1 Краткий обзор

В 1998 году компания Ericsson совместно с другими компаниями - IBM, Nokia, Intel, Toshiba объединили свои усилия в рамках консорциума SIG - Special Interest Group для работы над развитием стандарта беспроводного соединения вычислительных устройств и устройств связи, и использующих этот стандарт устройств. Стандарту дали название Bluetooth ("Синий зуб") в честь короля викингов Гаральд Синий Зуб 2.

В июле 1999 года состоялся первый релиз стандарта Bluetooth 1.0, который сразу нашел широкое распространение для осуществления связи различных устройств - мобильных телефонов, ноутбуков, и периферийных устройств - наушников, мышек, клавиатур. Протоколы стандарта Bluetooth позволили различным устройствам связываться с помощью процедуры сопряжения - pairing - и передавать данные между собой.

Дальнейшее развитие стандарта шло в сторону увеличения надежности, скорости передачи данных и снижения энергопотребления устройств.

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine ), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS ). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорогое.

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду(всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же - 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

2 Архитектура Bluetooth

Основой архитектуры Bluetooth является пикосеть (piconet). Она представляет централизованную сеть из одного главного узла и до семи подчиненных узлов в радиусе 10 метров. Пикосети можно связывать между собой при помощи специального узла - моста. Такие объединенные сети составляют рассеянную сеть (scatternet).

а - пикосеть с одним подчиненным устройством; б - несколькими устройствами, в - распределенная сеть

Помимо семи активных подчиненных узлов, главный узел может поддерживать до 255 отдыхающих узлов - устройства, работающие в режиме пониженного энергопотребления. В таком режиме значительно продлевается время работы устройств - узел только ожидает сигнала активации от главного узла и принимает некоторые сигнальные последовательности.Также есть два промежуточных режима энергопотребления узлов - приостановленный и анализирующий.

В архитектуре Bluetooth реализовано временное уплотнение - главный узел контролирует и распределяет временные интервалы между подчиненными узлами. Напрямую подчиненные узлы не связаны - связь осуществляется через главный узел.

3 Стек протоколов Bluetooth

Набор протоколов Bluetooth строго не соответствует ни эталонной модели OSI, ни TCP/IP, ни модели 802. Функции уровней довольно размыты относительно какой-либо модели.

Нижний, физический уровень определяет характеристики радиосвязи и методы модуляции. Параметры этого уровня стека Bluetooth были выбраны таким образом, чтобы максимально снизить стоимость модулей.

Следующий уровень - уровень управления каналом связи.Этот уровень определяет распределение главным узлом временных интервалов и их группировку в кадры. Далее следуют 2 протокола, использующие протокол управления каналом связи - протокол управления соединением и протокол управления логическими каналами и согласования L2CAP. Протокол управления соединением устанавливает логические каналы между устройствами, управляет режимами энергопотребления, сопряжением, шифрованием и качеством обслуживания. Этот протокол находится ниже хост-контроллера - интерфейса, протоколы ниже которого обычно реализуются на чипе Bluetooth, а протоколы выше реализуются на самом устройстве. Протокол канального уровня - L2CAP (Logical Link Control And Adaptation Protocol) собирает сообщения переменной длины и при необходимости обеспечивает надежность.

Для определения местонахождения служб в пределах сети используется протокол обнаружения сервисов. Протокол RFComm эмулирует работу стандартного последовательного порта.

На самом верхнем уровне находятся приложения. Профили представлены вертикальными прямоугольниками, потому что каждый из них определяет часть стека протокола для конкретной цели. Специфические профили, например профили для устройств типа гарнитур, используют только те протоколы, которые необходимы для их работы. Например, профили могут включать L2CAP, если у них есть пакеты
для ­отправки, и пропустить L2CAP в случае, если у них есть только фоновые аудио­ отсчеты.

Уровень радиосвязи переносит информацию бит за битом от главного узла к подчиненным и обратно. Это маломощная приемопередающая система с радиусом действия порядка 10 метров. Она работает в ISM диапазоне 2,4 ГГц, как и 802.11. Диапазон разделен на 79 каналов по 1 МГц в каждом. Чтобы сосуществовать с другими сетями, использующими ISM диапазон, применяется расширенный спектр со скачкообразной
перестройкой частоты. Возможно до 1600 скачков частоты в секунду, длительность одного временного интервала (слота или такта) - 625 мкс. Все узлы пикосетей перестраивают частоты одновременно, в соответствии с синхронизацией тактов и псевдо­случайной последовательностью скачков, генерируемой главным узлом.

К сожалению, оказалось, что ранние версии Bluetooth и 802.11 интерферируют так, что нарушают передачи друг друга. Некоторые компании отреагировали на это отказом от Bluetooth в целом, но, в конечном счете, техническое решение было найдено. Оно заключалось в том, чтобы адаптировать последовательность скачков для исключения каналов, на которых есть другие радиосигналы. Этот процесс, названный адаптивной перестройкой рабочей частоты (adaptive frequency hopping), уменьшает помехи.

Для отправки бит по каналу используются три формы модуляции. Базовая схема состоит в использовании кодирования со сдвигом частоты, чтобы посылать 1-битовый символ каждую микросекунду, что дает общую скорость данных 1 Мбит/с. Большие скорости появились начиная с версии Bluetooth 2.0. Эти скорости используют кодирование со сдвигом фазы, чтобы послать или 2 или 3 бита за символ, для достижения общей скорости данных 2 или 3 Мбит/с. Такие более высокие скорости применяются только для кадров, содержащих данные.

Уровень немодулированной передачи (управления каналом связи) - это наиболее близкий к MAC-подуровню элемент иерархии Bluetooth. Он трансформирует простой поток бит в кадры и определяет некоторые ключевые форматы. В простейшем случае
главный узел каждой пикосети выдает последовательности временных интервалов по 625 мкс, причем передача данных со стороны главного узла начинается в четных тактах, а со стороны подчиненных узлов - в нечетных. Эта схема, по сути дела, традиционное временно ́е уплотнение, в котором главная сторона получает одну половину временных интервалов, а подчиненные делят между собой вторую. Кадры могут быть длиной 1, 3 или 5 тактов. В каждом кадре уходит 126 служебных бит на код доступа и заголовок, кроме того, время установки занимает 250-260 мкс на переключение частоты, чтобы позволить недорогим радиосхемам становиться устойчивыми. Полезные данные кадра могут быть для конфиденциальности зашифрованы с помощью ключа, который выбирается, когда ведущее устройство соединяется с ведомым. Переключения частоты происходят только между кадрами, но не во время передачи кадра. В результате передача
5-тактового кадра намного более эффективна чем 1-тактового, потому что при тех же служебных расходах посылается больше данных.
Протокол управления соединениями устанавливает логические каналы, называемые соединениями (links), чтобы переносить кадры между главными и подчиненными устройствами, которым необходимо обнаруживать друг друга. Прежде чем будет использоваться соединение, два устройства проходят процедуру сопряжения. Более старый метод сопряжения - оба устройства должны быть сконфигурированы с одним и тем же PIN-кодом из четырех цифр (PIN, Personal Identification Number - личный идентификационный номер). Соответствие PIN позволяет устройству знать, что оно соединилось с нужным удаленным устройством. Однако лишенные воображения пользователи и использование значений по умолчанию устройств, таких как «0000» и «1234» ведут к тому, что этот метод на практике обеспечивает не очень высокий уровень безопасности.
Новый безопасный простой метод сопряжения (secure simple pairing) позволяет пользователям подтвердить, что оба устройства показывают один и тот же ключ, или видеть ключ на одном устройстве и ввести его на втором. Этот метод более безопасен.Подуровень управления доступом к среде потому что пользователи не должны выбирать или устанавливать PIN. Они просто подтверждают ключ, более длинный и произведенный устройством. Конечно, этот метод не может использоваться на некоторых устройствах с ограниченным вводом/выводом, таких как беспроводные гарнитуры. Когда сопряжение завершено, протокол устанавливает соединения. Существует два основных типа соединений. Первый вид называется SCO (Synchronous Connection Oriented - синхронный с установлением связи). Он предназначен для передачи данных в реальном масштабе времени - это требуется, например, при телефонных разговорах. Такой тип канала получает фиксированный временной интервал для передачи в каждом из направлений. У подчиненного узла может быть до трех соединений типа SCO с главным узлом, каждое из которых представляет собой аудиоканал PCM с пропускной способностью 64 000 бит/с. Из-за критичной ко времени передачи природы SCO кадры, переданные по данному типу канала, никогда не пересылаются заново. Вместо этого может быть использована прямая коррекция ошибок, обеспечивающая более надежное соединение.

Другой тип соединения называется ACL (Asynchronous Connectionless - асинхронный без установления связи). Этот тип связи используется для коммутации пакетов данных, которые могут появиться в произвольный момент времени. Трафик ACL доставляется по принципу максимально прилагаемых усилий для обеспечения сервиса. Никаких гарантий не дается. Кадры могут теряться и пересылаться повторно. У подчиненного узла может быть только одно ACL-соединение со своим главным узлом. Данные, отправленные по ACL-соединению, появляются с уровня L2CAP. Этот уровень выполняет четыре основные функции. Во-первых, он принимает пакеты размером до 64 Кбайт с верхних уровней и разбивает их на кадры для передачи по физическому каналу. На противоположном конце этот же уровень используется для обратного действия - объединения кадров в пакеты. Во-вторых, L2CAP занимается мультиплексированием и демультиплексированием множества источников пакетов. После сборки пакета он определяет, куда следует направить пакет (например, протоколу RFcomm или протоколу обнаружения сервисов). В-третьих, L2CAP управляет контролем ошибок и повторной пересылкой кадров. Он определяет ошибки и пересылает пакеты, которые не были опознаны. Наконец, L2CAP обеспечивает качество обслуживания, требуемое несколькими соединениями.

4 Структура кадров

Существует несколько форматов кадров Bluetooth. В начале кадра указывается код доступа, который обычно служит идентификатором главного узла. Это позволяет двум главным узлам которые расположены достаточно близко, чтобы «слышать» друг друга, различать, кому из них предназначаются данные. Затем следует заголовок из 54 бит, в котором содержатся поля, характерные для кадра подуровня MAC. Если кадр отправляется с базовой скоростью, далее расположено поле данных. Его размер ограничен 2744 битами (для передачи за пять тактов). Если кадр имеет длину, соответствующую одному тактовому интервалу, то формат остается таким же, с той разницей, что поле данных в этом случае составляет 240 бит.

Если кадр посылается на увеличенной скорости, часть данных может быть в два или три раза больше, потому что каждый символ переносит 2 или 3 бита вместо одно го бита. Этим данным предшествуют защитный интервал и образец синхронизации, который используется, чтобы переключиться на более высокую скорость передачи данных. Таким образом, код доступа и заголовок передаются на базовой скорости, и только часть данных передается на большей скорости. Кадры с большей скоростью заканчиваются короткой меткой конца. Рассмотрим, из чего состоит обычный заголовок кадра. Поле Адрес идентифицирует одно из восьми устройств, которому предназначена информация. Поле Тип определяет тип передаваемого кадра (ACL, SCO, опрос или пустой кадр), метод коррекции ошибок и количество временных интервалов, из которых состоит кадр. Бит F (Flow -поток) выставляется подчиненным узлом и сообщает о том, что его буфер заполнен. Этот бит обеспечивает примитивную форму управления потоком. Бит A (Acknowledgement - подтверждение) представляет собой подтверждение (ACK), отсылаемое заодно с кадром. Бит S (Sequence - последовательность) используется для нумерации кадров, что позволяет обнаруживать повторные передачи. Это протокол с ожиданием, поэтому одного бита действительно оказывается достаточно. Далее следует 8-битная контрольная сумма заголовка. Весь 18-битный заголовок кадра повторяется трижды, что в итоге составляет 54 бита. На принимающей стороне несложная схема анализирует все три копии каждого бита. Если они совпадают, бит принимается таким, какой он есть. В противном случае все решает большинство. Как видите, на передачу 10 бит тратится в данном случае 54 бита. Причина очень проста: за все нужно платить. За обеспечение передачи данных с помощью дешевых, маломощных устройств (2,5 мВт) с невысокими вычислительными способностями приходится платить большой избыточностью. Для ACL- и SCO-кадров применяются различные форматы поля данных. В кадрах SCO с базовой скоростью кадры устроены просто: длина поля данных всегда равна 240 бит. Возможны три варианта: 80, 160 или 240 бит полезной информации. Подуровень управления доступом к среде оставшиеся биты поля данных используются для исправления ошибок. В самой надежной версии (80 бит полезной информации) одно и то же содержимое повторяется три раза (что и составляет 240 бит), как и в заголовке кадра. Мы можем вычислить емкость следующим образом. Поскольку подчиненные узлы могут использовать только нечетные временные интервалы, им достается 800 интервалов в секунду. Столько же получает и главный узел. При 80 битах полезных данных, передающихся в одном кадре, емкость канала подчиненного узла равна 64 000 бит/с. Этому же значению равна и емкость канала главного узла. Этого как раз хватает для организации полнодуплексного PCM-канала голосовой связи (именно поэтому 1600 скачков в секунду было выбрано в качестве скорости перестройки частот). Все эти цифры говорят о том, что полнодуплексный канал со скоростью 64 000 бит/с в каждую сторону при самом надежном способе передачи информации вполне устраивает пикосеть, невзирая на то, что суммарная скорость передачи данных на физическом уровне равна 1 Мбит/с. Эффективность 13% - результат расходов 41% емкости на время стабилизации, 20% на заголовки, и 26% на повторном кодировании. Этот недостаток выделяет значение увеличенных скоростей и кадров более чем из одного слота.

5 Приложение Bluetooth

Большинство сетевых протоколов просто предоставляют каналы связи между коммуникационными единицами и оставляют прикладное использование этих каналов на усмотрение разработчиков. Например, в стандарте 802.11 ничего не говорится о том, что пользователи должны использовать свои ноутбуки для чтения электронной почты, работы в Интернете и т. п. В противоположность этому, Bluetooth специфицирует отдельные поддерживаемые приложения и для каждого из них предоставляет свой набор протоколов. На момент написания данного раздела было 25 таких приложений, называемых профилями (profiles). К сожалению, это приводит к сильному усложнению системы. Мы опустим многие детали в нашем описании, но коротко рассмотрим профили, чтобы увидеть, что группа Bluetooth пыталась достичь. Шесть профилей предназначены для различного использования аудио и видео. Например, профиль intercom позволяет двум телефонам соединяться друг с другом наподобие раций. Профили наушников и устройств hands-free и обеспечивают этим устройствам связь с базовой станцией. Это удобно, например, при управлении автомобилем. Другие профили предназначены для потоковой передачи стереозвука и видео, скажем, от портативного аудиоплеера к наушникам или от цифрового фотоаппарата до телевизора. Профиль HID предназначен для устройств взаимодействия с человеком - соединения с компьютером клавиатур и мышей. Другие профили позволяют мобильному телефону или другому компьютеру получать изображение от камеры или посылать изображения принтеру. Возможно, более интересен профиль, позволяющий использовать мобильный телефон в качестве пульта дистанционного управления для телевизора (с поддержкой Bluetooth). Следующая группа профилей имеет отношение к сетям. Профиль доступа к ЛВС позволяет устройству Bluetooth подсоединиться к сети непосредственно или получить удаленный доступ к сети, как и в 802.11, через точку доступа. Профиль удаленного доступа (dail-up networking) был, собственно говоря, тем, ради чего изначально был задуман весь проект. Он позволяет ноутбуку соединяться с мобильным телефоном, имеющим встроенный модем, без использования проводов. Были также определены профили для обмена информации на более высоком уровне. В частности, профиль синхронизации предназначен для загрузки данных в мобильный телефон, когда его владелец выходит из дома, и извлечения их после возвращения. Мы пропустим остальную часть профилей, упомянем только, что некоторые профили служат основой, на которой построены профили, упомянутые выше. Bluetooth группового доступа, на котором строятся все другие профили, обеспечивает установку и поддержку защищенной от несанкционированного доступа связи (канала) между главным и подчиненным узлами. Другие групповые профили определяют основы обмена объектами и передачи аудио и видео. Служебные профили широко используются для таких функций, как эмуляция последовательного канала, что особенно полезно при работе со многими устаревшими приложениями.
Протокол Bluetooth поддерживает не только соединение «point-to-point», но и соединение «point-to-multipoint».

6 Безопасность

В 2006 году была опубликована статья, содержащая подробное описание атаки на устройства Bluetooth. Материал содержал описание как активной, так и пассивной атаки, позволяющей заполучить PIN-код устройства и в дальнейшем осуществить соединение с данным устройством. Пассивная атака позволяет злоумышленнику «подслушать» (sniffing) процесс инициализации соединения и в дальнейшем использовать полученные в результате прослушки и анализа данные для установления соединения (spoofing). Естественно, для проведения данной атаки злоумышленнику нужно находиться в непосредственной близости и непосредственно в момент установления связи. Это не всегда возможно. Поэтому родилась идея активной атаки. Была обнаружена возможность отправки особого сообщения в определённый момент, позволяющего начать процесс инициализации с устройством злоумышленника. Обе процедуры взлома достаточно сложны и включают несколько этапов, основной из которых - сбор пакетов данных и их анализ. Сами атаки основаны на уязвимостях в механизме аутентификации и создания ключа-шифра между двумя устройствами.

Инициализация bluetooth-соединения

Инициализацией bluetooth-соединения 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 общего секретного значения Kinit, которое 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.

Kinit формируется по алгоритму E22, который оперирует следующими величинами:

BD_ADDR - уникальный MAC-адрес BT-устройства длиной 48 бит;
- PIN-код и его длина;
- IN_RAND - случайная 128-битная величина.

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 посылает его соседнему устройству (в открытом виде), называемому предъявителем. 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 устройства меняются ролями процесс повторяется заново.

E1-алгоритм оперирует такими величинами:

Случайно созданное AU_RAND;
- link key Kab;
- свой собственный BD_ADDR.

Атака на сопряжение

Если злоумышленнику удалось прослушать эфир и во время процедуры сопряжения он перехватил и сохранил все сообщения, то далее найти PIN можно используя перебор.

Первым, кто заметил эту уязвимость, был англичанин Олли Вайтхауз (Ollie Whitehouse) в апреле 2004 года. Он первым предложил перехватить сообщения во время сопряжения и попытаться вычислить PIN методом перебора, используя полученную информацию. Тем не менее, метод имеет один существенный недостаток: атаку возможно провести только в случае, если удалось подслушать все аутентификационные данные. Другими словами, если злоумышленник находился вне эфира во время начала сопряжения или же упустил какую-то величину, то он не имеет возможности продолжить атаку.

Атака на пересопряжение

Вулу и Шакеду удалось найти решение трудностей, связанных с атакой Вайтхауза. Был разработан второй тип атаки. Если процесс сопряжения уже начат и данные упущены, провести атаку невозможно. Но если устройства уже успели связаться, сохранили ключ Kab и приступили к взаимной аутентификации, можно заставить устройства заново инициировать процесс сопряжения чтобы провести вышеописанную атаку на сопряжение.

Данная атака требует отправки нужных сообщений в нужный момент времени. Стандартные устройства, доступные в продаже, не подойдут для этих целей.

Использовав любой из этих методов, злоумышленник может приступить к базовой атаке на сопряжение. Таким образом, имея в арсенале эти две атаки, злоумышленник может беспрепятственно похитить PIN-код. Далее имея PIN-код он сможет установить соединение с любым из этих устройств. И стоит учесть, что в большинстве устройств безопасность на уровне служб, доступных через bluetooth, не обеспечивается на должном уровне. Большинство разработчиков делает ставку именно на безопасность установления сопряжения. Поэтому последствия действий злоумышленника могут быть различными: от кражи записной книжки телефона до установления исходящего вызова с телефона жертвы и использования его как прослушивающего устройства.

Оценка времени подбора PIN-кода

В протоколе Bluetooth активно используются алгоритмы E22, E21, E1, основанные на шифре SAFER+. Брюс Шнайер подтвердил, что уязвимость относится к критическим. Подбор PIN на практике прекрасно работает и может быть произведен в реальном времени. Ниже приведены результаты, полученные на Pentium IV HT на 3 ГГц:

Конкретные реализации вышеописанных атак могут работать с различной скоростью. Способов оптимизации множество: особые настройки компилятора, различные реализации циклов, условий и арифметических операций. Был найден способ значительно сократить время перебора PIN-кода.

Увеличение длины PIN-кода не является панацеей. Только сопряжение устройств в безопасном месте может частично защитить от описанных атак. Пример - bluetooth-гарнитура или автомобильный handsfree. Инициализация связи (при включении) с данными устройствами может происходить многократно в течение дня, и не всегда у пользователя есть возможность находиться при этом в защищённом месте.

7 Спецификации

Bluetooth 1.0
Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

Bluetooth 1.1
В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

Bluetooth 1.2
Главные улучшения включают следующее:
- быстрое подключение и обнаружение;
- адаптивная перестройка частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость к радиопомехам;
- более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 1 Мбит/с;
- расширенные синхронные подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных;
В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART. Утверждён как стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005. Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR
Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радиотехнологий для передачи данных. Стандартная (базовая) скорость передачи данных использует модуляцию радиосигнала при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание модуляций GFSK и PSK с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху - 2 и 3 Мбит/с соответственно. Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR, есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях. Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие преимущества:
- увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых случаях.
- уменьшение сложности нескольких одновременных подключений из-за дополнительной полосы пропускания.
- снижение потребления энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1
2007 год. Добавлена технология расширенного запроса характеристик устройства (для дополнительной фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов, за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0+HS была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Alternate MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Для AMP были предусмотрены две технологии: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации.
Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие - по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть несовместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0

Классический Bluetooth;
-высокоскоростной Bluetooth;
-bluetooth с низким энергопотреблением.
Высокоскоростной Bluetooth основан на Wi-Fi, а классический Bluetooth состоит из протоколов предыдущих спецификаций Bluetooth.
Частоты работы системы Bluetooth (мощность не более 0,0025 Вт).
Полоса частот: 2402 000 000 - 2480.l 000 000 (2,402 ГГц - 2,48 ГГц)
Протокол Bluetooth с низким энергопотреблением предназначен, прежде всего, для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). Низкое энергопотребление достигается за счёт использования особого алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа 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 необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.
Датчики 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 Sony Ericsson в конце 2009 года. В настоящее время выпускается большое количество мобильных устройств с поддержкой этого стандарта.

Bluetooth 4.1
В конце 2013 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.1. Одно из улучшений, реализованных в спецификации Bluetooth 4.1, касается совместной работы Bluetooth и мобильной связи четвёртого поколения LTE Стандарт предусматривает защиту от взаимных помех путём автоматического координирования передачи пакетов данных.

Bluetooth 4.2
3 декабря 2014 Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 4.2. Основные улучшения - повышение конфиденциальности и увеличение скорости передачи данных.

Bluetooth 5.0
16-17 июня 2016 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 5.0.Изменения коснулись в основном режима с низким потреблением и высокоскоростного режима. Радиус действия увеличен в 4 раза, скорость увеличена в 2 раза.

8 Сравнительная таблица версий Bluetooth

	4.1	4.0	3.0	2.x	1.x
Базовая скорость	1 Мбит/с	1 Мбит/с	1 Мбит/с	1 Мбит/с	1 Мбит/с
Повышенная скорость передачи (EDR)	3 Мбит/с	3 Мбит/с	3 Мбит/с	3 Мбит/с	нет
High Speed	54 Мбит/с	54 Мбит/с	54 Мбит/с	нет	нет
Дальность (макс./мин. мощность)	100 м/ 10 м	100 м/ 10 м	100 м/ нет	100 м/ нет	100 м/ 10 нет
Режим низкого потребления	да	да	нет	нет	нет
Двойной профиль (одновременно Master и Slave)	да	нет	нет	нет	нет
Поддержка IPv6	готовится	нет	нет	нет	нет
Сопряжение NFC	да	да	да	да	нет
128-битное шифрование AES	да	да	нет	нет	нет

Производители современных Hi-Tech устройств стараются максимально упростить взаимодействие пользователя с компьютером. Одним из направлений является активное оснащение устройств управления беспроводным типом связи. Отсутствие лишних проводов делает работу более комфортной, а также позволяет экономить место на рабочем столе. Вот только чем более сложным становиться устройство, тем труднее пользователю определиться с выбором, так как помимо различных эргономических параметров необходимо выбрать подходящий беспроводной тип связи - радиоканал или bluetooth. В данной статье рассматриваются технические особенности такого популярного устройства как беспроводная мышь. Цель данной статьи разобраться в некоторых технических особенностях и ответить на вопрос - какую беспроводную мышь купить.

Наиболее распространены беспроводные устройства, использующие для связи с ПК радиоканал . Преимуществом данного типа связи является то, что ресивер и передающее устройство не обязательно должны находиться в прямой видимости друг от друга (в отличие от ИК-соединения). Радиус действия радиоканала - до нескольких десятков метров. Технология Bluetooth обладает теми же преимуществами, что и радиоканал, радиус действия составляет чаще всего около 10 метров.

Типичная беспроводная мышь: (см. рис. справа)
1. Принцип работы не отличается от проводных аналогов;
2. Нано-трансивер обеспечивает подключение к ПК;
3. Индикатор заряда аккумулятора (источник питания: 1-2 AAA).

Радиоканал
Радио (лат. radio — излучаю) — разновидность беспроводной связи, при которой в качестве носителя сигнала используются радиоволны, свободно распространяемые в пространстве.

Передача происходит следующим образом: на передающей стороне формируется сигнал с требуемыми характеристиками (частота и амплитуда сигнала). Далее сигнал модулирует более высокочастотное колебание (несущее), и излучается антенной в пространство. На приёмной стороне радиоволны наводят модулированный сигнал в антенне, он демодулируется и фильтруется. Таким образом, происходит извлечение полезного сигнала. Получаемый сигнал может несколько отличаться от передаваемого передатчиком (искажения вследствие помех и наводок).

Гражданская радиосвязь
Решениями Государственной комиссии по радиочастотам России для гражданской связи физическими и юридическими лицами на территории Российской Федерации выделены 3 группы частот, среди которых имеется т.н. гражданский диапазон: 27 МГц («Citizen’s Band»). Например, диапазон 27 МГц широко используется для организации радиосвязи в службах такси.

Преимущества

• более уверенный сигнал
• более быстрый отклик на действия пользователя по сравнению с Bluetooth.

Недостаток

• Необходимость подключения специального передатчика к ПК через USB порт.

Bluetooth
Bluetooth или синий зуб — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN).

Принцип действия также основан на использовании радиоволн. Радиосвязь осуществляется в свободном от лицензирования ISM-диапазоне (2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (FHSS). Данный метод прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, к тому же имеет низкую стоимость затрат на комплектующие.

Суть его заключается в следующем: несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (в РФ выделяется 79 частотных каналов шириной в 1 МГц). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, достигается возможность работы рядом друг с другом нескольких пар однотипных устройств, которые не будут мешать друг другу.

Преимущества

• Более удобный вариант для владельцев ноутбуков - как правило, bluetooth-модуль уже встроен в ноутбук, поэтому не требуется дополнительно отводить один из USB-портов под трансивер, поставляемый вместе с мышью.
• Bluetooth-соединение обеспечивает единый стандарт и решает проблему идентификации мыши.
• Bluetooth относительно новая технология передачи данных, более гибкий и универсальный вариант по сравнению с радиоканалом.
• При передаче цифровых данных и аудиосигнала используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется, а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно.

Недостатки

• Конечная реализация устройств на базе этой технологии еще, мягко говоря, "хромает". Встречаются проблемы, связанные с программным обеспечением. Некоторые модели клавиатур, например, не позволяют заходить в BIOS компьютера при старте операционной системы.
• Время отклика уступает радиоканальным моделям.

Какую беспроводную мышь купить и где?
Несмотря на популярность bluetooth до сих пор многие производители оснащают свои устройства именно с радиоканальным интерфесом, на данный момент он более привлекателен для использования. В любом случае многое зависит от конкретной реализации устройства.

Подобрать для себя беспроводную мышь от брендовых производителей можно в

Bluetooth: технология и ее применение

…и сказал он: "да воссоединятся все".

Вполне возможно, что именно с этими словами средневекового датского короля Харальда II Синезубого (Harald II Bluetooth) связано его другое прозвище - "объединитель", через 1000 лет ставшее названием нового интерфейса беспроводной связи.

Что же такое Bluetooth? Это технология беспроводной связи, созданная в 1998 году группой компаний: Ericsson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba. В настоящее время разработки в области Bluetooth ведутся Bluetooth SIG (Special Interest Group), в которую входят также Lucent, Microsoft и многие другие.

Основное назначение Bluetooth - обеспечение экономичной (с точки зрения потребляемого тока) и дешевой радиосвязи между различными типами электронных устройств, причем немалое значение придается компактности электронных компонентов, что дает возможность применять Bluetooth в малогабаритных устройствах размером с наручные часы.

Интерфейс Bluetooth позволяет передавать как голос (со скоростью 64 Кбит/сек), так и данные. Для передачи данных могут быть использованы асимметричный (721 Кбит/сек в одном направлении и 57,6 Кбит/сек в другом) и симметричный методы (432,6 Кбит/сек в обоих направлениях). Работающий на частоте 2.4 ГГц приемопередатчик, коим является Bluetooth-чип, позволяет в зависимости от степени мощности устанавливать связь в пределах 10 или 100 метров. Разница в расстоянии, безусловно, большая, однако соединение в пределах 10 м позволяет сохранить низкое энергопотребление, компактный размер и достаточно невысокую стоимость компонентов. Так, маломощный передатчик потребляет всего 0.3 мА в режиме standby и в среднем 30 мА при обмене информацией.

Bluetooth работает по принципу FHSS (Frequency-Hopping Spread Spectrum). Вкратце это можно объяснить так: передатчик разбивает данные на пакеты и передает их по псевдослучайному алгоритму скачкообразной перестройки частоты (1600 раз в секунду), или шаблону (pattern), составленному из 79 подчастот. "Понять" друг друга могут только те устройства, которые настроены на один и тот же шаблон передачи - для посторонних приборов переданная информация будет обычным шумом.

Основным структурным элементом сети Bluetooth является так называемая "пикосеть" (piconet) - совокупность от 2 до 8 устройств, работающих на одном и том же шаблоне. В каждой пикосети одно устройство работает как master, а остальные как slave. Master определяет шаблон, на котором будут работать все slave-устройства его пикосети, и синхронизирует ее работу. Стандарт Bluetooth предусматривает соединение независимых и даже не синхронизированных между собой пикосетей (до 10) в так называемую "scatternet" (я еще не встречал корректного русского перевода этого термина, но один из вариантов перевода глагола to scatter звучит как "рассеивать"). Для этого каждая пара пикосетей должна иметь как минимум одно общее устройство, которое будет master"ом в одной и slave"ом в другой. Таким образом, в пределах отдельной scatternet с интерфейсом Bluetooth может быть одновременно связано максимум 71 устройство, однако никто не ограничивает применение устройств-гейтов, использующих тот же Internet для более дальней связи.

Частотный диапазона Bluetooth в большинстве стран свободен от лицензирования, но во Франции, Испании и Японии из-за законодательных ограничений необходимо использовать отличные от указанных выше частоты.

Говоря о беспроводной связи, нельзя не затронуть вопрос безопасности такого соединения. Помимо фокуса с частотными шаблонами и необходимости синхронизации приемопередачи в стандарте Bluetooth предусмотрено шифрование передаваемых данных с ключом эффективной длины от 8 до 128 бит и возможностью выбора односторонней или двусторонней аутентификации (конечно, можно обойтись вообще без аутентификации), что позволяет устанавливать стойкость результирующего шифрования в соответствии с законодательством каждой отдельной страны (в некоторых странах запрещено использование сильной криптографии:). В дополнение к шифрованию на уровне протокола может быть применено шифрование на уровне приложений - здесь уже применение сколь угодно стойких алгоритмов никто не ограничивает.

Часто приходится сталкиваться с мнением, что находящиеся в пределах действия связи Bluetooth-устройства могут просто соединиться и начать обмениваться информацией, которая, возможно, не предназначена для сторонних ушей или глаз. На самом деле автоматический обмен информацией между Bluetooth-устройствами ведется лишь на уровне аппаратного обеспечения, т.е. исключительно для определения самого факта возможности соединения. А вот на уровне приложений пользователь сам решает, ввести или запретить автоматическую установку связи. Таким образом, использование Bluetooth становится не опаснее подключения к Интернету, в котором все узлы также соединены электрически, но это еще не означает получение безоговорочного доступа к любому ресурсу.

Стоит также заметить, что стандарт Bluetooth разрабатывался с расчетом на малую мощность, поэтому воздействие его на организм человека сведено к минимуму.

Основным направлением использования Bluetooth должно стать создание так называемых персональных сетей (PAN, или private area networks), включающих такие разноплановые устройства, как мобильные телефоны, PDA, МР3-плееры, компьютеры и даже микроволновые печи с холодильниками (вот уж что давно не подключали в сеть). Возможность передачи голоса позволяет встраивать интерфейс Bluetooth в беспроводные телефоны или, например, беспроводные гарнитуры для сотовых телефонов. Возможности применения Bluetooth на практике безграничны: помимо синхронизации PDA с настольным компьютером или подсоединения относительно низкоскоростной периферии вроде клавиатур или мышей интерфейс позволяет очень просто и с небольшими затратами организовать домашнюю сеть. Причем узлами этой сети могут быть любые устройства, имеющие потребность в информации либо обладающие необходимой информацией.

Давайте сравним Bluetooth с другим не менее известным интерфейсом беспроводной связи - IEEE 802.11, тем более что оба решения уже доступны на широком рынке. Основные различия между ними можно свести к следующему:

	IEEE 802.11	Bluetooth
1. Назначение	Беспроводные домашние/офисные сети	Замена кабельных соединений для компактных коммуникационных средств
2. Рабочая частота	2.4 ГГц	2.4 ГГц
3. Максимальная скорость передачи данных	11 Мбит/сек (IEEE 802.11b), 2Мбит/сек (IEEE 802.11)	721 Кбит/сек
4. Дальность действия	100 м	10 м или 100 м
5. Максимальное количество узлов	128 устройств на сеть	8 устройств на одну пикосеть, макс. 10 пикосетей, т.е. до 71 устройства на один scatternet
6. Голосовые каналы	Нет (опционально)	3 канала
7. Доступность	Сейчас	Сейчас
8. Цена	$100-$400 за узел	Около $5 за узел

Как легко заметить, интерфейс Bluetooth намного лучше приспособлен для использования в тех беспроводных устройствах связи, где требуется достаточно низкая цена, нет необходимости в высоких скоростях и желательно низкое энергопотребление. Однако, как уже отмечалось, возможно создание комбинированных сетей, тем более что IEEE 802.11 работает совершенно по другому принципу кодирования передаваемых данных, следовательно, находясь на одной и той же рабочей частоте, оба стандарта будут слышать друг друга физически, но чужие сигналы будут расценены каждым из них как посторонний шум.

Немаловажным аспектом в развитии Bluetooth является тот факт, что эта технология не подлежит лицензированию и ее использование не требует выплаты каких-либо лицензионных отчислений (хотя и требует подписания бесплатного соглашения). Такая политика позволила многим компаниям энергично включиться в процесс разработки устройств с интерфейсом Bluetooth, кои были в большом количестве продемонстрированы на выставке CeBIT 2001.

Наибольший интерес, естественно, вызывают устройства, обеспечивающие переход с уже существующих интерфейсов на Bluetooth. Одним из них стало Industrial Bluetooth Serial Port Adapter шведской компании connectBlue . Как видно из названия, это устройство предназначено для промышленного применения и позволяет подключать к Bluetooth любые приборы, оборудованные последовательным портом:

Типичным вариантом использования может стать, например, конфигурирование промышленных установок при помощи ноутбука.

Характеристики:

• дальность действия - до 10 м,
• скорость передачи - 300-115200 Кбит,
• напряжение питания - 9-30 Вольт.

Компания Belkin, знаменитая, в частности, своими продуктами для шины USB, представила целый набор устройств Bluetooth:

Эта карта формата PCMCIA Type II позволяет всем устройствам, имеющим подобный слот, получить Bluetooth интерфейс со скоростью до 721 Кбит/сек. Дальность действия - 10 м.

Здесь мы видим отличное USB решение для настольных (и не только) компьютеров: характеристики те же, что и в предыдущем случае, к тому же это устройство позволяет обмениваться данными по голосовым каналам.

Есть даже адаптер для Palm V: Palm просто кладется в него, как в стандартную кроватку, после чего можно синхронизироваться с настольным компьютером или выходить в Интернет при помощи мобильного телефона, также снабженного Bluetooth интерфейсом. Данный адаптер питается от батареи самого Palm"а.

На выставке можно было найти даже Bluetooth адаптер для Compact Flash:

Компания Troy XCD представила адаптер для подключения принтера с интерфейсом Centronics к Bluetooth:

Компания обещает выпустить его на рынок в начале лета, примерная стоимость - около 195$.

Не менее интересным вариантом применения технологии Bluetooth может стать организация беспроводного доступа в локальную сеть и/или Интернет для устройств в малом офисе или дома. Безусловным лидером в этой области стала компания Red-M , представившая свое решение - сервер Red-M 3000AS:

А вот фотография его прототипа в работе:

3000AS представляет собой Linux-сервер, который может также работать как шлюз в локальную сеть или Интернет. В отличие от большинства других Bluetooth-устройств 3000AS имеет мощный приемопередатчик, обеспечивающий связь в пределах 100 м, причем в комплект входит внешняя антенна, повышающая надежность связи при наличии внешних помех. Для подключения можно использовать ISDN (с выбором вариантов "постоянно онлайн" или "подключение по требованию"), 10/100 Мбит Ethernet, а также RS-232 для сервисного применения. Сервер может также быть запитан через UPS.

Для расширения доступа к серверу могут использоваться малогабаритные точки доступа Red-M 1000AP:

Сервер автоматически определяет и конфигурирует все точки доступа, находящиеся в пределах дальности его действия. Внешние устройства могут быть подсоединены к точке доступа через 10/100 Мбит Ethernet.

Схожую систему представил MiTAC: их Bluetooth Access Point несет на борту 750МГц процессор Transmeta Crusoe TM5400, встроенный NAT и DHCP сервер и, как и предыдущий образец, мощный приемопередатчик дальностью действия до 100 м:

Отличным дополнением к такой системе может стать устройство от Canon - Bluetooth модуль для цифрового фотоаппарата:

Только представьте себе - фотоаппарат сможет автоматически сбрасывать снимки через Bluetooth-гейт на вашу рабочую станцию, или тот же субноутбук, или даже через подключенный к Интернет сотовый телефон с поддержкой Bluetooth… в общем, возможности бесконечны.

Распространенным вариантом является подключение стандартных устройств ввода через Bluetooth, например, вот так:

Sony представила на CeBIT специальный модуль в формате Memory Stick под названием InfoStick:

Очень неплохая идея, особенно учитывая наличие аналогичного устройства для Compact Flash.

Остается только заметить, что лицензирование поддержки Bluetooth бесплатно и необходимо только для заключения соглашения об использовании торговых марок. Так что в скором будущем мы вполне можем ожидать появление Bluetooth в лампочках и утюгах:). А если серьезно, то технология Bluetooth может совершить настоящую революцию в мире персональных коммуникаций и вообще в жизни человека. А вот насколько нам нужна еще одна революция - это еще предстоит решить.

Одна из устойчивых тенденций развития мобильных устройств - совершенствование средств беспроводных коммуникаций, которые обеспечивают возможность соединения с Интернетом, локальной сетью, а также c различным периферийным оборудованием (наушниками, гарнитурами, акустическими системами, принтерами и т.д.) и другими расположенными поблизости гаджетами. Технологии беспроводной связи, как, впрочем, и других компонентов мобильных устройств, - постоянно развиваются. Появляются новые версии спецификаций, увеличивается пропускная способность, расширяется набор функций и т.д. Благодаря этому обеспечивается качественное развитие, без которого немыслим технический прогресс. Впрочем, у прогресса есть и оборотная сторона: с каждым годом пользователям становится всё сложнее разобраться с тем, в чем же заключается различие разных моделей.

Обычно из краткого описания мобильного устройства можно почерпнуть лишь названия беспроводных интерфейсов, которыми оно оборудовано. В подробной спецификации, как правило, есть дополнительные сведения, в частности версии беспроводных интерфейсов (к примеру, Wi-Fi 802.11b/g/n и Bluetooth 2.1). Однако и этого далеко не всегда достаточно для того, чтобы в полной мере оценить возможности беспроводных коммуникаций рассматриваемого устройства. Например, чтобы понять, будет ли работать то или иное периферийное устройство, подключаемое по Bluetooth, с имеющимся в вашем распоряжении смартфоном или планшетом.

В данной статье мы расскажем о различных нюансах, на которые необходимо обратить внимание при оценке возможностей устройств, оборудованных интерфейсом Bluetooth.

Сфера применения

Беспроводной интерфейс с небольшим радиусом действия, получивший название Bluetooth, был разработан в 1994 году инженерами шведской компании Ericsson. Начиная с 1998-го развитием и продвижением данной технологии занимается организация Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), основанная компаниями Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba. К настоящему времени список членов Bluetooth SIG включает более 13 тыс. компаний.

Внедрение интерфейса Bluetooth в потребительских устройствах для массового рынка началось в первой половине минувшего десятилетия. В настоящее время встроенными адаптерами Bluetooth оснащаются многие модели портативных ПК и мобильных устройств. Кроме того, в продаже представлен широкий ассортимент периферийных устройств (беспроводных гарнитур, манипуляторов, клавиатур, акустических систем и т.д.), оборудованных этим интерфейсом.

Основной функцией Bluetooth является создание так называемых персональных сетей (Private Area Networks, PAN), которые обеспечивают возможность обмена данными между расположенными поблизости (внутри одного дома, помещения, транспортного средства и т.д.) настольными и портативными ПК, периферийными и мобильными устройствами и пр.

Главными преимуществами Bluetooth по сравнению с конкурирующими решениями являются низкий уровень энергопотребления и невысокая стоимость приемопередатчиков, что позволяет встраивать его даже в малогабаритные устройства с миниатюрными элементами питания. Кроме того, производители оборудования освобождены от выплаты лицензионных отчислений за установку в своих изделиях приемопередатчиков Bluetooth.

Подключение устройств

Посредством интерфейса Bluetooth можно объединить как два, так и сразу несколько устройств. В первом случае подключение осуществляется по схеме «точка - точка», во втором - по схеме «точка - многоточка». Независимо от схемы соединения одно из устройств является ведущим (master), остальные - ведомыми (slave). Ведущее устройство задает шаблон, который будут использовать все ведомые устройства, а также синхронизирует их работу. Соединенные таким образом устройства образуют пикосеть (piconet). В рамках одной пикосети могут быть объединены одно ведущее и до семи ведомых устройств (рис. 1 и 2). Кроме того, допускается наличие в пикосети дополнительных ведомых устройств (сверх семи), которые имеют статус заблокированных (parked): они не участвуют в обмене данными, но при этом находятся в синхронизации с ведущим устройством.

Рис. 1. Схема пикосети,
объединяющей два устройства

Рис. 2. Схема пикосети,
объединяющей несколько устройств

Несколько пикосетей можно объединить в распределенную сеть (scatternet). Для этого устройство, работающее в качестве ведомого в одной пикосети, должно выполнять функции ведущего в другой (рис. 3). Пикосети, входящие в состав одной распределенной сети, не синхронизированы друг с другом и используют разные шаблоны.

Рис. 3. Схема распределенной сети, включающей три пикосети

Максимальное количество пикосетей в составе распределенной сети не может превышать десяти. Таким образом, распределенная сеть позволяет объединить в общей сложности до 71 устройства.

Отметим, что на практике потребность в создании распределенной сети возникает редко. При нынешней степени интеграции аппаратных компонентов сложно представить себе ситуацию, когда владельцу смартфона или планшета потребовалось бы подключить по Bluetooth более двух-трех устройств одновременно.

Радиус действия

В спецификации Bluetooth предусмотрены три класса приемопередатчиков (см. таблицу), различающихся по мощности, а значит, по эффективному радиусу действия. Наиболее распространенным вариантом, который применяется в большинстве ныне выпускаемых мобильных электронных устройств и ПК, являются приемопередатчики Bluetooth Class 2. Маломощными системами Class 3 оснащается медицинская аппаратура, а основной сферой применения наиболее «дальнобойных» модулей Class 1 являются системы мониторинга и управления промышленным оборудованием.

Разумеется, рассчитывать на стабильное беспроводное соединение между устройствами, удаленными на предельное расстояние (например, на 10 м в случае приемопередатчиков Class 2), можно лишь при отсутствии между ними крупногабаритных препятствий (стены, перегородки, двери и т.п.). Реальный радиус действия может варьироваться как в зависимости от особенностей помещения, так и от наличия в эфире радиопомех и источников сильного электромагнитного излучения.

Версии Bluetooth и их различия

Первая версия спецификации (Bluetooth 1.0) была утверждена в 1999 году. Вскоре после промежуточной спецификации (Bluetooth 1.0В) была утверждена Bluetooth 1.1 - в ней исправлены ошибки и устранены многие недостатки первой версии.

В 2003 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 1.2. Одним из ее ключевых новшеств стало внедрение метода адаптивной перенастройки рабочей частоты (Adaptive frequency-hopping spread spectrum, AFH), благодаря которому беспроводное соединение стало гораздо более устойчивым к воздействию электромагнитных помех. Кроме того, удалось сократить время, затрачиваемое на выполнение процедур обнаружения и подключения устройств.

Еще одним важным улучшением версии 1.2 стало повышение скорости обмена данными до 433,9 Кбит/с в каждую сторону при использовании асинхронной связи по симметричному каналу. В случае асимметричного канала пропускная способность составляла 723,2 Кбит/с в одну сторону и 57,6 Кбит/с - в другую.

Также был добавлен усовершенствованный вариант технологии синхронной связи с установлением соединения (Extended Synchronous Connections, eSCO), который позволил улучшить качество передачи потокового звука за счет применения механизма повторной отправки пакетов, поврежденных в процессе передачи.

В конце 2004 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.0 + EDR. Наиболее важным новшеством второй версии стала технология Enhanced Data Rate (EDR), благодаря внедрению которой удалось значительно (в несколько раз) увеличить пропускную способность интерфейса. Теоретически использование EDR позволяет достичь скорости передачи данных 3 Мбит/с, однако на практике этот показатель обычно не превышает 2 Мбит/с.

Необходимо отметить, что EDR не является обязательной функцией для приемопередатчиков, соответствующих спецификации Bluetooth 2.0.

Устройства, оборудованные приемопередатчиками Bluetooth 2.0, обратно совместимы с модулями предыдущих версий (1.x). Естественно, что скорость передачи данных ограничивается возможностями более медленного устройства.

В 2007 году была утверждена базовая спецификация Bluetooth 2.1 + EDR. Одним из реализованных в ней новшеств стала энергосберегающая технология Sniff Subrating, позволившая значительно (от трех до десяти раз) увеличить продолжительность автономной работы мобильных устройств. Также была существенно упрощена процедура установления связи между двумя устройствами.

В августе 2008-го были утверждены базовые дополнения (Core Specification Addendum, CSA) к спецификациям Bluetooth 2.0 + EDR и Bluetooth 2.1 + EDR. Внесенные изменения направлены на снижение уровня энергопотребления, повышение уровня защиты передаваемых данных и оптимизацию процедур идентификации и соединения Bluetooth-устройств.

В апреле 2009 года была утверждена базовая спецификация Bluetooth 3.0 + HS. Аббревиатура HS в данном случае расшифровывается как High Speed (высокая скорость). Ее главное новшество - реализация технологии Generic Alternate MAC/PHY, обеспечивающей возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с. Кроме того, предусматривается использование двух модулей приемопередатчиков: низкоскоростного (с невысоким энергопотреблением) и высокоскоростного. В зависимости от ширины потока транслируемых данных (или размера передаваемого файла) задействуется либо низкоскоростной (до 3 Мбит/с), либо высокоскоростной приемопередатчик. Это позволяет снизить уровень энергопотребления в ситуациях, когда не требуется высокая скорость передачи данных.

Базовая спецификация Bluetooth 4.0 была утверждена в июне 2010 года. Ключевая особенность этой версии - применение технологии передачи данных с низким энергопотреблением (low energy technology). Снижение энергопотребления достигается как за счет ограничения скорости передачи данных (не более 1 Мбит/с), так и за счет того, что приемопередатчик не работает постоянно, а включается только на время обмена данными. Вопреки распространенному заблуждению, интерфейс Bluetooth 4.0 не обеспечивает более высокую скорость передачи данных по сравнению с версией Bluetooth 3.0 + HS.

Профили Bluetooth

Возможности взаимодействия устройств при подключении по интерфейсу Bluetooth во многом определяются набором профилей, который поддерживает каждое из них. Тот или иной профиль обеспечивает поддержку определенных функций, например передачу файлов или потока медиаданных, обеспечение сетевого соединения и т.д. Сведения о некоторых профилях Bluetooth приведены во врезке.

Важно понимать, что задействовать Bluetooth-соединение для выполнения какой­либо задачи можно лишь при поддержке соответствующего профиля как у ведущего, так и у ведомого устройства. Так, передать по Bluetooth-соединению «визитную карточку» или контакт с одного мобильного телефона на другой можно лишь при условии, что оба аппарата поддерживают профиль OPP (Object Push Profile). А, например, для использования мобильного телефона в качестве беспроводного сотового модема необходимо, чтобы этот аппарат и подключаемый к нему компьютер поддерживали профиль DUN (Dial-up Networking Profile).

Нередко возникают ситуации, когда Bluetooth-соединение между двумя устройствами установлено, однако выполнить какое­либо действие (скажем, передать файл) не удается. Одной из вероятных причин возникновения подобных проблем может быть отсутствие поддержки соответствующего профиля у одного из устройств.

Таким образом, набор поддерживаемых профилей является важным фактором, который необходимо принимать во внимание при оценке возможностей того или иного устройства. К сожалению, в некоторых моделях мобильных устройств поддерживается минимальный набор профилей (например, только A2DP и HSP), что существенно ограничивает возможности беспроводного подключения к другому оборудованию.

Отметим, что набор поддерживаемых профилей определяется не только спецификой и конструктивными особенностями устройства, но и политикой производителя. Например, в некоторых аппаратах заблокирована возможность передачи файлов определенных форматов (изображения, видеоролики, электронные книги, приложения и т.д.) под предлогом борьбы с пиратством. Правда, на деле от подобных ограничений страдают отнюдь не любители контрафактного медиаконтента и программного обеспечения, а честные пользователи, вынужденные даже собственноручно снятые встроенной камерой фотографии передавать на ПК окольными путями (например, отсылая нужные файлы на собственный адрес электронной почты).

Профили Bluetooth A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) - обеспечивает передачу двухканального (стереофонического) аудиопотока от источника сигнала (ПК, плеера, мобильного телефона) к беспроводной стереогарнитуре, акустической системе или иному воспроизводящему устройству. Для сжатия передаваемого потока может использоваться стандартный кодек SBC (Sub Band Codec) либо другой, определенный производителем устройства. AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) - позволяет управлять стандартными функциями телевизоров, систем домашнего кинотеатра и т.д. Устройство с поддержкой профиля AVRCP способно выполнять функции беспроводного пульта ДУ. Может применяться в связке с профилями A2DP или VDPT. BIP (Basic Imaging Profile) - обеспечивает возможность передачи, приема и просмотра изображений. Например, позволяет передавать цифровые фотографии с цифровой камеры в память мобильного телефона. Предусмотрена возможность изменения размеров и форматов передаваемых изображений с учетом специфики подключенных устройств. BPP (Basic Printing Profile) - базовый профиль печати, обеспечивающий передачу различных объектов (текстовых сообщений, визитных карточек, изображений и т.п.) для вывода на печатающем устройстве. Например, можно распечатать на принтере текстовое сообщение или фотографию с мобильного телефона. Важной особенностью профиля BPP является то, что на устройстве, с которого производится отправка объекта на печать, не требуется устанавливать специфический драйвер для имеющейся модели принтера. DUN (Dial-up Networking Profile) - обеспечивает подключение ПК или иного устройства к Интернету посредством мобильного телефона, выполняющего в данном случае функцию внешнего модема. FAX (Fax Profile) - позволяет использовать внешнее устройство (мобильный телефон или МФУ с факсимильным модулем) для приема и отправки факсимильных сообщений с ПК. FTP (File Transfer Profile) - обеспечивает передачу файлов, а также доступ к файловой системе подключенного устройства. Стандартный набор команд позволяет осуществлять навигацию по иерархической структуре логического диска подключенного устройства, а также копировать и удалять файлы. GAVDP (General Audio/Video Distribution Profile) - обеспечивает передачу звукового и видеопотока от источника сигнала к воспроизводящему устройству. Является базовым для профилей A2DP и VDP. HFP (Hands-Free Profile) - обеспечивает подключение автомобильных устройств hands-free к мобильному телефону для голосовой связи. HID (Human Interface Device Profile) - описывает протоколы и способы подключения беспроводных устройств ввода (мышей, клавиатур, джойстиков, пультов ДУ и пр.) к ПК. Профиль HID поддерживается в ряде моделей мобильных телефонов и КПК, что позволяет использовать их в качестве беспроводных пультов для управления графическим интерфейсом ОС или отдельными приложениями на ПК. HSP (Headset Profile) - позволяет подключить беспроводную гарнитуру к мобильному телефону или иному устройству. Помимо передачи звукового потока обеспечивается работа таких функций, как набор номера, ответ на входящий звонок, завершение вызова и регулировка громкости. OPP (Object Push Profile) - базовый профиль для пересылки объектов (изображений, визитных карточек и т.д.). Например, можно передать список контактов с одного мобильного телефона на другой или фотографию со смартфона на ПК. В отличие от FTP, профиль OPP не обеспечивает доступ к файловой системе подключенного устройства. PAN (Personal Area Networking Profile) - позволяет объединить два или насколько устройств в локальную сеть. Таким способом можно подключить несколько ПК к одному, имеющему доступ в Интернет. Кроме того, данный профиль обеспечивает удаленный доступ к ПК, выполняющему функции ведущего устройства. SYNC (Synchronization Profile) - используется в связке с базовым профилем GOEP и осуществляет синхронизацию персональных данных (ежедневника, списка контактов и пр.) между двумя устройствами (например, н астольным ПК и мобильным телефоном).

Производители постоянно внушают потребителям, что новые решения безусловно лучше старых. Новые процессоры обладают более высокой производительностью и меньшим энергопотреблением по сравнению с предшественниками; новые дисплеи имеют более высокое разрешение и широкий цветовой охват и т.д. Однако применять подобный подход для оценки возможностей интерфейса Bluetooth вряд ли целесообразно.

Во­первых, необходимо принимать в расчет особенности уже имеющегося парка Bluetooth-устройств. Ведь, как уже было упомянуто, максимальная скорость передачи данных определяется устройством, оборудованным наиболее старой версией интерфейса. К тому же высокая скорость передачи данных требуется далеко не для всех задач. Если для копирования медиафайлов (звуковых записей, изображений) или трансляции звукового потока с низкой степенью компрессии это действительно важный фактор, то для нормального взаимодействия телефона с беспроводной гарнитурой или для обмена контактами с другим аппаратом вполне хватит возможностей Bluetooth 2.0.

Во­вторых, во многих случаях гораздо более важным фактором, нежели максимальная скорость беспроводного соединения, является набор поддерживаемых профилей Bluetooth. Ведь именно он фактически определяет круг оборудования, с которым способно взаимодействовать имеющееся устройство. К сожалению, эти сведения редко приводятся даже в полной спецификации устройства, и зачастую их приходится искать в тексте руководства по эксплуатации или на форумах пользователей.

Несмотря на то, что технология Bluetooth соединения достаточно старая и пользуется огромным распространением во всем мире, многие все же не знают, как работает Блютуз. При помощи такой связи вы можете обмениваться файлами, играть в совместные игры (к примеру, на телефонах), подключаться периферийное оборудование к ПК, передавать звук на аудиосистему и многое другое.

Но, чтобы знать, как создавать подключения и пользоваться технологией, вам нужно понять принцип работы Bluetooth. Технология достаточно проста и понятна. Более того, она дешевая. Благодаря этому Блютуз связь доступна абсолютно каждому. Каждый телефон, смартфон, планшет и ноутбук имеет встроенный адаптер беспроводной связи.

Что такое Bluetooth: Видео

Принцип работы Bluetooth

Многие задают вопрос, на какой расстоянии действует Bluetooth? Здесь все зависит от версии технологии. Но, прежде чем переходить к зоне покрытия, стоит отметить, что для передачи данных используются передатчики (приемники) весьма малых размеров. Они практически не занимают места.

Благодаря этому адаптер встраивается в самые миниатюрные телефоны. При этом радиус действия Блютуз достигает 10 метров. Если говорить о более новых стандартах, к примеру, Bluetooth 4.0, то радиус действия еще больше, около 100 метров на прямой видимости.

Работает приемник в диапазоне 2.4-2.48 Ггц. То есть это обычная радиосвязь, работающая в Скорость передачи данных в зависимости от версии может варьироваться от 721 Кбс (1.1), до 24 Мбс (3.0 и 4.0). Данная технология позволяет создавать частные сети, объединяя несколько устройств в группы. При этом вы можете не только передавать файлы, но и управлять оборудованием удаленно.

Ответ на вопрос, на каком расстоянии работает Блютуз - до 50 метров при прямой видимости и около 10-20 метров в зданиях. Конечно, производитель утверждает, что, начиная с версии 3.0, радиус действия может достигать 100 метров, но по факту область покрытия как минимум вдвое меньше.

При этом подключение происходить автоматически. Пользователям практически ничего настраивать не нужно. Стоит отметить, что многие современные устройства работают с такой связью. К примеру, наибольшим распространением пользуется беспроводная гарнитура, которую можно подключить к телефону или компьютеру.

Для переключения между частотами для каждого соединения используется псевдослучайная последовательность, которая известна только передатчику и приемнику. Они, в свою очередь, каждые 625 мкс синхронно переключаются с одной частоты на другую. 625 мкс - это один временной слот.

Благодаря такому алгоритму в случае, если рядом работает не одна пара (приемник-передатчик), они не мешают друг другу. Именно поэтому при подключении выполняется синхронизация. Более того, такая особенность позволяет повысить уровень безопасности и защищает систему конфиденциальности информации, которая передается между устройствами.

Как узнать версию Bluetooth: Видео

Как действуют беспроводные Bluetooth наушники

Благодаря широкому распространению беспроводной гарнитуры все чаще встречается вопрос, как работают Блютуз наушники?

Здесь очень просто. Гарнитура синхронизируется с телефоном (или другим источником звука) и воспроизводят получаемый звуковой сигнал. Суть заключается в том, что адаптер преобразует цифровой сигнал в аналоговый и передает его по радиоволнам. В наушниках Bluetooth модуль принимает радиоволны и преобразует их в цифровой сигнал.

Как подключить гарнитуру к телефону? Для этого вы зажимаете кнопку питания на наушниках и держите до тех пор, пока индикатор не начнет мигать синим и красным (цвета могут отличаться в зависимости от модели).

Выбираете нужное устройство и нажимаете «Подключить». После этого устройства синхронизируются.