Телефон bt 4.2 поддерживает устройства 4.0. Технические данные различных протоколов
Bluetooth 5.0 стал реальностью. По сравнению с Bluetooth 4.0 новая версия имеет вдвое большую пропускную способность, увеличенную в четыре раза дальность действия и целый ряд других улучшений. Рассмотрим преимущества Bluetooth 5.0 над предшественниками, в том числе на примере процессора CC2640R2F от Texas Instruments .
Популярность версии протокола Bluetooth 4, а также некоторые его ограничения стали причинами для создания следующей спецификации Bluetooth 5. Разработчики ставили перед собой целый ряд целей: расширение радиуса действия, рост пропускной способности при рассылке широковещательных пакетов, улучшение помехозащищенности и так далее.
Теперь, когда стали появляться первые устройства с Bluetooth 5, у пользователей и разработчиков справедливо возникают вопросы: какие из заявленных ранее обещаний воплотились в реальность? Насколько выросли радиус действия и скорость передачи данных? Как это отразилось на уровне потребления? Каким образом изменился подход к формированию широковещательных пакетов? Какие были сделаны усовершенствования, направленные на рост помехозащищенности? И, конечно, главный вопрос — существует ли обратная совместимость между Bluetooth 5 и Bluetooth 4? Ответим на эти и некоторые другие вопросы и рассмотрим основные преимущества Bluetooth 5.0 перед предшественниками, в том числе – на примере реального процессора с поддержкой Bluetooth 5.0 производства компании Texas Instruments .
Начнем обзор Bluetooth 5.0 с ответа на самый часто задаваемый вопрос об обратной совместимости с Bluetooth 4.x
Обеспечивает ли Bluetooth 5.0 обратную совместимость с Bluetooth 4.x?
Да, обеспечивает . Bluetooth 5 перенял большинство особенностей и расширений Bluetooth 4.1 и 4.2. Например, устройства Bluetooth 5 сохраняют все улучшения Bluetooth 4.2 в области повышения защищенности данных и поддерживают расширение LE Data Length Extension. Стоит напомнить, что благодаря LE Data Length Extension начиная с Bluetooth 4.2 размер пакета данных (packet data unit, PDU) при установленном соединении может быть увеличен с 27 до 251 байта, что позволяет поднять скорость обмена данными в 2,5 раза.
Из-за большого количества различий между версиями протокола сохраняется традиционный механизм согласования параметров между устройствами при установлении соединений. Это значит, что перед тем как начать обмениваться данными, устройства «знакомятся» и определяют максимальную частоту передачи данных, длину сообщений и так далее. При этом по умолчанию используются параметры Bluetooth 4.0. Переход к параметрам Bluetooth 5 происходит только если в процессе согласования оказывается, что оба устройства поддерживают более позднюю версию протокола.
Говоря об инструментах, которые уже сейчас доступны для разработчиков, стоит отметить новый процессор CC2640R2F и бесплатный стек BLE5-Stack от Texas Instruments. К радости разработчиков, BLE5-Stack основан на предыдущей версии BLE-Stack, и изменения в его использовании коснулись только новых особенностей Bluetooth 5.0.
Как увеличилась скорость передачи данных в Bluetooth 5?
Bluetooth 5 использует беспроводное соединение с физической скоростью передачи данных до 2 Мбит/с, что в два раза выше, чем у Bluetooth 4.х . Здесь стоит отметить, что эффективная скорость обмена данными зависит не только от физической пропускной способности канала передачи, но и от соотношения служебной и полезной информации в пакете, а также от сопутствующих «накладных» расходов, например, потери времени между пакетами (таблица 1).
Таблица 1. Скорость обмена данными для различных версий Bluetooth
В версиях Bluetooth 4.0 и 4.1 физическая пропускная способность канала составляла 1 Мбит/с, что при длине пакета данных PDU в 27 байт позволяло достигать скорости обмена до 305 кбит/с. В версии Bluetooth 4.2 появилось расширение LE Data Length Extension. Благодаря ему после установления соединения между устройствами появлялась возможность увеличить длину пакета до 251 байта, что приводило к росту скорости обмена данными в 2,5 раза – до 780 кбит/с.
В версии Bluetooth 5 сохранилась поддержка LE Data Length Extension, что совместно с ростом физической пропускной способности до 2 Мбит/с позволяет достигать скорости обмена данными до 1,4 Мбит/с.
Как показывает практика, такое ускорение передачи данных не является пределом. Например, беспроводной микроконтроллер CC2640R2F способен работать со скоростями вплоть до 5 Мбит/с.
Стоит сказать и о распространенном заблуждении, что рост пропускной способности до 2 Мбит/с был достигнут за счет сокращения радиуса действия. Конечно, физически микросхема приемопередатчика (PHY) при работе с частотой 2 Мбит/с имеет на 5 дБм меньшую чувствительность, чем при работе с частотой 1 Мбит/с. Однако кроме чувствительности есть и другие факторы, которые способствуют увеличению радиуса действия, например, переход к кодированию данных. По этой причине при прочих равных условиях Bluetooth 5 оказывается более надежным и имеет больший радиус действия по сравнению с Bluetooth 4.0. Подробно об этом рассказывается в одном из следующих разделов статьи.
Как активировать высокоскоростной режим передачи данных в Bluetooth 5?
При установлении соединения между двумя устройствами Bluetooth изначально используются настройки Bluetooth 4.0 . Это значит, что на первом этапе устройства обмениваются данными на скорости 1 Мбит/с. После установления соединения мастер с поддержкой Bluetooth 5.0 может начать процедуру PHY Update Procedure, цель которой — установление максимальной скорости 2 Мбит/с. Эта операция будет успешной, только если ведомый также поддерживает Bluetooth 5.0. В противном случае скорость остается на уровне 1 Мбит/с.
Для разработчиков, ранее использовавших BLE-Stack от Texas Instruments, хорошей новостью станет то, что для выполнения приведенной процедуры в новом стеке BLE5-Stack выделена одна единственная функция HCI_LE_SetDefaultPhyCmd(). Таким образом при переходе на Bluetooth 5.0 у пользователей продуктов TI первоначальная инициализация не вызовет проблем. Также для разработчиков будет полезен пример, выложенный на портале GitHub , который позволяет оценить работу двух микроконтроллеров CC2640R2F, работающих в составе CC2640R2 LaunchPads в режимах High Speed и Long Range.
Как увеличился радиус действия Bluetooth 5?
В спецификации Bluetooth 5.0 говорится об увеличении радиуса действия в четыре раза по сравнению с Bluetooth 4.0. Это достаточно тонкий вопрос, на котором стоит остановиться подробнее.
Во-первых, понятие «в четыре раза» является относительным и не привязывается к конкретному радиусу действия в метрах или километрах. Дело в том, что дальность радиопередачи сильно зависит от целого ряда факторов: состояния окружающей среды, уровня помех, числа одновременно передающих устройств и так далее. В итоге ни один производитель, а также и сам разработчик стандарта Bluetooth SIG, конкретных значений не приводит. Увеличение радиуса действия оценивается в сравнении с Bluetooth 4.0.
Для дальнейшего анализа необходимо выполнить некоторые математические расчеты и оценить бюджет мощности радиоканала . При использовании логарифмических значений бюджет радиоканала (дБ) равен разности мощности передатчика (дБм) и чувствительности приемника (дБм):
Бюджет радиоканала = мощность T X (дБм) – чувствительность R X (дБм)
Для Bluetooth 4.0 стандартная чувствительность приемника составляет -93 дБм. Если полагать мощность передатчика 0 дБм, то бюджет составляет 93 дБ.
Увеличение радиуса действия в четыре раза потребует увеличения бюджета на 12 дБ, что дает значение 105 дБ. Как же предполагается достигать этого значения? Есть два пути:
- увеличение мощности передатчиков;
- увеличение чувствительности приемников.
Если идти по первому пути и увеличивать мощность передатчика, это неизбежно вызовет рост потребления. Например, для CC2640R2F переход на выходную мощность 5 дБм приводит к росту тока потребления до 9 мА (рисунок 1). При мощности 10 дБм ток увеличится до 20 мА. Такой подход не выглядит привлекательным для большинства беспроводных устройств с батарейным питанием и не всегда подходит для IoT, а ведь именно на эту область в первую очередь и ориентировался Bluetooth 5.0. По этой причине второе решение выглядит более предпочтительным.
Для увеличения чувствительности приемника предлагается два способа:
- снижение скорости передачи;
- использование кодирования данных Coded PHY.
Уменьшение скорости передачи данных в восемь раз теоретически повышает чувствительность приемника на 9 дБ. Таким образом до заветного значения не хватает всего 3 дБ.
Необходимые 3 дБ удается получить с помощью дополнительного кодирования Coded PHY. Ранее в версиях Bluetooth 4.х кодирование битов было однозначным 1:1. Это значит, что поток данных напрямую направлялся на дифференциальный демодулятор. В Bluetooth 5.0 при использовании Coded PHY существует два дополнительных формата передачи:
- с кодированием 1:2, при котором каждому биту данных ставятся в соответствие два бита в потоке радиоданных. Например, логическая «1» представляется как последовательность «10». При этом физическая скорость остается равной 1 Мбит/с, а реальная скорость передачи данных падает до 500 кбит/с.
- С кодированием 1:4. Например, логическая «1» представляется последовательностью «1100». Скорость передачи данных при этом уменьшается до 125 кбит/с.
Описанный подход называется Forward Error Correction (FEC) и позволяет обнаруживать и исправлять ошибки на приемной стороне, а не запрашивать повторную передачу пакетов, как это было в Bluetooth 4.0.
На бумаге все выглядит неплохо. Остается только выяснить, насколько эти теоретические выкладки соответствуют реальности. В качестве примера возьмем все тот же микроконтроллер CC2640R2F. Благодаря различным улучшениям и новым режимам модуляции Bluetooth 5.0, приемопередатчик этого процессора имеет чувствительность -97 дБм при скорости обмена 1 Мбит/с и -103 дБм при использовании Coded PHY и скорости обмена 125 кбит/с. Таким образом в последнем случае до уровня 105 дБ не хватает всего 2 дБм.
Для оценки радиуса действия CC2640R2F инженеры из Texas Instruments провели полевой эксперимент в городе Осло. При этом с точки зрения уровня шумов окружающую среду в данном опыте нельзя назвать «дружелюбной», так как в непосредственной близости находилась деловая часть города.
Для получения бюджета мощности больше 105 дБ было решено увеличить мощность передатчика до 5 дБм. Это позволило достичь внушительного итогового значения в 108 дБм (рисунок 2). При выполнении эксперимента дальность действия составила 1,6 км, что является весьма впечатляющим результатом, особенно – если учесть минимальный уровень потребления радиопередатчиков.
Как изменился подход к широковещательным сообщениям Bluetooth 5?
Ранее в Bluetooth 4.x для установления соединений между устройствами использовалось три выделенных канала данных (37, 38, 39). С их помощью устройства находили друг друга и обменивались служебной информацией. По ним же можно было передавать широковещательные пакеты данных. Такой подход имеет недостатки:
- при большом количестве активных передатчиков эти каналы можно попросту перегрузить;
- все больше устройств использует широковещательные посылки без установления соединения «точка-точка». Это особенно важно для интернета вещей IoT;
- новая система кодирования Coded PHY потребует в восемь раз больше времени на установление соединения, что дополнительно будет нагружать широковещательные каналы.
Чтобы решить эти проблемы в Bluetooth 5.0, было решено перейти к схеме, при которой данные передаются по всем 37 каналам данных, а служебные каналы 37, 38, 39 используются для передачи указателей. Указатель отсылает к тому каналу, по которому будет производиться передача широковещательного сообщения. При этом данные передаются всего лишь один раз. В итоге удается значительно разгрузить служебные каналы и устранить это узкое место.
Также стоит отметить, что теперь длина данных широковещательного пакета может достигать 255 байт вместо 6…37 байт PDU в Bluetooth 4.x. Это чрезвычайно важно для приложений IoT, так как позволяет минимизировать накладные расходы на передачу и обойтись без установления соединений, а значит и сократить уровень потребления.
Поддерживает ли Bluetooth 5 Mesh-сети?
Решения от Texas Instruments для Bluetooth 5
Одним из самых первых микроконтроллеров с Bluetooth 5.0 стал высокопроизводительный процессор CC2640R2F производства компании Texas Instruments.
CC2640R2F построен на базе современного 32-битного ядра ARM Cortex-M3 с рабочей частотой до 48 МГц. Работой радиопередатчика управляет второе 32-битное ядро ARM Cortex-M0 (рисунок 3). Кроме того, CC2640R2F отличается богатой цифровой и аналоговой периферией.
Достоинством микроконтроллера CC2640R2F также является малый уровень потребления (таблица 2). Это относится ко всем режимам работы. Например, в активном режиме при приеме данных по радиоканалу потребление составляет 5,9 мА, а при передаче – 6,1 мА (0 дБм) или 9,1 мА (5 дБм). При переходе в спящий режим питающий ток и вовсе падает до 1 мкА.
Сочетание трех таких важных качеств как поддержка Bluetooth 5.0, малое потребление и высокая пиковая производительность делает CC2640R2F весьма интересным решением для интернета вещей. При этом с помощью данного микроконтроллера можно создавать весь спектр IoT-устройств: автономные датчики, работающие несколько лет от одной батарейки , мосты между дополнительным управляющим процессором и каналом Bluetooth 5.0, сложные приложения, требующие высокой вычислительной мощности.
Таблица 2. Потребление беспроводного микроконтроллера CC 2640 R 2 F с поддержкой Bluetooth 5
| Режим работы | Параметр | Значение (при Vcc = 3 В) |
|---|---|---|
| Активные вычисления | мкА/МГц ARM® Cortex®-M3 | 61 мкА/МГц |
| Coremark/мА | 48,5 | |
| Coremark при частоте 48 МГц | 142 | |
| Радиообмен | Пиковый ток при приеме, мА | 5,9 |
| Пиковый ток при передаче, мА | 6,1 | |
| Режим сна | Контроллер датчиков, мкА/МГц | 8,2 |
| Режим Sleep mode с включенным RTC и сохранением памяти, мА | 1 |
Для быстрого начала работы с CC2640R2F компания Texas Instruments подготовила традиционный отладочный набор (рисунок 4). С помощью пары таких устройств можно оценить быстродействие и дальность радиопередачи по Bluetooth 5.0. Для этого можно воспользоваться готовыми примерами или создать собственное приложение на базе бесплатного протокола BLE 5 stack 1.0 (www.ti.com/ble).
Заключение
Новая версия протокола Bluetooth 5.0 ориентирована на максимальное соответствие потребностям Интернета вещей (IoT). По сравнению с версией Bluetooth 4.0, она имеет целый ряд качественных улучшений:
- скорость передачи данных увеличилась в два раза и достигла 2 Мбит/с;
- дальность передачи возросла в четыре раза за счет кодирования данных Coded PHY и Forward Error Correction (FEC);
- пропускная способность широковещательных сообщений выросла в 8 раз.
Кроме того, Bluetooth 5.0 обеспечивает обратную совместимость с устройствами Bluetooth 4.x, а также поддерживает большинство расширений поздних версий протокола.
Оценить возможности Bluetooth 5.0 можно уже сейчас с помощью инструментов производства Texas Instruments. Компания выпускает высокопроизводительный и малопотребляющий микроконтроллер CC2640R2F, предоставляет бесплатный стек BLE 5 stack 1.0 и множество готовых примеров для отладочного набора LAUNCHXL-CC2640R2.
Литература
- Bluetooth Core Specifcation 5.0 FAQ. 2016. Bluetooth SIG.
Логотип стандарта «Bluetooth»
Технология Bluetooth является твердо устоявшимся коммуникационным стандартом для беспроводной связи на малых расстояниях, соединяя устройства посредством одной универсальной радиолинии с малым радиусом действия. Изначально дальность действия радиоинтерфейса закладывалась равной 10 метрам, однако сейчас спецификациями Bluetooth уже определена и вторая зона - около 100 м. При этом нет необходимости в том, чтобы соединяемые устройства находились в зоне прямой видимости друг друга. К тому же, взаимодействующие между собой приборы могут находиться в движении.
Происхождение названия
Технология получила своё название в честь скандинавского короля Харальда Синезубого (Harald Bluetooth), прославившегося объединением датских и норвежских земель. В 1994 году компания Ericsson воздвигла памятник Харальду в шведском городе Лунде, освежив в памяти потомков эпизоды мировой истории и дав имя монарха новой беспроводной технологии для мобильных коммуникаций.
Создание и развитие технологии
1994
2014: Bluetooth 4.2
В начале декабря 2014 года организация Bluetooth Special Interest Group выпустила техническую спецификацию беспроводной технологии передачи данных Bluetooth 4.2. Стандарт значительно улучшили в том, что касается скоростных характеристик и информационной безопасности.
В стандарт обещают официально добавить возможность прямого подключения к Сети. То есть устройства с поддержкой Bluetooth 4.2 смогут не только напрямую взаимодействовать друг с другом, но и подключаться к Интернет (благодаря поддержке протокола IPv6/6LoWPAN) через соответствующие точки доступа.
Ключевая идея развития стандарта заключается в том, чтобы с помощью Bluetooth можно было соединить любые устройства друг с другом. То есть, по сути, речь идет о так называемом Интернете Вещей (Internet of Things , IoT). Согласно оценкам Harvard Business Review и Goldman Sachs , в 2020 году к Интернету Вещей будет подключено 28 млрд «вещей». Разработчики Bluetooth претендуют на определенную (видимо, значимую) долю этого пирога. Учитывая тот факт, что технология Bluetooth достаточно энергоэффективна, шансы на успех высоки.
Также спецификация Bluetooth стала безопаснее. Отныне активные Bluetooth-устройства будет сложнее отследить или перехватить соответствующий трафик до тех пор, пока пользователь самостоятельно не разрешит подобное в настройках. Новые Bluetooth-гаджеты смогут передавать данные со скоростью в 2,5 раза больше, чем при использовании предыдущей версии протокола. Этого удалось достичь с помощью увеличения размера стандартного пакета данных.
Ожидается, что первые устройства с поддержкой Bluetooth 4.2 будут представлены в начале 2015 года. Точных сроков производители пока не называют.
2016: Bluetooth 5
17 июня 2016 года консорциум Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) представила следующую версию стандарта Bluetooth - 5. Ее появление на коммерческом рынке запланировано в конце 2016 или начале 2017 года .
Bluetooth 5 предложит вчетверо больший радиус действия, вдвое большую скорость передачи данных и восьмикратно увеличенную емкость сообщения бесконтактной радиопередачи.
Контакты Bluetooth сегодня и завтра, (2016)
Это первое значительное обновление стандарта начиная с 2009 года, когда эфир увидел Bluetooth 4.
С увеличением емкости радиосообщений станет возможна передача более сложной, интеллектуальной информации. Это приведет к изменению способа передачи информации Bluetooth-устройствами. Модель создания пары уйдет в прошлое. На ее место придет так называемое бесконтактное соединение, утверждают в Bluetooth SIG.
Мировые поставки устройств с поддержкой Bluetooth к 2020 году достигнут 371 млн штук, согласно оценке ABI Research . Восьмикратно увеличенная емкость радиосообщений Bluetooth 5 предоставит возможности для распространения радиомаяков и услуг с привязкой к местности в сферах автоматизации, промышленности и предпринимательства.
| Сегодня в мире используется 8,2 млрд Bluetooth-устройств. Благодаря дальнейшему развитию Bluetooth, включая выпуск Bluetooth 5, к 2020 году данная технология будет присутствовать в одной трети всех запущенных устройств интернета вещей .
|
2017
Bluetooth-вирус BlueBorne смог вскрыть соседнее устройство за 10 секунд
Специалисты компании Armis Labs обнаружили в сентябре 2017 года вирус , который может распространяться и заражать смартфоны и другие устройства через Bluetooth без участия пользователей, пишет издание Wired .
Данному способу взлома было присвоено имя BlueBorne , он использует уязвимости в протоколе Bluetooth, передается с одного устройства на другое, причем действует вирус так, что пользователи не подозревают о том, что их система взломана .
По словам руководителя исследовательского подразделения Armis Labs Бена Сери, BlueBorne может привести к такому же массовому заражению, как и вирус WannaCry . Заражение может произойти в течение десяти секунд после того, как при сканировании ближайших устройств с включенным Bluetooth программа обнаружит уязвимость.
Три производителя операционных систем уже заявили, что выпустили обновления для ликвидации уязвимостей. В Apple заявили, что BlueBorne не страшен системам на iOS 10 или более новых версий, в Windows выпустили соответствующую «заплатку» еще в июле, а Google выпустила обновление в августе, однако его установка может занять некоторое время. Linux также разрабатывает способ защиты от нового вируса, однако под управлением этой операционной системы работает множество устройств (например, телевизоры), которые или не получают обновления, или делают это слишком редко.
Bluetooth Mesh
В середине июля организация Bluetooth SIG , которая занимается развитием беспроводной технологии, анонсировала формат Bluetooth с многоячеечной передачей данных.
Представленный стандарт Bluetooth для передачи данных использует виртуальную сеть из множества ячеек. Данные в сети передаются от одной ячейки к другой, пока не дойдут до адресата.
Примерная схема сети Bluetooth Mesh
Стандарт Bluetooth Mesh может применяться, например, если нужно отправить данные с датчика в одной комнате на компьютер в другой в той же квартире. Информация будет передаваться через промежуточные узлы: смартфоны , планшеты , компьютеры и любые другие устройства, которые поддерживают технологию.
В том числе Bluetooth Mesh может оказаться полезным при организации взаимодействия устройств интернета вещей (IoT) для «умного» дома. Датчики и сенсоры смогут обмениваться данными с центральным узлом на больших расстояниях. Аналогичная отправка сигнала напрямую к приемнику потребовала бы больших затрат энергии, нежели передача на ближайшую ячейку. Как результат, устройства интернета вещей смогут работать дольше от одного аккумулятора, при этом их не потребуется подключать по проводу.
Особенность Bluetooth Mesh в том, что он не требует изменения аппаратной «начинки» устройства. Стандарт может работать на всех устройствах с Bluetooth 4.0 и 5.0, однако потребуется обновление софта.
Серия продукции Toshiba Bluetooth с низким энергопотреблением поддерживает стандарт Bluetooth Mesh
Решения Toshiba для сетей с ячеистой топологией обеспечивают увеличенный радиус действия и повышенную надежность обмена данными Bluetooth.
Согласно MYCE, в конфиденциальном документе прогнозируется, что Bluetooth LE, или Bluetooth Low Energy, вероятно, будет одним из основных направлений, ориентированным на продление срока службы батарей для все более меньших устройств.
"Из основных возможностей, запланированных для дебюта, самое интересное представляет собой функции позиционирования, которые могут хорошо сочетаться с недавним приобретением Apple WiFiSLAM, небольшой фирмы, которая создала технологию "внутреннего GPS" на основе Wi-Fi стандарта", объяснил AppleInsider.
"Новая итерация Bluetooth, как ожидается, будет готова в 2014 году и будет основана на расширенной структуре пакета, который позволяет осуществлять пеленгацию, отслеживание движения и позиционирование "внутреннего GPS".
Между тем, инженеры также работают над интеграцией IPv6 в Bluetooth LE - это позволило бы назначить каждому Bluetooth-совместимому устройству уникальный идентификатор (IP-адрес), позволяя объектам реального мира быть обнаруженными и доступными через Интернет.
Неудивительно, что будущие версии Bluetooth также будет предлагать более высокую скорость передачи, более низкое энергопотребление, расширенный диапазон и повышенную конфиденциальность.
Конкурирующие технологии
- Wi-Fi Direct (Wi-Di) - протокол беспроводной передачи данных, который построен на базе Wi-Fi, но проще в настройке. Главные его преимущества – скорость соединения в 12 раз выше, чем у Bluetooth, дальность связи – до 100 метров, а главное – хорошая защищенность.
- Visible Light Communication (VLC) - в 2011 году используя световые волны, излучаемые белыми LED-источниками, которые модулируются на определенной частоте, ученым из Германии удалось сбросить файл с одного компьютера на другой со скоростью 10 мегабит в секунду. При этом не использовались никакие кабели и беспроводные маршрутизаторы. Только световые волны, колебание которых незаметны для человеческого глаза. Радиус действия технологии, которая получила название Visible Light Communication или просто VLC около 5 метров. Разработчики подчеркивают невероятную защищенность передачи данных от перехвата.
Независимо от того, какому именно бренду принадлежит смартфон, планшет или ноутбук, у них всегда есть общие характеристики. К одной из таких характеристик относится версия модуля Bluetooth. Последней актуальной версией «синезуба» является представленный еще в конце 2013 года Bluetooth 4.1 . Сегодня были обнародованы характеристики следующего поколения беспроводного протокола передачи данных – Bluetooth 4.2 .
Стандарт Bluetooth 4.2 позволит осуществлять прямое подключение к интернет точке доступа, не требуя сложного соединения через промежуточные устройства. Особо востребованной эта функциональная особенность будет в среде так называемого «интернета вещей », предусматривающего возможность доступа всевозможных предметов в доме (умные чайники, холодильники, микроволновые печи и т.д.) ко всемирной паутине.
Bluetooth 4.2 стал безопаснее – отслеживание и перехват данных без создания пары невозможен: алгоритм работы протокола попросту не допускает случайного обнаружения или отслеживания. Вопрос безопасности актуален для набирающей популярность носимой электроники.
Значительно возросла и скорость передачи данных. По сравнению с предшественником, Bluetooth 4.2 позволяет передавать данные в 2,5 раза быстрее , а размер пакетов Bluetooth Smart увеличен в 10 раз . Разработчики снизили и уровень энергопотребления. Первые устройства с установленным Bluetooth 4.2 появятся уже в начале 2015 года. Компания Apple, как правило, идет в ногу со временем и следующее поколение iPhone вполне может обзавестись новым протоколом. [bluetooth ]
Здравствуйте.
3 декабря 2014 года Bluetooth SIG официально анонсировала спецификацию bluetooth версии 4.2.
В пресс-релизе указаны 3 главных нововведения:
- увеличение скорости приема-передачи данных;
- возможность подключения к интернету;
- улучшение конфиденциальности и безопасности.
В этой статье я хочу рассказать, как реализованы эти 3 пункта. Кому интересно добро пожаловать.
Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…
1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских данных.
Самым главным недостатком у BLE была малая скорость передачи данных. Хотя с какой стороны посмотреть, ведь изначально BLE придумывали ради сохранения энергии источника, питающего устройство. А чтобы беречь энергию, надо с перерывами выходить на связь и передавать немного данных. Однако, все равно, весь интернет заполнен возмущениями о малой скорости и вопросами о возможности ее увеличения, а также увеличения размера передаваемых данных.
И вот с появлением версии 4.2, Bluetooth SIG заявил об увеличении скорости передачи в 2,5 раза и размера передаваемого пакета в 10 раз. Как же они этого добились?
Сражу скажу, что эти 2 цифры связаны друг с другом, а именно: скорость увеличилась потому, что увеличился размер передаваемого пакета.
Посмотрим на PDU (protocol data unit) канала данных:
Каждый PDU содержит 16-ти битный заголовок (header). Так вот, этот заголовок в версии 4.2 отличается от заголовка в версии 4.1.
Вот заголовок версии 4.1:
А вот заголовок версии 4.2:
Примечание: RFU (Reserved for Future Use) - поле, обозначенное этой аббревиатурой зарезервировано для будущего использования и заполняется нулями.
Как мы видим, последние 8 бит заголовка отличаются. Поле «Length» - это сумма длин полезных данных и поля MIC (Message Integrity Check), находящегося в PDU (если последнее включено).
Если в версии 4.1 поле «Length» имеет размер 5 бит, то в версии 4.2 это поле размером 8 бит.
Отсюда несложно вычислить, что поле «Length» в версии 4.1 может содержать значения в промежутке от 0 до 31, а в версии 4.2 в промежутке от 0 до 255. Если из максимальных значений вычесть длину поля MIC (4 октета), то получим, что полезных данных может быть 27 и 251 октет для версии 4.1 и 4.2 соответственно. На самом деле максимальное кол-во данных еще меньше, т.к. в полезной нагрузке находятся еще и служебные данные L2CAP (4 октета) и ATT (3 октета), но это мы рассматривать не будем.
Таким образом размер передаваемых пользовательских данных увеличился приблизительно в 10 раз. Что же касается скорости, которая, почему-то, увеличилась не в 10 раз, а всего в 2.5 раза, то тут нельзя говорить о пропорциональном увеличении, потому, что все упирается еще и в гарантированность доставки данных, ведь гарантировать доставку 200 байт немного сложнее чем 20-ти.
2. Возможность подключения к интернету.
Пожалуй, самое интересное нововведение, из-за которого Bluetooth SIG и объявила, что версия 4.2 делает интернет вещей (IoT) лучше именно благодаря этой возможности.Еще в версии 4.1 в L2CAP появился режим «LE Credit Based Flow Control Mode». Этот режим позволяет управлять потоком данных, используя т.н. схему, основанную на кредите. Особенность схемы в том, что она не использует сигнальные пакеты, для обозначения кол-ва передаваемых данных, а запрашивает у другого устройства кредит на определенный объем данных для передачи, тем самым ускоряя процесс передачи. При этом, принимающая сторона каждый раз при получении фрейма, уменьшает счетчик фреймов, и при достижении последнего фрейма может разорвать соединение.
В списке команд L2CAP появилось 3 новых кода:
- LE Credit Based Connection request – запрос на соединение по схеме кредита;
- LE Credit Based Connection response – ответ на соединение по схеме кредита;
- LE Flow Control Credit – сообщение о возможности получить дополнительные LE-кадры.
В пакете «LE Credit Based Connection request»
есть поле «Initial Credits» длиной в 2 октета, указывающее на кол-во LE-фреймов, которое устройство может отправить на уровне L2CAP.
В ответном пакете «LE Credit Based Connection response»
в том же поле указано кол-во LE-фреймов, которое может отправить другое устройство, а также в поле «Result» указан результат запроса на соединение. Значение 0x0000 говорит об успехе, остальные значения указывают на ошибку. В частности, значение 0x0004 указывает на отказ в соединении из-за отсутствия ресурсов.
Таким образом уже в версии 4.1 появилась возможность передачи большого кол-ва данных на уровне L2CAP.
И вот, практически одновременно с выходом версии 4.2, публикуется:
- сервис: «IP Support Service» (IPSS) .
- профиль IPSP (Internet Protocol Support Profile) , который определяет поддержку передачи пакетов IPv6 между устройствами, имеющими BLE.
Профиль определяет следующие роли:
- роль маршрутизатора (Router) – используется для устройств, которые могут маршрутизировать IPv6 пакеты;
- роль узла (Node) – используется для устройств, которые могу только принимать или отправлять пакеты IPv6; имеют функцию обнаружения сервисов и имеют сервис IPSS, позволяющий маршрутизаторам обнаруживать данное устройство;
Устройства с ролью маршрутизатора, которым необходимо подключение к другому маршрутизатору могут иметь роль узла.
Как ни странно, но передача пакетов IPv6 не является частью спецификации профиля, и указывается в IETF RFC «Transmission of IPv6 packets over Bluetooth Low Energy» . В этом документе опредлен еще один интересный момент, а именно то, что при передаче пакетов IPv6 используется стандарт 6LoWPAN - это стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEE 802.15.4.
Посмотрите на рисунок:
В профиле определено, что IPSS, GATT и ATT используются только для обнаружения сервиса, а GAP используется только для обнаружения устройства и установки соединения.
А вот выделенное красным, как раз говорит о том, что передача пакетов не входит в спецификацию профиля. Это позволяет программисту написать свою реализацию передачи пакетов.
3. Улучшение конфиденциальности и безопасности.
Одной из обязанностей менеджера безопасности (Sequrity manager) (SM) является сопряжение двух устройств. В процессе сопряжения создаются ключи, которые затем используются для шифрования связи. Процесс сопряжения состоит из 3-х фаз:- обмен информацией о способах сопряжения;
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK));
- обмен ключами.
- генерация краткосрочных ключей (Short Term Key (STK)) под названием «LE legacy pairing»
- генерация долговременных ключей (Long Term Key (LTK)) под названием «LE Secure Connections»
В связи с этим в криптографическом тулбоксе менеджера безопасности помимо 3-х существующих функций, появилось еще 5 и эти 5 используются только для обслуживания нового процесса сопряжения «LE Secure Connections». Эти функции генерируют:
- LTK и MacKey;
- подтверждающие переменные;
- переменные проверки аутентификации;
- 6-ти значные числа, используемые для отображения на связываемых устройствах.
Так вот, если при сопряжении во 2-й фазе по методу «LE legacy pairing» генерировалось 2 ключа:
- Temporary Key (TK): 128-ми битный временный ключ, используемый для генерации STK;
- Short Term Key (STK): 128-ми битный временный ключ, используемый для шифрования соединениЯ
- Long Term Key (LTK): 128-ми битный ключ, используемый для шифрования последующих соединениЙ.
- предотвращение отслеживания, т.к. теперь за счет «Numeric Comparison» есть возможность контролировать возможность подключения к Вашему устройству.
- улучшение энерго-эффективности, т.к. теперь не требуется дополнительная энергия для повторных генераций ключей при каждом соединении.
- отраслевой стандарт шифрования для обеспечения конфиденциальных данных.
4. Есть ли уже возможность пощупать?
Да, есть.
NORDIC Semiconductor выпустил «nRF51 IoT SDK» который включает в себя стек, библиотеки, примеры и API для устройств серии nRF51. Сюда входят:
- чипы nRF51822 и nRF51422;
- nRF51 DK;
- nRF51 Dongle;
- nRF51822 EK.