bluetooth vs 802 -...

Bluetooth vs 802.11

Similitudes

Technologies sans fil

ISM 2.4 Ghz

Accès LAN Ethernet

Différences

Débits

Porté de fonctionnement

Techniques de modulation

Nombre d’utilisateurs

Sécurité

Complémentaires

Introduction

Bluetooth TM

Camille Diou Docteur en microélectronique

LABORATOIRE INTERFACES CAPTEURS & MICROÉLECTRONIQUE

UNIVERSITÉ DE METZ

Introduction : contexte

Standard de liaison radio faible portée

Motivations : remplacement de toute la connectique nécessaire à l’interconnexion de matériels électroniques fixes ou portables

Possibilité d’accéder à des réseaux locaux (LANs) ou de réaliser des picoréseaux (piconets)

Objectifs : Faible consommation

Faible coût

Interopérabilité totale sans intervention de l’utilisateur

Introduction : histoire

Introduit par Ericsson en 1994

Harald Blaatand «Bluetooth» II, roi du Danemark de 940 à 981 Sa pierre tombale indiquait :

Harald a christianisé la Scandinavie

Harald a contrôlé le Danemark et la Norvège

Harald pensait que les ordinateurs portables et les téléphones mobiles devaient communiquer sans fils

Webographie

Special Interest Group (SIG) : Ericsson, IBM, Intel, Nokia, et Toshiba, adopté par 3000 entreprises

Version 1.1 disponible gratuitement à : http://www.bluetooth.com

IEEE 802.15.1 : standardisation des couches PHY et MAC (liaison physique et

contrôle d’accès)

http://www.bluetooth.com/

Introduction : challenges

Utilisation d’une bande de fréquences libre d’utilisation et universelle

Dispositifs mobiles : nécessité de s’adapter aux environnement changeant rapidement

Implantation la plus petite possible : embarqué

Puissance consommée : une faible fraction du dispositif hôte

Établissement de la communication automatique

Synchronisation des horloges

Introduction : spécifications

Bande ISM (Industrial, Scientific & Medical) : 2,4 GHz

Les spécifications Bluetooth comprennent :

La spécification des protocoles matériels et logiciels

Des profiles d’utilisation et des contraintes d’interopérabilité

Introduction : spécifications

Opère dans la bande 2.4 GHz à un débit de données maximal de 1 Mb/s (v1)

Étalement de spectre par saut de fréquence (Frequency Hopping Spread Spectrum) : divise la bande en n canaux (2.402 - 2.480 GHz = 79 canaux)

Changement de canal de façon pseudo-aléatoire, déterminée par le maître

8 périphériques par piconet (1 maître et 7 esclaves)

Piconets combinés en scatternets

Avantages du Frequency-hopping

Opère dans un environnement radio bruité

Rend le lien robuste: Évite les interférences

avec les autres signaux en sautant sur une nouvelle fréquence après avoir émis ou reçu un paquet

Paquets courts et sauts de fréquences rapides limitent l’impact des fours micro-ondes et autres sources…

Usage : casques sans fils

Bénéfices pour l’utilisateur :

Accès à des périphériques multiples

Téléphones sans fils

Opérations mains-libres

Usage : synchronisation


Synchronisation de proximité

Maintenance aisée des bases de données

Base de données d’informations commune

Usage : points d’accès données


Plus de connecteurs

Accès Internet aisé

Partage de connexion

Architecture: Réseau Bluetooth (Piconet)

master

slave5

slave1

Piconet

slave3slave2

slave4

slave7

slave6

parked

slave

parked

slave

parked

slave

parked

slave

Ensemble de périphériques connectés de manière ad-hoc

Une unité se comporte en maître, les autres en esclaves, pour la durée de la connexion piconet

Chaque piconet a un unique motif/ID de saut

Architecture : piconet

Toplogie en étoile Maître définit l’horloge et le saut de

fréquence administre le piconet (polling) peut connecter jusqu’à 7 esclaves

simultanément ou 250 esclaves inactifs (parqués)

Canaux logiques Asynchronous, packet oriented donc

connection-less (ACL) Synchronous, connection-oriented -

SCO (voice, slot reservation)

M

S S

S

SB

P

P

M=Master

S=Slave

P=Parked

SB=Standby

Architecture : scatternet

Liaison de piconets co-localisés partageant des périphériques maîtres ou esclaves

Un périphérique peut être à la fois maître et esclave

Système haute capacité : chaque piconet a une capacité maximale (720 kbps)

M

M

S S

S

S

P

SB

SB

P

P

M=Master

S=Slave

P=Parked

SB=Standby

Architecture

Application Framework

& Support

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Host Controller Layer

Radio

Bande de base

Link Manager Protocol

Logical Link Control &

Application Protocol

Architecture : couche radio

Opère dans la bande 2,4 GHz

Communication en étalement de spectre Saut de fréquence : frequency hopping

79 canaux espacés de 1MHz: 2402 + k MHz et k=0,1,…,78

1600 changements/s : hop slot de 625 μs

Sauts rapides : nombreux réseaux coexistants

Faible taille de paquets : bande bruitée, taux d’erreur élevé

En-têtes des paquets protégés : correction d’erreur

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Architecture : couche radio

Voix et données simultanément: 432 Kbps (full duplex), 721/56 Kbps

(asymmetric) ou 3 canaux de voix simultanés en full duplex par

piconet (CVSD @ 64 Kbps) ou une combinaison de voix et de données

Trois classes de composants: Class 1 – 20 dBm (100 mW) – Power control required

Class 2 – 4 dBm (2.5 mW) – Power control required

Class 3 – 0 dBm ( 1 mW)

RF

Architecture : bande de base

Contrôle la couche radio

Fournit les séquences de sauts de fréquence

Gère le cryptage bas niveau

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio


SCO : Synchronous Connection Oriented Used primarily for voice

Time bounded symmetric connection

Use reserved, non-polled transmission slots

ACL : Asynchronous Connectionless Used primarily for packet data

Both symmetric and asymmetric

Master controls the link

Broadcast messages supported (address 0)

BB


Fournit les fonctionnalités requises pour :

la synchronisation des horloges,

l’établissement des connexions,

l’inquisition (inquiry) des adresses des périphériques présents,

la correction d’erreur des paquets

5 canaux différents :

information de contrôle,

information de gestion de liaison,

données synchrones,

données asynchrones,

données isosynchrones

BB

Bluetooth Packet Structure

• Access code identifies a piconet.

• Access code used for piconet communication derived from the master’s address.

• Access codes used in inquiry, paging.

Packet Header

• AM_ADDR: 3 bits: address of slave in piconet.

• TYPE: One of 16 possible packet types

• FLOW: Used to stop flow on ACL link.

• ARQN: Positive or negative acknowlegement.

• SEQN: Inverted for each new transmitted packet.

• HEC: Header-error check.

• The entire header is protected by 1/3 rate FEC.

Architecture : couche LMP

Link Manager Protocol :

Protocole de gestion de liaison Gestion des piconets

Configuration de la liaison

Fonctions de sécurité

Fournit les fonctionnalités de : d’attachement/détachement d’esclaves

de basculement de rôle maître/esclave

d’établissement des liaisons ACL/SCO

de gestion des modes low-power : hold, sniff et park

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Architecture : couche LMP

Configuration de la liaison :

Définition des paramètres de liaison

Qualité de service (QoS : Quality of Service)

Contrôle de la consommation

Authentification des périphériques

Gestion des clefs de liaison

LMP

Architecture : couche L2CAP

Logical Link Control and Adaptation Protocol : Protocole de contrôle du lien logique et de

l’adaptation Fonctions de base :

Multiplexage : plusieurs applications peuvent utiliser un même lien entre deux périphériques simultanément

Segmentation et ré-assemblage : réduction de la taille des paquets fournis par l’application à la taille acceptée par la bande de base ; L2CAP = 64 ko, BB = 2745 bits

Qualité de service : les applications peuvent demander de la QoS sur des paramètres tels bande passante, latence et retard ; L2CAP vérifie si la liaison peut satisfaire la demande et l’effectue dans le cas où c’est possible

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Architecture : couche (HCL ou) HCI

Module Bluetooth=carte séparée (PCI, USB)

Intègre les couches basses : radio, bande de base, LMP

Les données doivent traverser un bus physique nécessité d’introduire deux couches supp : Driver HCI : driver pour le HCI, réside

dans l’hôte (logiciel), formate les données Host Controller Interface : réside dans le

matériel bluetooth, accèpte les communications sur le bus physique

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Architecture : couche HCI Host Controller Interface

Hôte 1 Hôte 2

Bluetooth hôte Bluetooth hôte

Drivers des

couches

supérieures

Drivers des

couches

supérieures

Drivers HCI Drivers HCI

Drivers de bus Drivers de bus Bus physique

(USB, PCCard, etc.)

Bus matériel

Bus physique (USB,

PCCard, etc.)

Bus matériel

Firmware HCI Firmware HCI

Firmware link

manager

Firmware link

manager

Contrôleur

bande de base

Contrôleur

bande de base

Wireless

Données utilisateur

HCI HCI

Physique Physique

Architecture : couche application

Les applications accèdent à la couche L2CAP directement ou à travers un protocole tel RFCOMM, TCS ou SDP

Modèles d’utilisation : Téléphone trois-en-un : un seul combiné fonctionne

comme intercom, téléphone, ou mobile selon les services disponibles

L’attaché-case : liaison portable / téléphone Synchronisation automatique Casques sans-fils Kits mains libre pour véhicule Domotique, partage de données lors de réunions,

alarmes, systèmes de sécurité, accès réseau en zones publiques

RF

BB

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Audio

Profiles

Les profiles permettent l’interoperabilité entre des matériels de différents fabricants pour des services spécifiques et cas d’utilisations

Un profile : Définit un ensemble de messages et de

procédures

Donne une description complète de la communication entre deux éléments

Les profiles Bluetooth

Il existe 13 profiles Bluetooth initiaux correspondant à autant de fonctions possibles dans une connexion : K1 : GAP Generic Access Profile K2 : SDAP Service Discovery Application Profile K3 : CTP Cordless Telephony Profile K4 : IP Intercom Profile K5 : SPP Serial Port Profile K6 : HS Headset Profile K7 : DNP Dial-up Networking Profile K8 : FP Fax Profile K9 : LAP LAN (Local Area Network) Access Profile K10 : GOEP Generic Object Exchange Profile K11 : OPP Object Push Profile K12 : FTP File Transfer Profile K13 : SP Synchronization Profile

Les profiles Bluetooth Aux profiles précédents on peut ajouter 12 profiles

en phase finale de développement (à cette date): ESDP Extended Service Discovery Profile (Universal Plug &

Play) A2DP Advanced Audio Distribution Profile AVRCP Audio Video Remote Control Profile BIP Basic Imaging Profile BPP Basic Printing Profile CIP Common ISDN Access Profile GAVDP Generic Audio Video Distribution Profile HFR Hands-Free Profile HCRP Hardcopy Cable Replacement Profile HID Human Interface Device Profile PAN PAN (Personal Area Networking) Profile SAP SIM Access Profile

Generic Access Profile

Serial Port Profile

Generic Object Exchange Profile

Generic Audio/Video Distribution Profile


Ext. Service Discovery Profile (1)

Service Discovery App. Profile

Common ISDN Access Profile

PAN Profile

ESDP (2)

Audio/Video Remote

Control Profile Cordless Telephony Profile

Intercom Profile

Hardcopy Cable Replacement Profile

Adv. Audio Distribution Profile

Video Distribution Profile

SIM Access Profile

File Transfert Profile

Object Push Profile

Synchronization Profile

Basic Imaging Profile

Basic Printing Profile

Headset Profile

Hands-free Profile

Dial-up Networking Profile

Fax Profile

LAN Profile

ESDP (3)

TCS-BIN Based Profiles

Les profiles Bluetooth Il existe aujourd'hui +20 profiles Bluetooth, qui

correspondent à autant de fonctions possibles dans une connexion Bluetooth :

GAP (Generic Access Profile) : assure le fonctionnement des couches de liaison basses.

…

SDAP (Service Discovery Application Profile) : permet à une application au sein d'un équipement Bluetooth de découvrir les services Bluetooth d'autres équipements et d'acquérir les données nécessaires à l'établissement d'une connexion.

PAN (Personal Area Network Profile)

…


GAVDP (Generic Audio/Video Distribution Profile)

Advanced Audio Distribution Profile

Video Distribution Profile

TCS-BIN Based Profiles

CTP (Cordless Telephony Profile) : permet aux téléphones cellulaires de fonctionner comme téléphones sans fil avec un PC ou une station de base.

IP (Intercom Profile) : offre une utilisation en mode interphone ou talkie-walkie.


SPP (Serial Port Profile) : permet l'émulation d'un connecteur série. 3HS (Headset) : communication sur oreillette.

HP (Headset Profile) : permet l’utilisation de casques sans fil avec les dispositifs audio (téléphones, lecteurs MP3)

HFP (Hands Free Profile) : permet l’utilisation en mode mains libres de dispositifs audio (téléphones, interphones, etc.)

DNP (Dial-Up Networking Profile) : autorise la connexion à un modem, ou l'utilisation d'un tél. mobile comme modem.

FP (Fax Profile) : service fax.

LAP (Local Area Network Profile) : donne accès au réseau local ou permet le fonctionnement en mode réseau local.


GOEP (Generic Object Exchange Profile) : profile générique d'échange d'objets pour synchronisation, FTP, Push... FTP (File Transfer Profile) : service situé du côté de

l'application qui provoque un transfert de fichiers vers un équipement Bluetooth.

OPP (Object Push Profile) : service situé du côté de l'application qui fait du Push vers un appareil Bluetooth, typiquement pour l'expédition d'une carte de visite.

SP (Synchronisation Profile) : service situé du côté de l'application qui lance une opération de synchronisation vers un équipement BT.

…

INQUIRY PAGING CONNEXION

Etablissement de la connexion

A

But: Découverte des éléments inconnus

Contenu des réponses:

Device Address

Class of Device

Inquiry

B

slave B

master A

slave C

slave D

Paging But:

Etablir la connexion

Pratiqué indépendem-ment pour chaque élément

l’élément qui fait le Paging devient

le maître

ACL

MASTER

SLAVE 1

ACL

SLAVE 2

SLAVE 3

ACL SCO SCO SCO SCO ACL

Time Division Duplexing & Mixed Link Example

Établissement de la liaison

Les étapes d’établissement de la connexion peuvent se résumer en :

Les paquets POLL et leurs réponses sont utilisés pour échanger les informations de configuration sans interaction de l’hôte

Envoi de LMP_host_connect_request

Réponse du dispositif distant avec LMP_not_accepted ou LMP_accepted

L’esclave qui répond peut demander l’échange des rôles. Le premier dispositif répond avec un paquet approprié pour accepter ou refuser la requête

La liaison est maintenant établie au niveau du gestionnaire de liaison mais l’application peut ne pas savoir quels sont les services disponibles

Service Discovery Protocol

Protocole de découverte des services

L’environnement Bluetooth change rapidement

Les services disponibles doivent être découverts

SDP : moyen pour les applications de découvrir les services disponibles ainsi que leurs caractéristiques

Les périphériques proposant un service exécutent un serveur SDP, les périphériques recherchant un service exécute un client SDP

Un client peut demander à parcourir la liste des classes de services disponibles, ou chercher une classe de services particulière.

Exemple d’une connexion réseau But: récupération des mails

Les différentes étapes de la connexion:

Inquisition (Inquiry)

Paging

Établissement de la liaison (Link establishment)

Découverte de services (Service discovery)

Canal L2CAP

Canal RFCOMM

Sécurité

PPP

Protocoles réseaux

Établissement d’une connexion 1

Inquisition (Inquiry) : Le dispositif qui atteint un nouvel environnement initie une inquisition afin de trouver les points d’accès accessibles : Tous les points d’accès présents répondent par leur

adresse

Le dispositif choisit l’un des points d’accès qui répond

Paging Procédure en bande de base

Synchronisation du dispositif avec le point d’accès

Offset et phase d’horloge du saut de fréquence

Établissement de la liaison LMP, Liaison synchrone (SCO) ou asynchrone (ACL)


Découverte de services

Le LMP utilise le SDP (Service Discovery Protocol) afin de découvrir les services disponibles sur ce point d’accès

Canal L2CAP

À partir des information du SDP, un canal L2CAP est créé vers le point d’accès

Directement utilisé par l’application ou via un autre protocole (ex: RFCOMM)

Canal RFCOMM : permet l’émulation d’un port série au-dessus de L2CAP


Sécurité : appairage (pairing) à l’aide d’un code PIN : génération d’une clef à partir du code PIN, et cryptage si nécessaire

PPP : l’application habituelle peut utiliser PPP au dessus de la couche RFCOMMM

Les protocoles réseaux habituels : TCP/IP, etc. peuvent être utilisés pour envoyer des données via la liaison établie

PPP

Protocols and Usage Models

RFCOMM

TCP/IP

Baseband

L2CAP

OBEX

IrMC

TCS-BIN

Audio

Sync Dial-up

net.

Usage Models

File Transfer

AT-commands

Fax Headset LAN

Access

Cordless Phone

SDP

LMP

Baseband State Machine

Standby

Inquiry (Unknown

Address)

Page (Known

Address)

Connected

Data

Transfer

Park Hold Sniff

Unconnected

Standby

Connecting

States

Active

States

Low Power

Modes

Release

MAC Address

Keep

MAC Address

Les modes de fonctionnement

Active mode L’unité participe activement au canal Maître et esclaves transmettent sur les différents slots en alternance Le maître transmet sur les slots pairs, l’esclave adressé sur les impairs Des transmissions régulières sont effectuées pour conserver la

synchronisation de l’esclave avec le canal Amélioration pour l’économie d’énergie : le maître informe l’esclave sur

l’instant où il sera adressé : l’esclave peut donc passer en mode sleep d’ici là.

Les esclaves actifs sont contactés par le maître par polling.

Maître Esclave


Sniff mode Mode faible consommation : activité d’écoute limitée

Le LMP du maître fournit à l’esclave un intervalle Tsniff,un offset Dsniff, et un nombre de tentatives Nsniff.

L’esclave écoute les transmissions à un intervalle fixe Tsniff, sur le slot d’offset Dsniff, et un nombre Nsniff de fois.

Hold mode Le lien ACL vers l’esclave est suspendu : l’esclave ne

supporte donc plus les paquets ACL sur le canal, mais les éventuelles liaisons SCO continuent d’être supportées

L’esclave conserve son adresse de membre actif.

Le maître et l’esclave se mettent d’accord pour la durée du mode hold après laquelle l’esclave revient en mode actif


Park mode Mode très basse consommation : l’activité est minimale

L’esclave rend son adresse de membre actif et reçoit une adresse de membre parqué sur 8 bits ainsi qu’une adresse de requête d’accès sur 8 bits également

L’adresse de membre parqué est utilisée par le maître pour déparquer l’esclave alors que l’adresse de requête d’accès est utilisée par l’esclave afin de demander au maître d’être déparqué

En plus de permettre l’économie d’énergie, le mode park permet au maître d’avoir plus de 7 esclaves dans le piconet.

Sécurité

3 modes de sécurité proposés (déployés ou non dans les équipements à la discrétion des fabricants) : mode de sécurité 1 : non sécurisé

permet à un appareil d'offrir ses services à tous dispositifs à portée.

mode de sécurité 2 : sécurisé au niveau applicatif permet de sécuriser de façon logicielle le dispositif en paramétrant les profiles

mode de sécurité 3 : sécurisé au niveau de la liaison intervient sur la couche de liaison et permet d'établir une connexion avec authentification et chiffrement au moyen d'une clé

Sécurité

Réseau sans fil : accessible à tous Les communications doivent être cryptées L’accès aux périphériques doit être restreint aux dispositifs

autorisés Ces deux fonctions sont prises en charge par la bande de base,

l’application pouvant crypter elle-même les données pour augmenter la sécurité

4 valeurs sont utilisées : L’adresse du dispositif, publique Une clef d’authentification sur 128 bits, privée Une clef de cryptage configurable de 8 à 128 bits, privée Un nombre aléatoire

La procédure nécessite de connaître un code PIN pour pouvoir accéder à un périphérique

Sécurité

Principale étapes de la procédure Une clef d’initialisation est générée à l’aide du code

PIN, de la longueur du code PIN, d’un nombre aléatoire et de l’adresse du périphérique

Une procédure d’authentification est engagée par le vérifieur en utilisant une technique de réponse à un challenge : Un nombre aléatoire est envoyé par le vérifieur À partir de ce nombre, de la clef d’initialisation, et de

l’adresse, le demandeur peut générer une réponse connue par le point d’accès

Cette réponse est renvoyée et vérifiée par le vérifieur

Le demandeur peut initier une procédure d’authentification du vérifieur équivalente

Pairing & Authentication

Pairing

Access to both devices

Manual input of security code ("PIN")

No need to store or remember

Based on stored keys

No user intervention

Authentication

Bluetooth security architecture

Security

Manager

Device

Database

Service

Database

“Service”

User Interface

Known devices - BD_ADDR

Paired devices - BD_ADDR & Link Key stored

Trusted devices - BD_ADDR & Link Key stored and device marked as trusted

Encryption - authentication or PIN

Authentication - Link Key or PIN

Authorization - manual or auto trust

Bluetooth in the future

Bluetooth was originally intended to be a cable replacement,

but, has evolved to become an infrastructure for Personal Area Network (PAN)

2001: 10 million devices produced 2003: 70 millions 2004: Bluetooth 2.0 3Mbps theor.

2005: 670 millions 2006: ~1 billion

…

On April 21, 2010, the Bluetooth SIG completed the Bluetooth Core Specification version 4.0, which includes Classic Bluetooth, Bluetooth high speed and Bluetooth low energy protocols. Bluetooth high speed is based on Wi-Fi, and Classic Bluetooth consists of legacy Bluetooth protocols

http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy

Bibliographie

Bluetooth Core Specification, Bluetooth Profiles Specification, http://www.bluetooth.com/dev/wpapers.asp

Bluetooth Primer, Aman Kansal

http://www.bluetooth.com

http://www.palowireless.com

http://www.softtooth.com

http://www.digianswer.com/bluetooth

http://www.wirelessdevnet.com

http://www.anywhereyougo.com

Renaud Bonnet, Les profiles Bluetooth, Décision Micro, 24/12/2002 : http://www.01net.com/article/199493.html

http://www.certa.ssi.gouv.fr/site/CERTA-2007-INF-003/#SECTION00042000000000000000

http://www.bluetooth.com/dev/wpapers.asp

http://www.01net.com/article/199493.html

http://www.certa.ssi.gouv.fr/site/CERTA-2007-INF-003/







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