество неудачных попыток, решения о восстановлении после сбоя и т. д.).
Хост W-USB пытается смягчить ненадежность беспроводных сред (коэффициент ошибок 10% 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, возможно, запрашивая у них информацию. 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 обеспечивают очень высокий уровень безопасности (при типичной доверенной рабочей среде), поэтому стандартный USB не имеет с этим дела, хотя это не препятствует его применимости или реализуемости; W-USB управляет безопасностью явно, но вместо того, чтобы использовать базу UWB, он разрабатывает модель, которая действительна для USB в целом. Из-за этого его необходимо добавить в общую плоскость управления устройствами USB .
Для существования коммуникации 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 беспроводной домен через концепцию владения : пользователь предоставляет доверие устройствам, которые, в свою очередь, доказывают это доверие другим (взаимодействуя в так называемых церемониях ) для формирования желаемых ассоциаций. Идентификатор адреса USB является токеном доверия владельца. Приложения могут требовать другие основы доверия, напрямую не поддерживаемые этой специфичной для USB моделью, 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 свое присутствие в течение каждого тайм-аута доверия , который установлен 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. Запросы безопасности отправляются устройствам для определения их возможностей безопасности, после чего можно выбрать соответствующие устройства. Стандартный метод симметричного шифрования — AES-128 с CCM , хотя для начальной аутентификации может использоваться шифрование с открытым ключом (а именно, только отправка начального ключа CCM), при условии, что достигнутый уровень безопасности сопоставим (на практике с использованием 3072-битного RSA и SHA-256 для хеширования).
Обратите внимание, что существует разница между мастер-ключами и сеансовыми ключами . Мастер-ключи долговечны и обычно работают как общий секрет или средство распространения сеансовых ключей, которые, в свою очередь, не переживают соединение, для которого они были созданы, и обычно служат функциональным механизмом шифрования/дешифрования. Специальное поле заголовка указывает, какой из возможных ключей следует использовать. Также важно отметить, что механизмы предотвращения повторного воспроизведения требуют ведения счетчиков, которые обновляются при действительных приемах. Диапазон этих счетчиков еще больше ограничивает срок службы сеансовых ключей.
Существуют и другие формы USB по беспроводной связи, например, основанные на конкурирующей технологии сверхширокополосной связи с прямой последовательностью от Cable-Free USB. [19] То же самое было справедливо и для других систем замены проводов на основе радиочастот, которые могли передавать USB. В результате было принято название Certified Wireless USB , чтобы позволить потребителям определять, какие продукты будут соответствовать стандарту и будут поддерживать правильный протокол и скорости передачи данных.
Также существовал USB over IP, который мог использовать IP-сети для беспроводной передачи USB-трафика. Например, при наличии соответствующих драйверов хост-сторона могла использовать Wi-Fi 802.11a/b/g/n/ac (или проводной Ethernet ) для связи с устройством. [20]
По состоянию на 2013 год [update]Media Agnostic USB ( MA USB ) — это спецификация, разрабатываемая Форумом разработчиков USB . Она предназначена для обеспечения связи с использованием протокола Universal Serial Bus (USB) в широком диапазоне физических коммуникационных сред, включая беспроводные сети WiFi и WiGig . [21] Протокол разрабатывается на основе предыдущей спецификации WiGig Serial Extension от Wi-Fi Alliance . [22] [23]
Media Agnostic USB отличается от предыдущих беспроводных USB-протоколов, таких как Certified Wireless USB, и его не следует путать с ними.
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link){{cite web}}: CS1 maint: unfit URL (link)