Bluetooth: технология и ее применение
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.
- 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.
Источник
Коротко об истории Bluetooth: четверть века для путешествия от 1.0 до 5.2
Беспроводные технологии появились несколько десятков лет назад. Не так давно мы писали в своем блоге об истории WiFI, а теперь самое время вспомнить о «родственнике» — технологии Bluetooth.
Без WiFi и Bluetooth, вероятно, современный мир выглядел бы несколько иначе, и не обязательно — лучше. Нам повезло — раз став популярной, технология Bluetooth продолжала развиваться, получая все новые возможности.
Как все начиналось
Идея о создании беспроводной технологии передачи данных, кроме WIFi, появилась не вдруг. Пробовали реализовать ее такие крупные игроки IT-рынка, как Ericsson, Nokia, Intel, Toshiba и несколько других компаний.
Для концентрации и фокусирования их усилий в марте 1998 года была создана группа SIG — Special Interest Group, куда и вошли все эти и другие компании. У участников было несколько критически важных пожеланий к Bluetooth:
- Технология должна быть надежной.
- Беспроводная передача данных должна быть простой.
- Ее должны поддерживать большинство гаджетов.
- Bluetooth должна быть универсальной, чтобы смартфоны, ноутбуки и другие гаджеты могли предлагать возможности беспроводной связи.
Забегая наперед, стоит сказать, что организаторы SIG добились чего хотели. Технология стала сверх-востребованной и популярной. Модуль Bluetooth входит в конструкции большинства современных электронных гаджетов. Проще сделать список не поддерживающих Bluetooth-гаджетов, чем список тех устройств, которые работают с этой технологией.
Развитие происходило и происходит бурными темпами. В настоящий момент в состав группы SIG входит более 30 тысяч компаний со всего мира.
Первое поколение
Первая версия протокола так и называлась — Bluetooth 1.0, она появилась в 1998 году. К ней предъявляли претензии — как компании, так и обычные пользователи, которые жаловались на совместимость устройств, сложность в настройке и т.п.
К сожалению, насчет совместимости действительно были проблемы — далеко не все гаджеты быстро и оперативно выявляли все Bluetooth-устройства поблизости. Кроме того, у разных девайсов были различные версии беспроводного модуля, так что вполне могло случиться так, что два устройства с вроде бы одинаковыми версиями Bluetooth не видели друг друга.
Чуть позже появилась обновленная версия — 1.0В. И в 2000 году появилась версия Bluetooth 1.1 с большим количеством улучшений — теперь пользователи получили возможность определять уровень сигнала беспроводного соединения и передавать данные по незашифрованным каналам. А устройства в большинстве случаев видели друг друга. Конечно, проблемы случались, но в большинстве случаев все работало как надо.
Ну и «в люди» Bluetooth вышел уже начиная с версии 1.2. Она отличалась повышенной пропускной способностью канала (вплоть до 1 Мбит/с) и улучшения помехоустойчивости. Плюс появилась поддержка профиля A2DP, что означало возможность передавать стереозвук.
Версия 2.0
Спустя четыре года после выхода версии Bluetooth 1.1 появился Bluetooth 2.0. Конечно, по сравнению с предыдущим поколением улучшений была масса. Вот главные:
- Увеличенная до 3 Мб/с скорость передачи данных. Правда, это была теоретическая скорость, на практике этот показатель составлял примерно 2 Мб/с.
- Появление EDR, что улучшило качество приема и передачи.
- Возможность работать одновременно с несколькими устройствами.
Версия 2.1 появилась через несколько лет после выхода 2.0. Разработчикам удалось очень сильно снизить энергопотребление, упростить работу с несколькими устройствами. А еще появилась технология NFC.
В последнем варианте версии 2.1 энергопотребление удалось снизить в пять раз, плюс значительно улучшить защиту передаваемых данных.
А теперь — версия 3.0
Здесь вообще улучшили все и вся. Особенно отличились разработчики в плане улучшения скорости передачи данных. Теоретический предел ширины канала — 24 Мб/с. На практике получалось несколько ниже, но все равно гораздо больше, чем у версии 2.0.
Интересно, что версия 3.0 включала и 2.0. Более новая использовалась в том случае, если нужно было передать большой объем данных. Предыдущая — в том случае, если файл маленький высокая скорость передачи данных не особо нужна.
Через год — Bluetooth 4.0
Каждая новая версия Bluetooth появлялась быстрее, чем предыдущая. Так, «четверка» вышла всего через год после «тройки». Производители мобильных устройств не успели еще освоить закупленные чипы с Bluetooth 3.0, а уже надо было выпускать модели устройств с обновленным стандартом.
Огромный плюс 4.0 — в низком энергопотреблении. Оно настолько небольшое, что модули Bluetooth стало возможным устанавливать в небольшие датчики, сенсоры и прочие устройства. Экономия энергии стала возможной благодаря тому, что чип активируется лишь в момент отправки или приема данных.
В итоге обычной батарейки CR2032 хватает для нескольких лет работы модуля 4.0. Именно благодаря этой особенности четвертого поколения беспроводной связи стало возможным выпускать поисковые метки для ключей, кошельков и т.п. Раньше такое и представить было невозможно.
В четвертой версии значительно увеличен радиус действия — вплоть до 100 метров.
Эта версия продержалась несколько лет, с разными улучшениями, добавляемыми в апдейтах протокола — 4.1 и 4.2.
И, наконец, Bluetooth 5.0
16 июня 2016 года Bluetooth Special Interest Group (SIG) представила спецификацию Bluetooth 5.0. Радиус увеличили еще в четыре раза, до 300 метров, а скорость, по сравнению с «четверкой» — в два, до 48 Мбит / с. В помещении радиус действия беспроводной связи уменьшается до 40 метров, что тоже очень неплохо.
Кроме того, в этой версии удалось избавиться от проблем в протоколе, которые приводили к эксплуатации уязвимостей злоумышленниками. Речь идет о проблеме BlueBorne, которая привела к компрометации большого количества устройств.
Bluetooth 5 идеально подходит для IoT устройств благодаря низкому энергопотреблению и высокой скорости передачи данных. Одно из достоинств этой версии беспроводной связи — то, что она может работать в очень загруженных с точки зрения радиоизлучения местах.
Bluetooth 5 используется в большом количестве устройств, включая промышленный IoT, любые носимые устройства, от трекеров до умных часов, смартфонах, медиацентрах, ноутбуках и т.п.
А еще — звук можно транслировать сразу на несколько устройств, так что к одному источнику может подключиться сразу несколько пользователей. Эта возможность была усовершенствована в версии Bluetooth 5.2. Она включает LE Isochronous Channels — функцию для поддержки нового стандарта передачи аудио LE Audio. Она дает возможность передавать данные с привязкой ко времени на одно или несколько устройств для синхронизированной по времени обработки (пример: беспроводные наушники с раздельными приёмниками), а также для параллельной трансляции на неограниченное количество устройств. Версия 5.2 появилась в начале января 2020 года.
Что касается Bluetooth 6.0, то, вероятно, разработка новой спецификации уже ведется, но информации по ней пока нет, так что ждем.
Источник
