Bluetooth

Bluetooth или «блютус» (/bluːtuːθ/, в переводе с англ. означает «синий зуб») — спецификация беспроводных персональных сетей WPAN (Wireless personal area network). 

Благодаря интерфейсу Bluetooth осуществляется обмен информацией между ПК и мобильными телефонами, принтерами, цифровыми фотоаппаратами, мышами, клавиатурами, наушниками, гарнитурами и прочим оборудованием. Причем, связь осуществляется бесплатно и имеет надежную и широкодоступную радиочастоту.

Интерфейс Bluetooth дает возможность устройствам идентифицироваться, при нахождении в радиусе до 200 метров друг от друга. В случае с Bluetooth, дальность играет ключевое значение, а качество и стабильность канала связи зависит от существующих помех.

Уровень (по модели OSI):

Прикладной

Год создания

1994

Назначение протокола

Беспроводная связь между устройствами на расстоянии до 100 метров (класс I)

Спецификация

IEEE 802.15.1

Разработчик

Bluetooth SIG


Bluetooth: название и лого

Название «Bluetooth» переводится как «Синезубый». Такое прозвище было у датского короля Харальда I. Почему взяли за производное прозвище именно этого правителя? Дело в том, что главной его заслугой являлось объединение враждовавших датских племен в единое королевство. Так, и в случае с интерфейсом Bluetooth подразумивается то же самое: интерфейс связывается с протоколами связи и объединяет их в один единый стандарт. 

Логотип Bluetooth состоит из двух нордических рун: «хаглаз» (Hagall) — аналога латинской H и «беркана»  (Berkanan) — латинской B. Логотип имеет общие черты с более старой эмблемой компании Beauknit Textiles, являющейся подразделением корпорации Beauknit. В том логотипе используется слияние отраженной буквы K с буквой В, логотип больше в ширину и имеет округленные углы, но в остальном идентичен логотипу Bluetooth.

История Bluetooth

Bluetooth был разработан группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), основанной в 1998 году. В эту группу разработчиков входили такие компании, как: Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии, Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, в рамках которого спецификация Bluetooth считалась частью стандарта IEEE 802.15.1. Этот стандарт был опубликован 14 июня 2002 года. 

За создание интерфейса Bluetooth специалисты Ericsson Mobile Communication взялись в 1994 году. Изначально данная технология была заточена строго под потребности системы FLYWAY и его функционального интерфейса.

Класс

Максимальная мощность, мВт

Максимальная мощность, дБм

Радиус действия, м

1

100

20

100

2

2,5

4

10

3

1

0

1


Принцип работы Bluetooth

В основе стандарта Bluetooth лежит принцип использования радиоволн. Радиосвязь Bluetooth производится в ISM-диапазоне, применяющемся в ряде бытовых приборов и в беспроводных сетях. Кстати, данный диапазон (2,4-2,4835 ГГц) свободен от лицензирования. 

В Bluetooth используется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты, именуемый FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum). Данный метод весьма прост в реализации и обеспечивает стабильную устойчивость к широкополосным помехам. К тому же, оборудование в данном методе сравнительно недорогое.

По данным алгоритма FHSS, Bluetooth имеет скачкообразную несущую частоту сигнала, которая меняется 1600 раз в секунду. Последовательность переключения между частотами для каждого соединения - псевдослучайная и известна исключительно передатчику и приемнику. Эти элементы синхронно перестраиваются с одной частоты на другую каждые 625 мкс. Так, при нахождении рядом друг с другом нескольких пар типа «приемник-передатчик», никаких помех между ними не возникает. Данный алгоритм выступает в качестве элемента системы защиты конфиденциальности передаваемой информации. Переход осуществляется по псевдослучайному алгоритму и определяется индивидуально для каждого соединения. 

Для осуществления передачи цифровых данных и аудиосигнала применяются различные схемы кодирования. Аудиосигнал, как правило, в этом случае, не повторяется, а цифровые данные, при утери пакета, передаются повторно.

Важно отметить, что Bluetooth имеет поддержку не только соединения типа «point-to-point» (один отправитель - один приемник), но и «point-to-multipoint (один отправитель - несколько приемников)».

Спецификации

Bluetooth 1.0

Устройства, работающие на версии Bluetooth 1.0 и 1.0B, обладали плохой совместимостью между продуктами разных производителей. В 1.0 и 1.0B передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи была обязательна. Это приводило к невозможности реализации анонимного соединения, что являлось ключевым недостатком этой спецификации.

Bluetooth 1.1

Bluetooth 1.1 - более совершенная версия, с множественными исправлениями и доработками. По сути, это тщательно переработанная 1.0B версия. В новой спецификации была добавлена поддержка нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2

Версия Bluetooth 1.2 уже включала в себя реализованную технологию адаптивной перестройки рабочей частоты (AFH). Это нововведение позволило улучшить сопротивляемость к электромагнитным помехам, благодаря внедрению разнесенных частот в последовательности перестройки. Кроме того, была увеличена и скорость передачи, появилась технология eSCO, улучшающая качество передачи голоса за счет повторной пересылки поврежденных пакетов. В HCI была добавлена поддержка трех-проводного интерфейса UART.

Основные улучшения:

  • Быстрота подключения и идентификации устройств.
  • Адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), повышающая устойчивость к радиопомехам.
  • Увеличенная до 721 кбит/с скорость передачи данных.
  • Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке.
  • В Host Controller Interface (HCI) добавили поддержку трехпроводного интерфейса UART.
  • Утвердили как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005.
  • Режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR

Версия Bluetooth 2.0 появилась 10 ноября 2004 года. Она обладала обратной совместимостью со всеми предыдущими версиями. Главным нововведением в новой спецификации стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Скорость EDR достигала 3 Мбит/с, впрочем, на практике, этот показатель составлял всего 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигалась благодаря различным радио-технологиям передачи данных.

Базовая скорость передачи данных применяла GFSK-модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR применяла сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK, которые обладали высокими скоростями передачи данных по воздуху — 2 и 3 Mбит/с соответственно.

Bluetooth SIG опубликовали спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR». Она подразумивала, что EDR будет выступать в качестве дополнительной функции. 

Впрочем, помимо внедрения EDR, в новой спецификации существовали и другие усовершенствования. Была открыта возможность соответствия «Технологии Bluetooth 2.0» продуктов, не поддерживающих более высокую скорость передачи данных. 

Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивала:

  • Трехкратное увеличение скорости передачи (до 2,1 Мбит/с);
  • Уменьшение сложности нескольких одновременных подключений, за счет внедрения дополнительной полосы пропускания;
  • Более низкое потребление энергии за счет сокращения нагрузки.

Bluetooth 2.1

Новая версия Bluetooth 2.1 появилась на рынке в 2007 году. В ней была реализована технология расширенного запроса характеристик устройства. Это было сделано специально для организации дополнительной фильтрации списка при сопряжении. Кроме того, реализована энергосберегающая технология Sniff Subrating, дающая возможность увеличения продолжительности работы устройства в 3—10 раз. Также, обновленная спецификация заметно упрощает и ускоряет установление связи между устройствами, дает возможность осуществлять обновление ключа шифрования без разрыва соединения. Сами соединения стали более защищенными благодаря внедрению технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

Bluetooth SIG в версии 2.1+EDR появилась в августе 2008 года. Новая редакция протокола отличалась более низкими показателями потребления энергии (в 5 раз ниже), более высоким уровнем защиты данных, который существенно облегчал процедуру идентификации и соединения Bluetooth-девайсов за счет сокращения числа шагов выполнения.

Bluetooth 3.0 + HS

Спецификация Bluetooth 3.0 + HS была принята 21 апреля 2009 года. В новой версии появилась поддержка скорости передачи данных до 24 Мбит/с (в теории). Ключевой особенностью данной спецификации является введение асимметричной мультипроцессорной обработки AMP (альтернатива MAC/PHY), а также дополнения к 802.11 как высокоскоростного сообщения. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, однако UWB в спецификации отсутствует.

Поддерживающие новую спецификацию модели соединили в себе две радиосистемы: первая дает возможность передавать данные со скоростью 3 Мбит/с и обладает низким энергопотреблением; вторая - имеет совместимость со стандартом 802.11 и дает возможность осуществлять передачу данных со скоростью до 24 Мбит/с (почти как в Wi-Fi). 

В Bluetooth 3.0 применяется более общий стандарт 802.11 (без суффикса). он не имеет совместимости с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0

В декабре 2009 года была обнародована новая версия Bluetooth 4.0. Технология была нацелена на использование миниатюрных электронных датчиков, активно применяющихся в спортивной обуви, тренажерах и проч.

Протокол Bluetooth 4.0 отличается очень низким энергопотреблением, которого удалось достичь благодаря применению специального алгоритма работы системы. Передатчик активизируется лишь на время отправки данных, благодаря чему одной батарейки типа CR2032 хватает на несколько лет активной работы. 

Стандарт способен обеспечить скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8—27 байт. Новая спецификация позволяет двум Bluetooth-устройствам устанавливать соединение менее, чем за 5 миллисекунд, а впоследствии, поддерживать его на расстоянии до 100 м. Это возможно благодаря усовершенствованной системе коррекции ошибок. Высокий уровень безопасности обеспечивается 128-битным AES-шифрованием.

Датчики температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. могут передавать информацию посредством нового протокола на различные устройства. 

Хронология Bluetooth 4.0

  • Первый чип, поддерживающий Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в 2009 году. Массовое производство Bluetooth-модулей пока не организовано. 
  • 20 июля 2011 года, корпорация Apple обнародовала новое поколение линейки ноутбуков MacBook Air, а также новое поколение компьютеров Mac mini. Обе линейки оснащались Bluetooth стандарта 4.0.
  • 4 октября 2011 года, корпорация Apple обнародовала новое поколение iPhone 4S, которое также оснащалось стандартом Bluetooth 4.0.
  • 7 марта 2012 года, корпорация Apple показала новый iPad, поддерживающий Bluetooth 4.0.
  • 27 февраля 2012 года, компания LG обнародовала новый смартфон LG Optimus 4X HD, поддерживающий Bluetooth 4.0 BLE, HS.
  • 1 мая 2012 года, компания HTC показала новый смартфон HTC One (X, S, V) с поддержкой Bluetooth 4.0.
  • 3 мая 2012 года, Samsung обнародовал новое поколение смартфона Samsung Galaxy S III, со стандартом Bluetooth 4.0.
  • 7 августа 2012 года, компания Explay показала новый смартфон Explay Infinity, также обладающий Bluetooth 4.0.


Профили Bluetooth

Что такое профиль? Это определенный пакет функций, доступных для конкретного Bluetooth-устройства. Чтобы осуществить совместную работу устройств потребуется, чтобы они имели поддержку общего профиля.

Данные профили определены и получили одобрение от группы разработчиков Bluetooth SIG:

  • Advanced Audio Distribution Profile (A2DP). Производит передачу двухканального стерео аудиопотока. Благодаря нему, к примеру, можно передавать музыку к беспроводной гарнитуре или к любому устройству. Профиль имеет поддержку низкокомпрессированного кодека Sub_Band_Codec (SBC), кроме того, он опционально поддерживает MPEG-1,2 аудио, MPEG-2,4 AAC и ATRAC, также поддерживает кодеки от производителя.
  • Audio / Video Remote Control Profile (AVRCP). Способен управлять стандартными функциями телевизора и Hi-Fi-оборудования. Дает возможность создавать устройства с функциями дистанционного управления. Используется в связке с профилями A2DP или VDPT.
  • Basic Imaging Profile (BIP). Осуществляет пересылку изображений между девайсами, также имеет возможность изменения размера изображения и конвертацию форматов под стать возможностям принимающего устройства.
  • Basic Printing Profile (BPP). Осуществляет пересылку текста, e-mail-сообщений, vCard и прочих элементов на принтер. При этом не требует от принтера каких-то специальных драйверов, в отличие от HCRP.
  • Common ISDN Access Profile (CIP). Позволяет получить доступ к ISDN.
  • Cordless Telephony Profile (CTP). Беспроводная телефония.
  • Device ID Profile (DIP). Дает возможность идентификации класса устройства, производителя и версии продукта.
  • Dial-up Networking Profile (DUN). Осуществляет стандартный доступ к Интернету или другому телефонному сервису посредством Bluetooth. Построен на SPP, включает в себя команды PPP и AT, которые определены в спецификации ETSI 07.07.
  • Fax Profile (FAX). Дает возможность связи между мобильным или стационарным телефоном и ПК с установленным на него ПО для факсов. Имеет поддержку набора AT-команд в стиле ITU T.31 и/или ITU T.32. Голосовой звонок, а также передача данных не поддерживается.
  • File Transfer Profile (FTP_profile). Предоставляет доступ к файловой системе устройства. Включает в себя стандартный набор команд FTP, который дает возможность получать список директорий, изменения директорий, получать и передавать, а также удалять файлы. Транспортом является OBEX, базируется на GOEP.
  • General Audio / Video Distribution Profile (GAVDP). Платформа для A2DP и VDP.
  • Generic Access Profile (GAP). Платформа для всех остальных профилей.
  • Generic Object Exchange Profile (GOEP). Платформа для других профилей передачи данных, построена на OBEX.
  • Hard Copy Cable Replacement Profile (HCRP). Является альтернативой кабельного соединения между устройством и принтером. В данном случае, принтер потребует специфичных драйверов.
  • Hands-Free Profile (HFP). Обеспечивает соединение беспроводной гарнитуры и телефона, передает монозвук в одном канале.
  • Human Interface Device Profile (HID). Обеспечивает поддержку устройств с HID (Human Interface Device) - мыши, джойстики, клавиатуры - для их активации использует медленный канал, работает с пониженной мощностью.
  • Headset Profile (HSP). Позволяет подключение беспроводной гарнитуры (Headset) и телефона. Поддержка минимального набора AT-команд спецификации GSM 07.07 в целях получения возможности совершать звонки, отвечать на звонки. Посредством профиля Headset, если у пользователя Bluetooth 1.2 и выше, есть возможность вывода на гарнитуру всего звукового сопровождения работы телефона. Такие гарнитуры оснащены передачей стереозвука, в отличие от моделей, поддерживающих только профиль Hands-Free.
  • Intercom Profile (ICP). Возможность совершать голосовые звонки между Bluetooth-совместимыми устройствами.
  • LAN Access Profile (LAP). Предоставляет доступ к вычислительным сетям LAN, WAN или Интернет, используя другое Bluetooth-устройство, имеющее физическое подключение к таким сетям. Bluetooth-устройство использует PPP поверх RFCOMM для установки соединения. 
  • Object Push Profile (OPP). Базовый профиль для пересылки «объектов», (изображения, виртуальные визитные карточки и проч.). Передача данных инициируется клиентом.
  • Personal Area Networking Profile (PAN). Предоставляет возможность использования протокола Bluetooth Network Encapsulation в виде транспорта через Bluetooth-соединение.
  • Phone Book Access Profile (PBAP). Производит обмен записями телефонных книг между устройствами.
  • Serial Port Profile (SPP). Построен на спецификации ETSI TS07.10 и использует протокол RFCOMM. Эмулируется последовательный порт, заменяя стандартный RS-232 беспроводным соединением. Базовая функция для профилей DUN, FAX, HSP и AVRCP.
  • Service Discovery Application Profile (SDAP). Предоставляет данные о профилях, используемых устройством-сервером.
  • SIM Access Profile (SAP, SIM). Предоставляет доступ к SIM-карте телефона, что позволяет использовать одну SIM-карту в нескольких устройствах.
  • Synchronisation Profile (SYNCH). Проводит синхронизацию персональных данных (PIM). Профиль взят и адаптирован из спецификации инфракрасной связи.
  • Video Distribution Profile (VDP). Передает потоковое видео. Имеет поддержку H.263, стандарты MPEG-4 Visual Simple Profile, H.263 profiles 3, profile 8 поддерживаются опционально.
  • Wireless Application Protocol Bearer (WAPB). Позволяет организовать P-to-P (Point-to-Point) соединение.


Безопасность

В июне 2006 года была опубликована статья с подробным описанием алгоритма атаки на bluetooth-устройства. Ее авторами выступили Авишай Вул и Янив Шакед. В статье содержалось описание как активной, так и пассивной атаки.

Пассивная атака позволяет, заполучив PIN код устройства, осуществить соединение с данным устройством и «подслушать» процесс инициализации соединения. В дальнейшем, как правило, полученные данные применяются для установки соединения. Для организации и проведения подобной атаки злоумышленнику необходимо находиться в непосредственной близости от объекта в момент установления связи. Поскольку не всегда такая возможность существует, появилась идея активной атаки, которая представляет собой отправку особого сообщения в определенный момент, которое впоследствии позволяет запустить процесс инициализации с устройством злоумышленника. 

И та, и другая процедура весьма сложны и включают в себя множество этапов. Главное - это сбор пакетов данных и их последующий анализ. Атаки базируются на уязвимостях аутентификации, найдя которые злоумышленник создает специальный ключ-шифр между двумя устройствами.

#