Bluetooth: protocolli e applicazioni

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1 Bluetooth: protocolli e applicazioni Caterina Maria Cuva caterina.cuva@polito.it Seminario del corso di Infrastruttura e servizi per reti geografiche 22 giugno 2006

2 I problemi affrontati I calcolatori hanno la necessità di interagire con il mondo esterno: Connessione con le periferiche (mouse, tastiera, cuffie, ) Interazione alla pari con altri dispositivi vicini ed amici (reti personali, invio e ricezione di contenuti su richiesta o proattivo, ) Connessione con reti geografiche Nel dispositivi fissi, le diverse forme di comunicazione sono supportate da mezzi fisici distinti: i cavi Nei dispositivi mobili il cavo è un impedimento e deve essere eliminato 2

3 I problemi introdotti (1) La tecnologia Bluetooth nasce come strumento per la creazione di reti personali e la sostituzione dei cavi Si sfrutta una comunicazione radio per fare comunicare due dispositivi vicini Questo solleva un insieme di altri problemi In un cavo ci sono due estremità Via radio, i vicini possono essere più di uno La responsabilità di di scegliere un dispositivo e collegargli un cavo è affidata ad una persona Via radio, due dispositivi devono conoscersi, scegliersi e intendersi 3

4 I problemi introdotti (2) Un cavo resta collegato tra due dispositivi fino a che qualcuno non lo disconnette Via radio, la disconnessione può avvenire per semplice allontanamento o per la presenza di interferenze Se un dispositivo è collegato a due periferiche con cavi separati, le comunicazioni su un canale non influenzano quelle su un altro canale Le onde radio occupano lo spazio circostante che diventa un mezzo condiviso cui bisogna regolare l accesso Un cavo è passivo, dal punto di vista energetico Un sistema radio è attivo: assorbe energia anche quando non si sta trasmettendo 4

5 Tecnologie wireless (1) Caratteristiche IrDA Bluetooth Connessione Infrarosso, fascio stretto, senza ostacoli Spread spectrum, sferica Spread spectrum, sferica Spettro Ottico nm RF 2.4 GHz (5 GHz per a) RF 2.4 GHz Potenza di trasmissione mw/sr 100 mw mw Banda totale 9600 bps 16 Mbps 11 Mbps (54 Mbps per a, g) 723 kbps 5

6 Tecnologie wireless (2) Caratteristiche IrDA Bluetooth Distanza utile 1 m 100 m m Dispositivi supportati 2 In numero arbitrario 8 attivi, 200 passivi Canali voce Non supportati A livello trasporto (esempio VoIP) 3 Indirizzamento ID a livello fisico su 32 bit MAC su 48 bit MAC su 48 bit 6

7 Tecnologia Bluetooth È stata pensata per: Comunicazioni a corto raggio Essere utilizzata da dispositivi dotati di batterie Supportare sia traffico voce che dati Essere utilizzata in tutto il mondo (banda ISM) È caratterizzata da: Basso costo Basso consumo di potenza Affidabilità Specifiche aperte 7

8 Caratteristiche base Obiettivo principale della tecnologia è la sostituzione dei cavi con comunicazioni radio Solo dispositivi nel raggio di copertura del segnale radio (da 1 a 100 m) possono comunicare direttamente Bluetooth non offre direttamente un supporto per l instradamento di informazioni tra dispositivi non in vista reciproca Le comunicazioni possono essere a pacchetto, banda massima fino a 723 kbps isocrone, banda costante pari a 64 kbps La comunicazione è di tipo punto-multipunto tra dispositivi che formano una piconet 8

9 Piconet (1) Una rete formata da due o più dispositivi Bluetooth è detta piconet: architettura a stella Un dispositivo si comporta da master o Si occupa della gestione dell accesso al canale Gli altri vengono definiti slave o Accedono al canale solo a fronte di una richiesta del master o Al massimo 7 slave attivi, fino a 254 slave inattivi Per permettere la creazione di reti più grandi, ciascun dispositivo può: Essere master in una piconet e slave in un altra Partecipare come slave a più piconet L aggregazione di più piconet viene detta scatternet 9

10 Piconet (2) 10

11 Indirizzamento Ogni dispositivo Bluetooth è dotato di un indirizzo univoco a livello mondiale, assegnato dal costruttore Equivalente del MAC address nelle reti ethernet Dimensione: 48 bit fino a 2, dispositivi Ad ogni dispositivo può essere assegnato un nome Stringa di caratteri Unicode Definito dall utente Non è univoco, ma facilita la vita agli utilizzatori 11

12 Gestione del mezzo fisico Frequency hopping pseudocasuale 79 canali separati, larghezza di banda 1MHz Slot temporali di 625 μs Natura master-slave della comunicazione Chi inizia una conversazione funge da master La sequenza dei canali utilizzati viene derivata dall indirizzo MAC del master Il master invia, durante uno slot, una richiesta ad uno slave, che gli risponde nello slot successivo (sul prossimo canale della sequenza pseudocasuale) Possibilità di avere fino a 7 slave attivi Master e slave devono mantenere il clock allineato 12

13 Paging e Inquiry (1) Un dispositivo che intende iniziare una conversazione invia pacchetti di richiesta riportanti l indirizzo del destinatario Se il destinatario è in ascolto, può sincronizzarsi al master e accettare la comunicazione L invio di richieste si chiama paging, la disponibilità del destinatario a ricevere richieste di connessione di chiama page scan La connessione richiede la conoscenza dell indirizzo MAC del destinatario Per scoprire i possibili destinatari, una stazione può inviare pacchetti di Inquiry Chi riceve tale pacchetto, risponde indicando il proprio indirizzo MAC, il proprio clock ed un intero indicante la tipologia del dispositivo (ClassOfDevice) 13

14 Paging e Inquiry (2) Per ricevere richieste di paging e di inquiry, mittente e destinatario devono utilizzare lo stesso canale radio Per evitare congestioni su un unico canale, lo standard definisce un sottoinsieme di canali su cui tali richieste vengono trasmesse Il mittente cambia, ad ogni slot, il canale di richiesta Il destinatario ascolta su uno stesso canale per molti slot consecutivi Le operazioni di page scan e/o di inquiry scan possono essere disabilitate per ridurre i consumi e/o aumentare la sicurezza di un dispositivo 14

15 Diagramma funzionale Standby In attesa di connessione Inquiry Scoperta dei dispositivi vicini Page Tentativo di connessione ad un dispositivo Connected Dispositivo attivo in un piconet Park/Hold Modalità a basso consumo Unconnected Standby Connecting States Active States Detach Detach Transmit data AMA Inquiry T typical=2 ms Standby T typical=5s Connected AMA Page T typical=0.6s T typical=2 ms Low Power States Releases AMA Address PARK PMA HOLD AMA 15

16 La pila protocollare La pila protocollare può essere suddivisa in due parti: Bluetooth host protocols o implementati in software o Funzioni di alto livello Bluetooth controller protocols o Gestione del modulo radio I due componenti dialogano tramite l interfaccia HCI Host-Controller Interface Definisce un insieme di messaggi ed un insieme di modi per trasportarli (porta seriale, USB, ) Applicazione Host protocols Controller protocols OS API HCI 16

17 Protocolli Bluetooth (1) 17

18 Protocolli Bluetooth (2) Il livello radio definisce i requisiti del transceiver Opera ad una frequenza di 2.4 GHz Invia dati alla velocità di 1 Mbps Il livello baseband e link controller si occupano di: Stabilire una connessione o SCO per il traffico voce (in tempo reale, non affidabile) o ACL per il traffico dati (affidabile, senza vincoli sul tempo) Gestire l accesso ai canali radio Riconoscere le richieste provenienti da altri dispositivi Mantenere la sincronizzazione con il master 18

19 Protocolli Bluetooth (3) Il protocollo link manager (LMP) si occupa di Configurare il collegamento fra due dispositivi Bluetooth Gestire e negoziare la dimensione dei pacchetti utilizzati a livello baseband Il livello host controller interface (HCI) fornisce comandi per il controllo dei livelli radio baseband link manager Il livello L2CAP si occupa di multiplare pacchetti provenienti dai livelli superiori su una stessa connessione fisica 19

20 RFCOMM Emula una connessione seriale tra due dispositivi Equivalente, in termini di funzionalità a TCP Tranne nel fatto che solo due dispositivi in prossimità possono dialogare Ruolo di client e di server Il server attende connessioni Il client inizia una richiesta 20

21 SDP Session Description Protocol La conoscenza dell indirizzo MAC di una stazione è necessaria ma non sufficiente per poter avviare una comunicazione utile Occorre conoscere quali servizi l altra stazione offre Il protocollo SDP affronta questo tema Ogni stazione che offre un servizio Bluetooth pubblica, in un apposito registro, la descrizione del servizio ed i parametri necessari ad utilizzarlo Scoperta l identità di una stazione vicina, un dispositivo può interrogarne il registro alla ricerca di una specifica voce Ogni servizio è descritto attraverso un UUID, numero binario a 128 bit univoco a livello mondiale Attraverso il protocollo SDP, una stazione può esaminare il registro delle stazioni adiacenti ed individuare eventuali servizi cui intende connettersi, con i relativi parametri 21

22 Profili (1) Un profilo Bluetooth definisce i requisiti necessari per permettere l interoperabilità fra le applicazioni per funzionalità specifiche cioè I servizi che devono essere supportati Le procedure atte ad implementare le varie funzionalità dell applicazione Un dispositivo Bluetooth può supportare uno o più dei seguenti profili Generic Access Profile (GAP) Serial Port Profile (SPP) Service Discovery Application Profile (SDAP) Generic Object Exchange Profile (GOEP) 22

23 Profili (2) 23

24 Sicurezza del canale La tecnologia Bluetooth fornisce diversi livelli di sicurezza Pairing Autenticazione Cifratura Autorizzazione 24

25 Pairing Il processo di pairing viene attivato quando due dispositivi, che vogliono attivare politiche di sicurezza, vengono in contatto per la prima volta Devono stabilire un segreto condiviso Si deriva tale segreto a partire da una coppia di numeri casuali, ciascuno determinato da uno dei due dispositivi e da un codice esplicito (PIN), inserito dall utente, usato per la mutua autenticazione Il PIN può essere arbitrario (purché identico sulle due parti) e non viene a far parte del segreto 25

26 Autenticazione Bluetooth utilizza un meccanismo a sfida per autenticare il dispositivo remoto Quando A vuole autenticare B, gli manda una sfida (un numero casuale) B calcola il risultato di una formula non invertibile che ha come parametri o La sfida o Il segreto condiviso (costruito durante la fase di pairing) Il risultato viene inviato ad A A esegue lo stesso processo e verifica di ottenere lo stesso risultato: in questo modo è certo dell identità di B Lo stesso processo deve essere ripetuto da B per autenticare A 26

27 Cifratura Una volta autenticato il dispositivo remoto, è possibile attivare la cifratura Il dispositivo che decide di cifrare il traffico deve richiedere al dispositivo remoto di fare altrettanto Se il dispositivo remoto accetta la richiesta, tutto il traffico scambiato viene cifrato Se rifiuta, la connessione viene chiusa 27

28 Autorizzazione L autorizzazione è il processo che stabilisce se la richiesta di connessione che proviene da un dispositivo remoto deve essere soddisfatta Per ogni applicazione può essere creata una lista di dispositivi che possono accedere liberamente al servizio (trusted device) Se un dispositivo non presente in questa lista richiede l attivazione di una connessione, viene richiesto all utente di accettare o rifiutare questa richiesta 28

29 Esempi di utilizzo Eliminazione dei cavi Auricolare Bluetooth ATM SpA e INTELLIBUS BlueWine 29

30 Eliminazione dei cavi (1) Sincronizzazione dei dati tra computer, cellulare e palmare Invio di file da un computer a una stampante Connessione di un computer ad una stampante Stampa di immagini direttamente da una macchina fotografica ad una stampante Ascolto della musica con cuffie senza fili Utilizzo di auricolari Bluetooth per telefoni cellulari Introduzione di sistemi vivavoce Bluetooth sulle autovetture Utilizzo del cellulare in moto tramite caschi dotati di auricolare Bluetooth 30

31 Eliminazione dei cavi (2) 31

32 Auricolare Bluetooth (1) Comunicazione definita dal profilo headset profile Definisce due ruoli Audio Gateway (AG): è il dispositivo che opera da gateway dell audio, sia in ingresso che in uscita o cellulare o computer o Headset (HS): è il dispositivo remoto che riproduce l audio in ingresso e registra l audio in uscita 32

33 Auricolare Bluetooth (2) HS AG Apertura della connessione ACL Squillo Squillo AT + CkPD Apertura della connessione voce SCO Comunicazione audio AT + CkPD Chiusura della connessione voce SCO Chiusura della connessione ACL 33

34 ATM SpA e INTELLIBUS (1) Realizzato da ATM SpA., società dei trasporti pubblici di Milano Cerntro Ricerche FIAT di Orbassano Digigoup Srl di Torino INTELLIBUS è un sistema basato su Bluetooth a supporto della diagnosi e della prevenzione dei guasti sulla flotta dei bus ATM Installato da IRISBUS/IVECO su una flotta di 750 bus urbani e suburbani. 34

35 ATM SpA e INTELLIBUS (2) Il sistema fornisce: Acquisizione dei report diagnostici quando il bus torna al deposito Statistiche sulle operazioni effettuate al veicolo Diagnostiche predittive sulla perdita di efficienza dei veicoli I maggiori benefici per ATM SpA. sono: Riduzione dei guasti ai veicoli durante il servizio Sostituzione della manutenzione per guasti con la manutenzione basata sulla prevenzione dei guasti Gestione avanzata della logistica dei bus 35

36 BlueWine (1) Il progetto BlueWine distribuisce contenuti editoriali in formato elettronico fruibili su telefono cellulare evoluto (smart phone) utilizzando la tecnologia Bluetooth I contenuti: Hanno valenza territoriale Vengono redatti da un editore che provvede alla loro distribuzione attraverso un insieme di dispositivi fissi denominati punti blu Gli utenti finali utilizzano un applicazione Java (J2ME) per scaricare i contenuti dai punti blu e visualizzarli sul proprio telefono 36

37 BlueWine (2) Richiesta applicazione Invio applicazione Installazione applicazione Punto blu Richiesta aggiornamenti Invio aggiornamenti Richiesta articolo 1 Invio articolo 1 Cellulare Bluetooth 37

38 BlueWine (3) Richiesta articolo 5 Invio articolo 5 Consultazione articolo 1 Punto blu Richiesta aggiornamenti Invio aggiornamenti Richiesta articolo 2 Invio articolo 2 cellulare Bluetooth 38