Беспроводной стандарт передачи данных Bluetooth

В Bluetooth 4.0 достигается низкое энергопотребление  за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а обеспечивает необходимый уровень безопасности 128-битное AES-шифрование.

 

Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта могут передавать информацию на различные устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.

Первый чип с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. Массовый выпуск Bluetooth-модулей ожидается в е 2010 году.

4. Инициализация bluetooth-соединения

 

Инициализацией, касательно bluetooth, принято  называть процесс установки связи. Её можно разделить на три этапа:

 

• Генерация ключа Kinit
• Генерация ключа связи (он носит название link key и обозначается, как Kab)
• Аутентификация

 

Первые два пункта входят в так  называемую процедуру паринга.

Паринг (PAIRING) — или сопряжение. Процесс связи двух (или более) устройств с целью создания единой секретной величины Kinit, которую они будут в дальнейшем использовать при общении. В некоторых переводах официальных документов по bluetooth можно также встретить термин «подгонка пары».

Перед началом процедуры сопряжения на обеих сторонах необходимо ввести PIN-код. Обычная ситуация: два человека хотят связать свои телефоны и заранее договариваются о PIN-коде.

Для простоты будем рассматривать  ситуацию с двумя устройствами.

Далее соединяющиеся устройства будут  обозначаться A и B, более того, одно из устройств при сопряжении становится главным (Master), а второе — ведомым (Slave). Будем считать устройство A главным, а B — ведомым. Создание ключа Kinit начинается сразу после того, как были введены PIN-коды.

Kinit формируется по алгоритму  E22, который оперирует следующими  величинами:

• BD_ADDR — уникальный MAC адрес BT-устройства. Длина 48 бит (аналог IP-адреса сетевой карты PC)
• PIN-код и его длина
• IN_RAND. Случайная 128-битная величина

 

На выходе E22 алгоритма получаем 128-битное слово, именуемое Kinit. Число IN_RAND отсылается устройством A в чистом виде. В случае, если PIN неизменяем для этого устройства, то при формировании Kinit используется BD_ADDR, полученное от другого устройства. В случае если у обоих устройств изменяемые PIN-коды, будет использован BD_ADDR(B) — адрес slave-устройства. Первый шаг сопряжения пройден. За ним следует создание Kab. После его формирования Kinit исключается из использования.

Для создания ключа связи Kab устройства обмениваются 128-битными словами LK_RAND(A) и LK_RAND(B), генерируемыми случайным образом. Далее следует побитовый XOR с ключом инициализации Kinit. И снова обмен полученным значением. Затем следует вычисление ключа по алгоритму E21.

Для этого необходимы величины:

• BD_ADDR
• 128-битный LK_RAND (каждое устройство хранит своё и полученное от другого устройства значения)

 

На данном этапе pairing заканчивается  и начинается последний этап инициализации bluetooth — Mutual authentication или взаимная аутентификация. Основана она на схеме «запрос-ответ». Одно из устройств становится верификатором, генерирует случайную величину AU_RAND(A) и засылает его соседнему устройству (в plain text), называемому предъявителем (claimant — в оригинальной документации). Как только предъявитель получает это «слово», начинается вычисление величины SRES по алгоритму E1, и она отправляется верификатору. Соседнее устройство производит аналогичные вычисления и проверяет ответ предъявителя. Если SRES совпали, то, значит, всё хорошо, и теперь устройства меняются ролями, таким образом процесс повторяется заново.

E1-алгоритм оперирует такими величинами:

• Случайно созданное AU_RAND
• link key Kab
• Свой собственный BD_ADDR

5. Аналоги

1. IrDA

 

Infrared Data Association — IrDA, ИК-порт, Инфракрасный  порт — группа стандартов, описывающая  протоколы физического и логического  уровня передачи данных с использованием инфракрасного диапазона световых волн в качестве носителя.

IrDA  работает  по  принципу  «point-to-point»,  в то время как технология Bluetooth способна работать по принципу «point-to-multipoint».

Также ИК-порт имеет узкий угол охвата (конус 30 градусов),  радиус  действия до  одного метра, что естественно уступает параметрам Bluetooth.

 

 

 

 

2. Wi-Fi

 

Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity — «беспроводная  точность») — торговая марка  Wi-Fi Alliance для беспроводных сетей  на базе стандарта IEEE 802.11.

 

1. Область применения

 

Wi-Fi – стандарт, основным назначением  которого является избавление  от лишних проводов – в офисных  помещениях и дома при построении  локальных сетей.

В домашних условиях использование Wi-Fi помогает быстро создать эффективную  сеть, в офисе – сократить расходы на построение сети за счет экономии на прокладке проводов.

Bluetooth – создавался как стандарт  беспроводной передачи данных  между 2-мя устройствами – мобильными  телефонами, КПК или компьютерами (в любом сочетании).

 

2) Эффективный радиус действия

 

Радиус действия точки доступа Wi-Fi на открытом воздухе составляет около 300 метров, радиус действия у устройств  стандарта Bluetooth – около 30 метров.

 

3) Стандарт 

 

Устройства Wi-fi работают согласно стандартам 802.11 b/g/n/, устройства Bluetooth – согласно собственных стандартов Bluetooth 1.0 и Bluetooth 2.0.

 

 

4) Установка и настройка.

 

Устройства Bluetooth не требуют никакого конфигурирования после установки, так как работа устройств этого  стандарта крайне проста, к тому же в отличие от Wi-Fi для установки связи между двумя Bluetooth адаптерами не требуется 3-е звено в виде маршрутизатора. Чтобы начать передачу данных, достаточно расположить 2 устройства стандарта Bluetooth в радиусе действия друг друга.

Wi- Fi же требует наличия обязательного наличия точки доступа или маршрутизатора. К тому же требуется настройка параметров беспроводной сети.

 

5) Тип сети

 

Wi-Fi используется для создания  беспроводной локальной сети (WLAN), в которой может быть большое  количество различных устройств.

В случае же с Bluetooth – вы можете создать лишь так называемую персональную сеть (PAN), ограниченную 2-мя устройствами.

 

6) Скорость передачи данных 

 

Еще одно различие состоит в том, что устройства Bluetooth имеют более  низкую скорость работы, нежели устройства на базе Wi-Fi.

0.8 мегабит в секунду у Bluetooth и до 108 мегабит в секунду у  Wi-Fi

6. Перспективы развития

 

Перспективы технологии Bluetooth огромны. При дальнейшем снижении энергопотребления и увеличении скоростей передачи данных Bluetooth можно будет использовать даже в миниатюрных устройствах.

Если вспомнить про декабрьский  бум и мечты о доме новейшего  типа, в котором все бытовые  приборы связанны друг с другом, то можно смело предполагать, что такие дома появятся очень скоро. Например, выходя из дома, вы сможете получить сообщение от вашего холодильника о необходимых покупках, автомобиль можно будет завести до момента выхода из дома и многое другое, что мы пока только представляем.

Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) делает  следующий прогноз: к 2011 году более половины мобильных устройств в мире будут иметь поддержку стандарта Bluetooth 3.0+HS, который более чем в десять раз быстрее Bluetooth 2.0 и обеспечивает скорость соединения до 24 Мбит/сек вместо 2,1 Мбит/сек Bluetooth 2.0.

Bluetooth 4.0 станет наиболее востребованной это связано, прежде всего, с низким энергопотреблением этой технологии, позволяющей устройствам работать от батареи годами, пусть даже и с более низкой скоростью по сравнению с Bluetooth 3.0.

Отдельным примером использования Bluetooth 4.0 может стать "умная бижутерия", отслеживающая давление крови или частоту биения сердца. То есть области применения Bluetooth 4.0. самые широкие, и, вероятно, нас немало удивят многочисленные новинки мобильных устройств с применением этой технологии в ближайшие несколько лет.

заключение

Сегодня уже трудно представить  современную электронную технику  без Bluetooth, с каждым днем применение беспроводной технологии все более  совершенствуется и расширяется. Об этом свидетельствуют новинки компаний разных стран, появляющиеся часто и регулярно.

Таким образом, можно с уверенностью сказать, что эра Bluetooth только начинается, и эта технология преподнесет  нам еще немало интересных сюрпризов.

Библиографический список

• http://ru.wikipedia.org/wiki/Bluetooth
• http://www.blytuz.ru/
• Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 2-е изд. В. Олифер, Н. Олифер
• http://www.radioman.ru/mobile/1/bluetooth.php

 

 

Челябинск 2013