Diego Martins e Felipe Lima

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1 Diego Martins e Felipe Lima
Piconets - BlueTooth Diego Martins e Felipe Lima

2 Introdução Histórico e criação da tecnologia Bluetooth
Bluetooth SIG (Special Interested Group) Histórico: A tecnologia Bluetooth é resultado do esforço de um grupo de empresas que, a partir de pesquisas realizadas pela Ericsson, se uniram com o propósito de estabelecerem um padrão aberto e livre de licenciamento para comunicação entre dispositivos, disponível em escala global, e que fosse baseado em um único chip, de baixo custo (inferior a US$ 5), tamanho pequeno e baixo consumo de energia, de modo a poder ser incluído virtualmente em qualquer dispositivo eletrônico, particularmente os dispositivos móveis, como celulares e PDA’s. SIG: Para desenvolver essa tecnologia foi formado o Bluetooth SIG (Special Interested Group), que é suportado por grandes empresas, entre elas, Ericsson, IBM, Motorola, Toshiba, Microsoft, Nokia, Intel, 3Com, Lucent, além de mais de 3000 empresas que já aderiram ao padrão e pretendem fabricar dispositivos e equipamentos que incorporam a tecnologia Bluetooth.

3 A Tecnologia Comunicação por rádio-freqüencia 2.4 GHz
1600 saltos/segundo Alcance – 10 a 100 metros Transmissão de voz – 3 canais de 64Kbps Transmissão de dados Taxa de transferência – cerca de 1 Mbps Tecnologia: A tecnologia Bluetooth tem por base uma pilha de protocolos padronizados e um rádio RF, que opera na banda de 2.4 GHz. Uma banda livre de licenciamento disponível globalmente, utilizando técnicas de salto de freqüência em banda larga, a uma taxa de 1600 saltos por segundo, o que combinado com a adoção de um tamanho de pacote pequeno lhe garante bom nível de imunidade contra interferências de outros equipamentos eventualmente operando na mesma banda. O rádio possui um alcance que vai de 10 a 100 metros de distância, dependendo da classe de dispositivo, entretanto, a mais comum é a classe 3, que é limitada a 10 metros. Seu protocolo banda base, é uma combinação de comutação de pacotes e de circuitos. Ele possui capacidade para estabelecer canais de comunicação síncronos e assíncronos, com recursos para transmissão de voz (até 3 canais de 64 Kbps em PCM) e transmissão de dados. A velocidade máxima total agregada é de 1 Mbps, mas o payload é menor, com estimativas que indicam taxas de transferência de no máximo 721 Kps.

4 Vantagens Arquitetura versátil e de baixo custo
Integração com plataformas padrão Internet Uma contribuição é a definição de uma proposta de arquitetura de rede que combina o uso de grandes scatternets (piconets interligados) com redes padrão Internet para viabilizar a construção de uma rede wireless de cobertura geográfica mais ampla e baixo custo por ponto atendido. Com isso, de um lado se mantém as vantagens oferecidas para o desenvolvimento de aplicações na plataforma padrão Internet, e de outro, se permite a exploração dos pontos fortes da tecnologia Bluetooth em uma gama maior de dispositivos eletrônicos, na medida em que se aumentam as possibilidades de alcance.

5 Versão BlueTooth 2001 Liberada em Fevereiro de 2001
Especificação principal e perfis. A especificação principal define todas as camadas da pilha de protocolos Bluetooth. Perfis definem como os fornecedores de soluções devem usar os serviços oferecidos pela pilha de protocolos para criar uma variedade de aplicações, conforme modelos de uso já estabelecidos, para maior garantia de interoperabilidade entre dispositivos de fornecedores diferentes. A especificação Bluetooth 1.1 foi liberada em fevereiro de 2001, definindo todos os aspectos da tecnologia Bluetooth, inclusive, componentes de hardware e software, processos e procedimentos compartilhados. Ela consiste de duas partes

6 Comunicação Link Manager Bluetooth e Host Controller
Interface padrão independente de fabricante Rádio-transmissor Bluetooth Frequency Hopping Spread Spectrum – FHSS Time Division Duplexing (TDD) As comunicações entre o host e o módulo Bluetooth são manipuladas pelo software Link Manager Bluetooth e pelo Host Controller do módulo Bluetooth. O Host Controller é a parte do módulo Bluetooth que gerencia toda a comunicação e interação entre o módulo Bluetooth e o dispositivo Host, interpretando os dados recebidos do host e os direcionando ao componente apropriado do módulo Bluetooth e vice-versa. Para assegurar a interoperabilidade de módulos Bluetooth procedentes de vários fabricantes, a especificação Bluetooth define uma interface padrão (e protocolo de comunicações) que pode ser usada por todos os módulos Bluetooth e por todos os dispositivos host que incorporam a tecnologia Bluetooth. O principal componente de qualquer dispositivo Bluetooth é o rádio, que se caracteriza pelo seu pequeno tamanho e baixo consumo de energia. O rádio Bluetooth opera na freqüência 2.4GHz, utilizando as tecnologias de salto de freqüência em banda larga (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS) e a Time Division Duplexing (TDD).

7 Camadas e Protocolos Pelo fato de o Bluetooth usar comunicação radio-freqüencia e interoperar com modems, telefones e outros dispositivos, seria um pouco difícil categorizar a sua pilha de protocolos de maneira similar as sete camadas do modelo de referência OSI. A especificação Bluetooth divide sua pilha de protocolos em quatro camadas, de acordo com o propósito do protocolo. É apresentada a pilha de protocolo de acordo com o seu propósito e se ele foi especificado pelo Bluetooth SIG ou foi um protocolo adotado. Logical Link Control Adaptation Protocol (L2CAP): Fornece serviços de conexão de dados com e sem conexão para as camadas superiores de protocolo. Executa funções de multiplexação, segmentação, controle de fluxo e de erro e gerenciamento de grupo. O L2CAP é utilizado para multiplexar canais lógicos em um único enlace físico. Banda Básica: Fornece o suporte para o link de RF em funções como sincronização e salto de frequências e controle de acesso ao meio.

8 Equivalência de camadas
Gerência de Enlace: É a camada responsável pela codificação e decodificação dos pacotes Bluetooth do pacote de dados e parâmetros relacionados com o canal físico, transporte lógico e enlace lógico. É responsável pelo estabelecimento de enlaces entre os vários dispositivos Bluetooth, controlando a negociação dos tamanhos de pacotes, chaves de segurança, modos de potência e estado de uma unidade na piconet. Rádio: É a parte de Rádio Frequência (RF) propriamente dita.

9 Pacote de Dados O Cabeçalho do pacote ainda é subdividido em:
Código de Acesso ao Canal: é o código de acesso do canal físico; Cabeçalho do Pacote: inclui o identificador do transporte lógico e do protocolo de controle do enlace; Cabeçalho do Payload: identificador do enlace lógico; Payload: Dados de usuário, L2CAP mensagens ou frames, mensagens de gerenciamento; CRC: Código de erro; O Cabeçalho do pacote ainda é subdividido em:

10 Estados para conexão Estados: Modos de operação: Connection Standby
Active Sniff Hold Park Antes que uma conexão de rede possa ser estabelecida, um dispositivo compatível com Bluetooth deve estar ligado. Quando isso ocorre, a parte de comunicação do dispositivo estará em um modo de operação Standby. O dispositivo fica monitorando o espectro de RF a cada 1,28 s. Mensagens para comunicação: PAGE – se o endereço do outro dispositivo é conhecido; INQUIRY - se o endereço do outro dispositivo não foi obtido previamente O dispositivo estará no estado Connection se ele está conectado ao outro dispositivo e envolvido em atividades correntes. Se o dispositivo não estiver conectado - ou se estiver conectado, mas não envolvido ativamente com outros dispositivos - então, ele automaticamente opera no estado Standby. A criação de um estado Standby foi concebida como uma maneira para economizar energia. Uma vez que um dispositivo Bluetooth deixa o estado Standby e entra no estado Connection, ele pode ser colocado em um dos quatro modos possíveis de operação de conexão, sendo os últimos três, modos de baixo consumo de energia. Active mode: um dispositivo Bluetooth encontra-se em modo active quando participa ativamente na rede, transmitindo ou recebendo. As unidades ativas são automaticamente mantidas sincronizadas com a unidade mestre da rede. Sniff mode: um dispositivo em modo sniff monitora a rede a uma taxa reduzida, diminuindo assim o seu consumo de energia. A taxa sniff é programável e varia de uma aplicação para outra. Hold mode: esse modo de economia de energia é utilizado quando nenhum dado precisa ser transmitido. Quando um dispositivo é colocado pelo mestre em modo hold apenas seu clock interno permanece ativo, mas o dispositivo retém seu endereço de membro da rede. Esse é um modo popular para dispositivos de baixo consumo de energia com necessidades de transferência de dados relativamente simples, como por exemplo, sensores de temperatura. Park mode: esse modo é similar ao modo hold, na medida em que o dispositivo permanece sincronizado com o dispositivo mestre da rede, porém, ele não retém seu endereço, deixando de ser um membro ativo. As necessidades de energia diminuem a medida que o dispositivo vai de sniff para hold e para park mode. Mas, deve-se notar também, que o tempo para retornar para um estado ativo na rede Bluetooth é geralmente inversamente proporcional ao modo de operação de energia de um dispositivo. Isto é, quando operando em sniff mode, o dispositivo está ouvindo por transmissão e pode responder mais rápido do que quando ele está em um modo de energia diferente.

11 Piconets Criada ao conectar-se dois dispositivos
Pode conter até oito dispositivos diferentes Um mestre e sete escravos Configuração em estrela O dispositivo exercendo o papel de mestre, controla todo o tráfico numa piconet. Ele aloca capacidade para os links síncronos (SCO) e gerencia um esquema de polling para os links assíncronos (ACL). Dispositivos escravos somente podem enviar dados no slot escravo para mestre depois de terem sido endereçados no precedente slot mestre-para-escravo. Se um mestre não tem informação para enviar no slot mestre-para-escravo, um pacote contendo somente o header e o código de acesso é enviado. Cada dispositivo escravo é endereçado em uma ordem especifica, em um esquema de polling, e pode enviar dados somente após ter sido endereçado. Desse modo, é eliminada qualquer possibilidade de colisão de pacotes sendo enviados por diferentes dispositivos escravos.

12 Piconet - características
Até sete escravos ativos e atendidos simultaneamente pelo mestre Alternação de estado Active – Park Limite de 255 dispositivos em modo Park Coexistência de piconets na mesma área Qualquer dispositivo pode pertencer simultaneamente a diversas piconets Todos os dispositivos em uma piconet compartilham o mesmo canal de salto de freqüência, que é estabelecido na medida em que os escravos sincronizam os seus clocks internos ao clock da unidade mestre. Isto permite que todas as unidades em uma piconet, saltem de freqüência para freqüência na mesma seqüência, e estabelece uma identidade única para essa piconet. Como piconets diferentes têm identidades diferentes, baseadas em canais de salto de freqüência diferentes, diversas piconets podem compartilhar o mesmo espaço físico sem interferir entre si. Se o mestre necessita se comunicar com mais do que 7 dispositivos, ele poderá fazê-lo desde que instrua os outros escravos ativos para que comutem para o modo park (operação inativa em baixa energia). Os escravos permanecem sincronizados com o clock do mestre e saltam de acordo com a seqüência de salto de canal que é função do endereço do mestre. Uma vez que as seqüências de salto de canal são pseudo-randômicas, a probabilidade de colisão entre piconets é pequena. Desse modo, piconets que compartilham a mesma área geográfica podem coexistir e operarem independentemente. Quando o grau de compartilhamento é muito elevado, a performance de cada piconet começa a degradar. Em alguns cenários de uso, dispositivos de diferentes piconets podem necessitar comunicar-se uns com os outros.

13 Scatternet As conexões são formadas por bridge nodes, que são membros de duas ou mais piconets. Um bridge node participa em cada piconet em um esquema de divisão de tempo. Depois de permanecer em uma piconet por algum tempo, um dispositivo bridge pode mudar para outra piconet comutando para a sua correspondente seqüência de salto. Passando por todos os membros das piconets, o bridge node pode enviar e receber pacotes em cada piconet e também encaminhar pacotes de uma piconet para outra. Um bridge node pode ser um escravo em ambas piconets, ou ser um escravo em uma e um mestre em outra. Por exemplo, considere um salão cheio de pessoas, onde cada pessoa tem um telefone celular e um headset sem fio. Quando usuários falam com seus headsets, somente os telefones celulares correspondentes aos seus headsets deveriam receber o sinal. Neste exemplo, cada par de headset e telefone celular constituem uma piconet separada. Agora suponha que esses usuários também queiram enviar mensagens de textos de seus telefones celulares uns aos outros. Isto será possível somente se todas as piconets são interconectadas para formar uma grande scatternet (rede de dispersão). As técnicas para a formação de scatternets estão ainda sob desenvolvimento.

14 Segurança Técnicas de segurança implementadas: Confidencialidade
Autenticação Criptografia de pacotes Algoritmo E0 Chaves de criptografia Algoritmo Safer+ Chave baseada no Bluetooth PIN A especificação Bluetooth, define um esquema de autenticação essencialmente de "desafio e resposta“, onde um protocolo de segurança especial é usado para verificar se o outro dispositivo reconhece uma chave secreta compartilhada (denominada “chave simétrica”). Se os dois dispositivos reconhecerem a mesma chave, a autenticação será bem sucedida; se qualquer um dos dispositivos não reconhecerem a chave, a conexão será abortada. Qual o dispositivo que enviará a mensagem "desafio" será determinado pela aplicação Bluetooth específica; não é necessariamente o dispositivo mestre que começa o processo. Algumas aplicações exigem autenticação apenas em um sentido, enquanto outras podem exigir autenticação mútua. Se a autenticação falhar, haverá um tempo de espera a ser guardado antes de uma nova tentativa de autenticação ser feita.

15 Comparação de Tipos

16 Releases Com a versão 2.0, é possível transmitir dados com velocidade de até 2,1 Mbps, aproximadamente três vezes mais rápido que o atual padrão. A versão 2.0 garante que dispositivos v1.2 possam se comunicar com equipamentos que usam Bluetooth v2.0. As melhorias na versão foram basicamente na introdução de outras formas de modulação (8 PSK) e melhorias na performance BER (bit error rate), bem como significativa redução de consumo do dispositivo.