ОИВ лекция 5(ЭУ) (2)
.pdf
ОСНОВЫ ИНТЕРНЕТА ВЕЩЕЙ
ЛЕКЦИЯ 5. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ
BLUETOOTH LOW ENERGY (LE)
Лектор: М.С. Степанов к.т.н., доцент кафедры ССиСК mihstep@yandex.ru
Москва, 2022
ТЕХНОЛОГИЯ BLUETOOTH
Bluetooth – технология радиосвязи ближнего действия, позволяющая создавать сеть автономных устройств, взаимодействующих без привлечения посредников
Технология получила название в честь короля Дании и Норвегии Харальда Синезубого, который занимался объединением племен, проживавших на территории современной Дании и шведского региона Сконе.
•1989 г. – появление идеи
•1994 г – первый протокол
•1999 г. – начало коммерческой эксплуатации первой версии
СТАНДАРТИЗАЦИЯ BLUETOOTH
•За стандартизацию версий технологии Bluetooth и за лицензирование различных продуктов на ее основе отвечает организация Bluetooth SIG (Special Interest Group), созданная компаниями Ericsson, Nokia и Intel в
1998.
•В настоящее время в Bluetooth SIG насчитывается более
2,5 млрд продуктов Bluetooth и 30 000 участников.
•Помимо компаний-основателей, среди наиболее активных участников Bluetooth SIG можно выделить Microsoft,
Apple, Lenovo, Toshiba и т.д.
•Начиная с первых версий, Bluetooth и все дополнительные компоненты являются технологией с открытым исходным кодом
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ BLUETOOTH
Версия |
Особенности |
Датавыпуска |
1.0 и 1.8 |
Bluetooth базового уровня (1 Мб/с). Выпущена первая |
1998 |
|
версия. |
|
1.1Стандартизирован IEEE 802.15.1–2002. Убраны 2002 дефекты в спецификации 1.0B. Поддержка нешифрованного канала. Received Signal Strength Indicator (RSSI)
1.2IEEE 802.15.1-2005. Быстрое соединение и 2003
обнаружение. Спектр скачкообразного изменения частоты (AFH). Интерфейс контроллера хоста (трехпроводной UART). Способы управления потоком и повторной передачи
2.0* |
Enhanced Data Rate Mode (EDR): 3 Мб/с |
2004 |
*(+EDR(Enhanced Data Rate) опционально)
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ BLUETOOTH
Версия |
Особенности |
Датавыпуска |
2.1* |
Secure Simple Pairing (SSP): шифрование публичных ключей |
2007 |
|
с четырьмя уникальными методами аутентификации. |
|
|
Extended Inquiry Response (EIR) обеспечивает лучшую |
|
|
фильтрацию и снижение мощности |
|
3.0** |
Режим расширенной ретрансляции L2CAP(ERTM) для |
2009 |
|
надежных и ненадежных состояний соединения. |
|
|
Альтернативный MAC/PHY (AMP) 24 Мбит/с с |
|
|
использованием 802.11 PHY. Одноадресные данные без |
|
|
установления соединения для низкой задержки. |
|
|
Усовершенствованное управление энергопотреблением |
|
4.0*** |
AKABluetooth Smart. Представляет режим Low Energy (LE). |
2010 |
|
Представлены протоколы и профилиATT и GATT. Двойной |
|
|
режим: режим BR/EDR и LE. Менеджер безопасности сAES- |
|
|
шифрованием |
|
*(+EDR(Enhanced Data Rate) опционально) **(+EDR+HS (High Speed) опционально)
***(+EDR+HS+LE (Low Energy) опционально)
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ BLUETOOTH
Версия |
Особенности |
Датавыпуска |
4.1 |
Сосуществование с Mobile wireless service |
2013 |
|
(MWS). Подталкивание (функция |
|
|
сосуществования). |
|
|
Чересстрочное сканирование (функция |
|
|
сосуществования). Устройства поддерживают |
|
|
несколько одновременных ролей |
|
4.2 |
Защищенные соединения LE. |
2014 |
|
Конфиденциальность уровня соединения. |
|
|
Профиль поддержки IPv6 |
|
5.0 |
Slot availability masks (SAM): |
2016 |
|
2 Мбит/с PHY и LE. |
|
Режим длинного диапазона LE. Расширенные рекламные режимы LE. Смешанные сети
ТИПЫ БЕСПРОВОДНЫХ СИСТЕМ
BLUETOOTH
Для современных версий технологии Bluetooth различают два типа беспроводных систем:
Тип |
Назначение |
Диапазон |
системы |
|
|
Bluetooth |
Смартфоны,; устройства, сопрягаемые со смартфонами |
2,4 ГГц |
Classic |
(беспроводные наушники, колонки, фитнес-браслеты и т.д.), |
(ISM) |
(Basic Rate, |
автомобильные аудио-системы и т.д. |
|
BR/EDR), |
|
|
Bluetooth |
Приложения, чувствительные к энергопотреблению |
2,4 ГГц |
Low |
(устройства с батарейным питанием), устройства, передающие |
(ISM) |
Energy |
небольшие объемы данных с большими перерывами между |
|
(BLE), |
передачами (устройства Интернета Вещей). |
|
Устройства с поддержкой Bluetooth Classic не могут напрямую связываться с устройствами, использующими BLE. По этой причине, существуют устройства с поддержкой обоих типов соединения (Dual mode Bluetooth devices)
ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
BLUETOOTH LE (LOW ENERGY)
•Используется частотный диапазон 2.400 - 2.4835 ГГц, который делится на 40 каналов по 2 МГц каждый. В Bluetooth Classic число каналов составляет 79 каналов.
•Максимальная скорость передачи данных по радиоканалу 2 Мбит/c (версия Bluetooth 5)
•Дальность передачи сильно зависит от физического окружения, а также используемого режима передачи. Типичная дальность передачи: 10-30 метров.
•Потребление электроэнергии зависит от реализации устройства, различных параметров протокола и используемого чипсета. Типичное потребление BLE-трансивера во время передачи данных как правило не превышает 15 мА.
•Существует несколько возможных для реализации уровней обеспечения
безопасности. АлгоритмAES-CCM с длиной ключа 128 бит |
8 |
|
используется в Bluetooth LE для операций, критичных к шифрованию.
ПРЕИМУЩЕСТВА BLUETOOTH LE
•Электропотребление у технологии Bluetooth LE гораздо ниже, чем у других технологий Интернета Вещей ближнего радиуса действия. Это обусловлено малым объемом пересылаемых данных, низкой скоростью передачи и тем, что передатчик выключается при первой возможности.
•Спецификации для основных версий Bluetooth LE (4.0 и далее) доступны для загрузки с сайта https://www.bluetooth.com/. Для получения доступа к сертификациям большинства других протоколов необходимо быть членом соответствующей группы или консорциума.
•Низкая цена устройств и комплектующих к ним
•Поддержка технологии Bluetooth большинством смартфонов,
представленных на рынке. Помимо удобства управления, смартфон (экран)
так же может использоваться для оперативного отражения данных,
собираемых оконечным устройством.
•Может использоваться для подключения оконечных устройств там, где
отсутствует зона покрытия сотовой сети или Wi-Fi.
НЕДОСТАТКИ BLUETOOTH LE
•Низкая пропускная способность. Скорость передачи данных зависит от версии Bluetooth (4.2. и ранее – 2 Мбит/с, 5 и позднее – до 2 Мбит/с. При использовании функции дальней связи пропускная способность значительно снижается (до 0,5 Мбит/c и менее)
Среди причин низкой пропускной способности можно выделить:
Ведомое устройство обязано ответить на каждое сообщение от ведущего
Повторная отправка потерянных или поврежденных данных
Обработка служебной информации
•Малая дальность передачи. Bluetooth LE был разработан для применения на коротких расстояниях, и, следовательно, его диапазон действия ограничен.
На качестве передачи сигнала в диапазоне 2,4 ГГц оказывают сильное влияние различные препятствия (металл, бетон, вода и т.д.)
Ориентация устройства в пространстве, а также корпус устройства, негативно влияют на антенну
•Отсутствие поддержки IP. Если устройство поддерживает только Bluetooth LE, для передачи данных в Интернет ему понадобится посредник в виде шлюза.