Terzo Modulo: Wireless. La tecnologia Bluetooth

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1 La tecnologia Bluetooth

2 Storia (1) Harald Blaatand II Re vichingo della Danimarca a.c. La storia riporta che abbia unito la Norvegia con la Danimarca Portato in inglese Bluetooth Blaatand = dalla pelle scura 2

3 Storia (2) Il SIG (Special Interest Group) viene fondato nel 1998 da Nokia Intel Ericsson IBM e Toshiba Dopo 6 mesi le prime specifiche vengono pubblicate Il SIG accetta nuovi membri, finora oltre 2000 aziende si sono associate I nuovi membri partecipano alla definizionee revisione delle specifiche Inizio 2001 vengono pubblicate le specifiche 1.1, la versione definitiva su cui si basano I prodotti attuali 3

4 Informazioni Generali Lo scopo principale della nascita della tecnologia bluetooth risiede nella capacità di far dialogare e interagire fra loro dispositivi diversi senza la necessità di collegamenti via cavo, ciò che va sotto il nome di wireless. Questo standard è stato progettato con l'obiettivo primario di ottenere bassi consumi, un corto raggio di azione e un basso costo di produzione per i dispositivi compatibili Ogni dispositivo Bluetooth è in grado di gestire simultaneamente la comunicazione con altri 7 dispositivi. Il collegamento è di tipo master slave, quindi solo un dispositivo per volta può comunicare con il server. ( rete piconet ) Più reti piconet collegate fra loro formano una rete scatternet. 4

5 Sistema Radio (1) Il protocollo Bluetooth lavora nella banda ISM (Industrial Scientific and Medical), allocata tra 2.4 e 2.5 Ghz. La versione 1.1 e 1.2 del Bluetooth gestisce velocità di trasferimento fino a 723,1 kbit/s. La versione 2.0 gestisce una modalità ad alta velocità che consente fino a 2,1 Mbit/s. Bluetooth non è uno standard comparabile con il Wi-Fi dato che questo è un protocollo nato per fornire elevate velocità di trasmissione con un raggio maggiore, a costo di una maggior potenza dissipata e di un hardware molto più costoso. Infatti il Bluetooth crea una wireless personal area network (PAN) mentre il Wi-FI crea una wireless local area network. 5

6 Sistema Radio (2) Spettro RF AM Radio Radio OC TV VHF FM Radio TV VHF 100Khz 1 Mhz 10Mhz 100Mhz GSM DECT TV UHF GSM GPS 1800 UMTS ISM Telepass 1GHz 2GHz 3GHz 6

7 Sistema Radio (3) Il Bluetooth opera nella gamma di frequenza dai 2,4 ai 2,483 Ghz, suddivisa in canali da 1 Mhz impiegando la tecnica FHSS*.( Frequency Hopping Spread Spectrum ) tecnologia che consente a più utenti di condividere lo stesso insieme di frequenze, cambiando automaticamente la frequenza di trasmissione fino a 1600 volte al secondo, al fine di una maggiore stabilità di connessione e di una riduzione delle interferenze tra canali di trasmissione). Lo spectrum spreading consiste in una continua variazione di frequenza utilizzando una modulazione di frequency hopping.gli hops corrispondono ai salti di frequenza all'interno della gamma assegnata ( 2,402 Ghz -2,480 Ghz, con salti di 1 Mhz, complessivamente 79 hops set ) Permette di operare correttamente anche in ambienti molto disturbati La modulazione usata è una GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) 7

8 Classi di potenza Classe Potenza (mw) Potenza (dbm) Distanza (Approssimativa) Classe mw 20 dbm ~ 100 metri Classe 2 2,5 mw 4 dbm ~ 10 metri Classe 3 1 mw 0 dbm ~ 1 metro 8

9 Standard (1) Bluetooth 1.0 e 1.0B Le versione 1.0 e 1.0B sono afflitte da molti problemi e spesso i prodotti di un costruttore hanno grosse difficoltà nel comunicare con il prodotto di un'altra società. Tra lo standard 1.0 e 1.0B vi sono state delle modifiche nel processo di verifica dell'indirizzo fisico associato a ogni dispositivo Bluetooth.Il vecchio metodo rendeva impossibile rimanere anonimi durante la comunicazione e quindi un utente malevole dotato di uno scanner di frequenze poteva intercettare eventuali informazioni confidenziali La versione B apportò anche delle modifiche alla gestione dell'ambiente Bluetooth in modo da migliorare l'interoperabilità. Bluetooth 1.1 La versione 1.1 risolve errori introdotti nella versione 1.0B e permette la comunicazione su canali cifrati. 9

10 Standard (2) Bluetooth 1.2 Questa versione è compatibile con la precedente 1.1 e aggiunge le seguenti novità: Adaptive Frequency Hopping (AFH), questa tecnica fornisce maggior resistenza alle interferenze elettromagnetiche, provvedendo a evitare di utilizzare i canali soggetti a forti interferenze. Fornisce una modalità di trasmissione a alta velocità. extended Synchronous Connections (esco), fornisce una modalità di trasmissione audio a alta qualità, in caso di perdita dei dati questi vengono ritrasmessi per migliorare la qualità audio. Rilevatore della qualità del segnale Fornisce un interfaccia per gestire fino a tre UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) Accesso alle informazioni di sincronizzazione per le applicazioni Bluetooth 10

11 Standard (3) Bluetooth 2.0 La nuova versione è retrocompatibile con tutte le precedenti versioni e offre i seguenti miglioramenti: Evita di saltare tra i canali per ragioni di sicurezza. Commutare tra i canali per aumentare la sicurezza non è una buona strategia, risulta relativamente semplice controllare tutte le frequenze simultaneamente, la nuova versione del Bluetooth utilizza la crittografia per garantire l'anonimato. Supporta le trasmissioni multicast/broadcast, consente la trasmissione di elevati flussi di dati senza controllo degli errori a più dispositivi simultaneamente. Enhanced Data Rate (EDR) porta la velocità di trasmissione a 2,1 Mbit/s. Include una gestione della qualità del servizio. Protocollo per l'accesso a dispositivi condivisi. Tempi di risposta notevolmente ridotti Dimezzamento della potenza utilizzata grazie all'utilizzo di segnali radio di minore potenza. 11

12 La Tecnologia (1) I dispositivi comunicano tra loro in modo dinamico, la piconet si configura automaticamente quando si inserisce o si elimina un dispositivo. Piconet master active slave parked slave standby 12

13 La Tecnologia (2) Master Stabilisce la sequenza pseudocasuale di hopping Diventa master il primo dispositivo che chiede la connessione Ogni dispositivo, anche il più semplice, puo diventare master Slave Fino a 7 slaves contemporaneamente attivi in una piconet Ogni slave puo comunicare solo con il master Può trasmettere solo in risposta ad un pacchetto del master Park Il dispositivo è sincronizzato ma disattivato, ad intervalli predefiniti ascolta il master per controllare se deve riattivarsi 13

14 Lo stack di Protocollo Per garantire la comunicabilità fra dispositivi differenti è stato definito un protocollo di comunicazione stratificato, diviso in Layer. Ogni layer sfrutta i servizi offerti dagli strati sotto di lui per offrire i suoi a quelli superiori Applications TCS SDP RFCOMM Audio Data L2CAP Link Manager Baseband RF Control HCI 14

15 Lo stack di Protocollo 15 Baseband and RF (radio frequency) Gestisce la connessione fisica tra dispositivi implementando la correzione di errore, la criptatura, la formazione dei pacchetti. Link Manager Responsabile della creazione dei link asincroni e sincroni, (modalità di collegamento tra master e slave) Responsabile della gestione delle modalità in basso consumo HCI (Host controller interface) Serve per l interfacciamento tra host e host controller (in un sistema basato da un chispet bluetooth ( host controller ) affiancato da un processore esterno (host) ) L2CAP (Link Layer control and adaption protocol) Consente ai Layers superiori di vedere in modo semplificato quelli inferiori (gestisce la suddivisione dei file in pacchetti e il loro assemblaggio) Applications TCS SDP RFCOMM Audio Data L2CAP Link Manager Baseband RF Control HCI

16 Connessione ACL Asynchronous connection-less (ACL) link Banda asimmetrica Banda simmetrica Dimensione del pacchetto varibile (da 1 a 5 slot) Max 721 kbits ( 57,6 kbits upload) 434 kbits 16

17 Protocolli (1) LMP ( Link Manager Protocol ) SDP ( Servive Discovery Protocol ) RFCOMM ( protocollo sostituzione cavo, emula segnali RS-232 ) TCS-BIN ( Telephony Control Specification-Binary, controllo della chiamata) Baseband ( connessione fisica RF, sincronizzazzione frequenze ) AT-Commands ( Audio/Telephony Commands) PPP ( Point to Point Protocol ) TCP/IP/UDP ( Transport Control Protocol / Internet Protocol / Datagram Protocol ) Legacy Protocol Reuse (riutilizzo di protocolli esistenti) IrMC ( Infrared Mobile Communication ) WAP ( Wireless Application Protocol ) OBEX ( Object Exchange Protocol ) 17

18 Protocolli (2) - Service Discovery Protocol (SDP) Service Discovery Protocol (SDP) è un semplice protocollo che permette ad una applicazione di scoprire quali servizi sono disponibili (e con quali caratteristiche) sui dispositivi presenti nell'ambiente circostante. Questo protocollo utilizza un modello domanda/risposate dove ogni transazione consiste di un request protocol data unit (PDU) ed una risposta PDU. In particolare, il Service Discovery Protocol può utilizzare (nei livelli sottostanti) sia un protocollo di trasporto affidabile sia uno non affidabile: in quest'ultimo caso, il client deve implementare un meccanismo di gestione dei timeout e ripetere l'invio della richiesta PDU, quando necessario. Il protocollo SDP permette ad un dispositivo Bluetooth di scoprire i servizi offerti dagli altri dispositivi Bluetooth, attraverso due modalità: Searching: permette la ricerca di uno specifico servizio Browsing: permette di conoscere tutti i servizi offerti 18

19 Protocolli (3) - Service Discovery Protocol (SDP) Il protocollo consente di determinare le tipologie di servizi presenti e disponibili nella picorete sia in una modalità server sia client.nella modalità server consentirà ad un dispositivo di interrogarlo sui servizi e protocolli supportati, quindi renderli disponibili, nella modalità client consentirà l'interrogazione dei dispositivi connessi alla picorete per avere informazioni. Client application Server Application SDP client Richiesta SDP Risposta SDP SDP server 19

20 Protocolli (4) - RFCOMM Emula una porta seriale in modo da suportare un elevato numero di applicazioni Permette piu collegamenti seriali in un singolo canale tra due periferiche 20

21 Connessione SCO Synchronous connection-oriented (SCO) link Assegnato periodicamente un singolo slot Simmetrico 64 kbps full duplex I pacchetti non vengono mai ritrasmessi Segnali audio viaggiano su canali privilegiati Supporta audio di qualità telefonica 4KHz 21

22 Connessioni (1) In un collegamento tutti gli apparecchi Bluetooth connessi sono generalmente in modalità standby, Seguono un ciclo di scansione ad intervalli di tempo di 1,28 secondi al fine di verificare la presenza di eventuali altri dispositivi; modalità tutti i dispositivi bluetooth basso consumo energetico. La scansione effettuata può essere di due tipi : PS ( Page Scan ) IS ( Inquiry Scan ). 22

23 Connessione (2) La scansione PS: consente la la ricerca di un collegamento con un altro apparecchio Blueutooth, che può risultare in modalità connectable mode o non-connectable mode La scansione IS: permette di identificare la tipologia di apparecchi disponibili nella picorete, discoverable mode o non-discoverade mode, e di approntare i necessari protocolli per il collegamento. 23

24 Flow Chart di connessione Un comando inquiry viene emesso quando l'indirizzo o il numero di identificazione di un dispositivo non è conosciuto, successivamente al riconoscimento seguirà un comando page che servirà per risvegliare l'altra unità e stabilire così una connessione completa tra i dispositvi. INQUIRY PAGE Scansione INQUIRY Risposta INQUIRY Scansione PAGE Risposta MASTER Risposta SLAVE Connessione Connessione 24

25 Sicurezza Veloce cambio delle frequenze ( 79 ) Bassa potenza di trasmissione (10 100m) Autenticazione dei dispositivi remoti Basato su una chiave a 128 bit Crittografazione del flusso dati Algoritmo di cifratura del flusso ( <= 128 bit ) Inizializzazione PIN inserito dall utente 25

26 Sicurezza PIN E2 PIN E2 User input ( inizialization ) Authentication Link key Link key E3 Encryption Key Encryption E3 Encryption Key 26

27 Profili (1) Per facilitare l'utilizzo dei dispositivi Bluetooth sono stati definiti una serie di profili, questi profili identificano una serie di possibili applicazioni. Sono stati definiti i seguenti profili. Generic Access Profile (GAP) Service Discovery Application Profile (SDAP) Serial Port Profile (SPP) Dial-up Networking Profile (DUNP) Fax Profile LAN Access Profile (LAP) Generic Object Exchange Profile (GOEP) File Transfer Profile Object Push Profile Synchronization Profile TCS_BIN-based profiles Cordless Telephony Profile (CTP) Intercom Profile (IP) 27

28 Profili (2) Questi profili sono utilizzati per sincronizzare i Personal Information Manager (PIM). Originariamente erano previsti per le reti a infrarossi IrDA ma in seguito il Bluetooth SIG ha deciso di includerli nelle sue specifiche per facilitare la sincronizzazione tra i vari dispositivi dell'utente. Vengono usualmente definiti IrMC Synchronization. Hands-Free Profile (HFP) Human Interface Device Profile (HID) Hard Copy Replacement Profile (HCRP) Basic Imaging Profile (BIP) Personal Area Networking Profile (PAN) Basic Printing Profile (BPP) Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Audio Video Remote Control Profile (AVRCP) SIM Access Profile (SAP) 28

29 Es. di utilizzo - Sincronizzazione Benefici Sincronizzazione con le periferiche vicine Facile aggiornamento dei database Database con informazioni comuni IrOBEX IrMC RFCOMM L2CAP LMP ACL SCO Bluetooth Baseband 29

30 Es. di utilizzo - Headset Benefici Accessi multipli ai dispositivi Benefici dovuti al sistema cordless Hand s free AT Commands RFCOMM L2CAP LMP Audio Stream ACL SCO Bluetooth Baseband 30

31 Es. di utilizzo Data access Point Benefici Condivisione di un unica connessione alla rete Facile accesso alla rete PPP RFCOMM L2CAP LMP ACL SCO Bluetooth Baseband 31

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