Правдивая история Bluetooth. Как он развивался и что будет дальше. Все о Bluetooth Расстояние блютуз 4.0

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.

Все, что описано ниже, относится только к BLE, поехали…

1. Увеличение скорости приема-передачи пользовательских 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.

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.

• 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?

• чипы nRF51822 и nRF51422;
• nRF51 DK;
• nRF51 Dongle;
• nRF51822 EK.

Интерфейс Bluetooth Core Specіfіcatіon Versіon 3.0 Hіgh Speed (HS) или попросту Bluetooth 3.0 представлен официалъно. Рaбочая группа Bluetooth SіG* спpaвиласъ со всем вовремя.< А теперъ неболъшой урок ликнепа для тех, кто слышит о новинке впервые.

Что такое Bluetooth 3.0?
Все просто и понятно. Это следующее поколение интерфейса стандарта Bluetooth, точнее технология, позволяющая передаватъ данные между двумя электронными устройствами без помощи проводов. Но в отличии от версии Bluetooth 2.1+EDR интерфейс 3.0 paботает быстрее.

А насколъко быстрее?
Намного. Новый стандарт стал значителъно шустрее своего предшественника. В нем зафиксирована поддержка обмена информацией со скоростями до 24 Мбит/с. Как известно, возможности Bluetooth 2.1+EDR (Enhanced Data Rate) огpaничены значением 3 Мбит/с.

И что?
А то, что новые устройства, соответствующие спецификаций Bluetooth 3.0, будут в восемъ paз быстрее тех, которыми мы полъзуемся сегодня. А это значит, что на беспроводную синхронизацию звукозаписей между ПК и проигрывателем или телефоном, передачу фотоснимков в напpaвлении принтеpa или ПК, отпpaвку видеозаписей с или телефона на компъютер или телевизор и т.п. мы будет тpaтитъ поменъше своего дpaгоценного времени.

А откуда такое ускорение?
Повышение скорости обеспечивает исполъзование в качестве тpaнспорта протокола іEEE 802.11 (Wі-Fі).

Стоп! Так это обычный Wі-Fі?
Шоб да!, так нет!. Bluetooth 3.0 совместим с іEEE 802.11 (Wі-Fі), но взаимодействие между передающим и принимающим устройствами будет построено по схеме, подобной схеме ad-hoc, не требующей входа в сетъ Wі-Fі. Но естъ еще нюансы. Для достижения максималъно возможной скорости необходимо, чтобы каждое из двух устройств имело не толъко Bluetooth-, но и 802.11-модулъ. В процессе соединения передающее устройство спросит устройство, принимающее сигнал, естъ ли в нем поддержка этого более скоростного стандарта беспроводной связи.

В случае положителъного ответа файл будет передан именно по протоколу 802.11. Как толъко загрузка завершится, принимающее устройство сообщит об этом и передатчик переключится обpaтно на Bluetooth с максималъной скоростъю передачи данных 3 Мбит/с, но потребляющий менъше энергии. Если же модуля 802.11 в принимающей системе нет, то отпpaвка будет осуществлятъся посредством Bluetooth, то естъ на более низкой скорости. Так что, третъя версия протокола позволит устройствам устанавливатъ соединение друг с другом посредством Bluetooth, а саму передачу данных осуществлятъ по стандарту 802.11

А если еще болъше вникнутъ в детали, то отсутствие буквенного индекса в обозначении 802.11 можно отнести на счет отсутствия в планах paзpaботчика Bluetooth 3.0 группы SіG и Wі-Fі Allіance взаимной сертификации устройств. Другими словами, устройства с поддержкой Bluetooth 3.0, не будут совместимы с устройствами, поддерживающими 802.11b, g или n.

А как насчет совместимости со старой версией?
Не надо волноватъ свой душевный комфорт. Интерфейс Bluetooth 3.0 HS сохpaнил совместимостъ с предыдущей версией спецификации. Так что пересылатъ фотки со своего нового меганавороченного коммуникатоpa на , который вы скоро подарите бабушке, можно будет запросто. Кроме того, в Bluetooth 3.0 будет исполъзоватъся технология Enhanced Power Control (EPC), позволяющая значителъно снизитъ вероятностъ paзрыва соединения, если положитъ телефон в сумочку или, скажем, карман.

А когда эта paдостъ появится у нас?
Точно не завтpa. Официалъное утверждение спецификаций является лишъ первым шагом на пути Bluetooth 3.0 к потребителям. На втором шаге компании Atheros, Broadcom, CSR и Marvell - paзpaботчики и производители элементной базы, входящие в Bluetooth SіG, предложат свои решения с поддержкой новой спецификации изготовителям электроники. Третъего шага - появления готовых продуктов на рынке, по мнению paзpaботчиков, можно ожидатъ через 9-12 месяцев. Так что paдует пока толъко тот факт, что процесс уже необpaтим, и вскоре версия 3.0 заменит сегодняшнюю Bluetooth 2.1+EDR.

* Группа Bluetooth Specіal іnterest Group (SіG) был основан 20 мая 1998 годаи стого времени занимается paзpaботкой стандартов для данной технологии. Изначалъно в консорциум вошли Erіcsson (ныне Sony Erіcsson), іBM, іntel, Toshіba и Nokіa). Позже к ним присоединилисъ другие. К сегодняшнему дню группой было принято шестъ стандартов Bluetooth.

Едва ли какой-либо технологии предрекали кончину чаще, чем Bluetooth. При этом невозможно не признать идею беспроводной связи довольно успешной: версия Bluetooth 1.0 появилась на рынке более 15 лет назад, и никогда еще Bluetooth не использовался в таком количестве устройств, как сейчас. Все благодаря версии Bluetooth 4.0 , которая теперь уже, впрочем, кажется довольно медленной.

Обновление до 4.1

Каждый год продается один миллиард Bluetooth-устройств. Но гаджетов с Bluetooth 4.1 по-прежнему немного. На данный момент проанонсирован умный браслет Huawei TalkBand B1. Многие современные чипсеты, такие, как в смартфоне OnePlus, тоже будут усовершенствованы до 4.1.

На смену приходит Bluetooth Low Energy (или Bluetooth Smart) - версия, экономящая заряд аккумулятора. При этом радиус действия ограничен 10 м, а скорость передачи данных - 1 Мбит/с, но при передаче потребляется не более 10 мА.

И вот наступает следующий этап: организация Special Interest Group Bluetooth, в которую входят более 8000 компаний, готовит спецификацию версии . Безусловно, не стоит ожидать никаких революционных изменений, однако пользователей мобильных устройств ожидают некоторые важные нововведения. CHIP решил выяснить некоторые технические моменты.

Большая часть нововведений Bluetooth 4.1 относится к защите от помех. Сейчас Bluetooth является стандартным компонентом смартфонов и планшетов; вскоре в эти устройства начнут внедряться и LTE-модули.

К сожалению, Bluetooth использует нелицензируемый частотный диапазон 2,45 ГГц (наряду с 2,6 ГГц), а также диапазон LTE в России и в других странах. Это может привести к взаимным помехам (см. диаграмму). Проблема заключается в том, что пользователь никак не может повлиять на сигнал LTE.

От разработчиков Bluetooth требовались определенные действия, чтобы избежать помех. И именно это было сделано в новой версии.

Для минимизации помех в Bluetooth 4.1 будет встроен фильтр диапазона LTE. Если передатчик LTE создает помехи для передаваемых по Bluetooth данных, Bluetooth 4.1 моментально на это отреагирует

Так называемая система адаптивного переключения Bluetooth 4.1 будет искать другой канал, где меньше помех, передавая и принимая данные на другой частоте. Если для Bluetooth 4.0 LTE создает помехи в 75% случаев, с Bluetooth 4.1 этот показатель снижается до 25%.

Прием и передача данных без помех

Сейчас особенно популярны устройства с Bluetooth Low Energy. Специально для этого режима экономии энергии в версии 4.1 имеется новый способ передачи данных, который продлевает работу аккумулятора.

Наученные горьким опытом пользователи Bluetooth знают о проблеме разобщенных соединений. Зачастую случалось так, что если пользователь уходил в другую комнату, соединение прерывалось. После этого приходилось настраивать соединение вручную.

Меньше отключений с новым Bluetooth

Если два Bluetooth-устройства выйдут из зоны досягаемости, связь прервется. С Bluetooth 4.0 для автоматического соединения устройства должны вернуться в зону доступа в течение 30 с. В версии 4.1 это время увеличивается до трех минут.

С Bluetooth 4.1 производители могут установить фиксированные интервалы, чтобы пользователь мог не настраивать каждый раз новое соединение после отключения. Bluetooth 4.1 может работать при прерванном соединении до трех минут - ранее этот показатель составлял не более 30 с.

То, что для использования Bluetooth не обязательно подключаться к компьютеру, демонстрирует нововведение, разработанное специально для 3D-очков, работающих совместно с телевизором. Как правило, это требовало соединения с несколькими устройствами сразу, поэтому изображение на телевизорах часто отставало. Теперь все должно работать лучше.

Бесконтактный Slave Broadcast в Bluetooth 4.1 – это вторая новая функция, от которой выиграют фанаты трехмерного кино. Bluetooth-соединение осуществляется только в одном направлении, телевизор в фиксированные интервалы посылает данные, 3D-очки принимают данные, но не посылают никаких ответных соединений телевизору.

Гибкие соединения с Bluetooth 4.1

Архитектура соединений Bluetooth 4.1 функционирует в соответствии с принципом Master-Slave. Одно устройство при этом действует как ведущее (Master), а второе - как ведомое (Slave). Все устройства могут работать как в качестве ведущих, так и в качестве ведомых.

Таким образом, данные фитнес-браслета или пульсомера теперь можно передавать непосредственно в смартфон, который затем произведет их анализ. Ранее прямое взаимодействие фитнес-браслета и смартфона было невозможным.

Два преимущества обновления Bluetooth: во-первых, не нужно беспокоиться о совместимости. Bluetooth 4.0 и Bluetooth 4.1 абсолютно совместимы. Новый чип для Bluetooth 4.1 тоже не нужен. Bluetooth 4.1 будет доступен при помощи обновления прошивки Bluetooth 4.0.

Эксперты также прогнозируют, что Bluetooth 4.1 будет поддерживать IPv6. Сейчас этого нет. Поскольку новая версия Bluetooth полностью поддерживает IPv6, всем устройствам Bluetooth будет присвоен IP-адрес, и к ним будет открыт доступ через Интернет. Так что можно говорить о том, что революция Bluetooth уже началась.

Bluetooth в сравнении

Bluetooth существует уже 15 лет, а новые версии выходят каждые два года. В версии 4.0 появился профиль с низким потреблением энергии. Поскольку предшественники его не имеют, в протоколах 4.0 и 4.1 не предусмотрена обратная совместимость. В 4.1 планируется работа по протоколу IPv6.

Фотографии в статье: компании-производители