Bluetooth

Bluetoothi tööpõhimõte

Bluetooth põhineb raadioside standardil IEEE 802.15.1 ja töötab sagedusel 2,400 kuni 2,485 GHz. Signaaliedastus kahe seadme vahel käib kohanduva sagedushüplemise teel, kus kasutatav sagedus on jaotatud kanaliteks ning sideseansi kestel muudetakse pidevalt kanaleid, vältides neid, mis on eriti mürarikkad. Sageduse muutmise järjekord on teada nii saatjale kui vastuvõtjale. Andmeid edastatakse andmepakettidena. Kanalid on jagatud ajaühikuteks nimega ajapilu (inglise time slot). Paketid on paigutatud nendesse piludesse. Hüppamine toimub pakettide saatmise ja vastuvõtmise vahel.
Andmevahetus seadmete vahel käib üle traadita personaalvõrgu (inglise Personal Area Network) lühidalt piconet. Piconet võib koosneda mitmest seadmest, tüüpiliselt ühest kesksest seadmest (inglise central), millel on suurem arvutusvõime ja mitmest perifeeriaseadmest (inglise peripheral).
Selleks, et andmevahetus saaks toimuda peab andmeid edastada sooviv seade saatma välja reklaami paketi (inglise Advertisment Packet). Keskne seade, kes soovib antud andmed katte saada algatab ühenduse saates perifeersele seadmele vastava andmepaketi, mis muuhulgas sisaldab hüppemustrit ja andmeedastuse intervalli. Peale seda kui ühendus on loodud muutub andmesaaja ülemaks (inglise master) ja andmete edastaja alluvaks (inglise slave) ning andmevahetus võib toimuda kahesuunaliselt. Andmevahetus saab toimuda ainult ülema ja alluva vahel. Alluv saab olla korraga ühenduses ainult ühe ülemaga ning kaks alluvat omavahel suhelda ei saa isegi siis, kui nad asuvad samas piconetis. Samas võib iga seade olla korraga mitmes piconetis olles ühes alluv ja teises ülem. Mitu piconetti omavahel moodustavad scatterneti. Tööjaotus alluva ja ülema vahel on asünkroonne, mis tähendab, et enamuse tööst teeb ära ülemus, mis võimaldab alluval säästa ressurssi.
Andmevahetus on võimalik ka ilma ühendust loomata ehk ühesuunaliselt. Selleks peab andmete edastaja (inglise broadcaster), kes on võimeline ennast reklaamima, kuid pole võimeline ühendust looma, saatma välja reklaami pakette, mida korjab üles vaatleja (inglise observer), kes on võimeline antud pakette töötlema, kuid samuti ei alusta ühendusprotsessi. Reklaami pakett sisaldab sellisel juhul andmeid, mida edastaja tahab jagada.

Kaks korda kiirem

Bluetooth on tarkvaraliselt realiseeritud kihiline protokollistik (inglise Full Protocol Stack'), mis tagab võrgufunktsioonide täitmise. Iga järgmine protokollikiht kasutab allpool olevat kihti ja teenindab ülalpool asuvat kihti. Peamised muudatused seatud eesmärkide saavutamiseks toimusid füüsilises ehk raadiosignaali kihis (inglise physical layer), lühendatult PHY's. Tegemist on protokollpinu kõige alumise kihiga. Bluetooth 5 pakub kolme variatsiooni PHY’ist. Iga PHY omab kindlaid omadusi, mis on välja töötatud selleks, et täita kindlat tööülesannet.
LE 1M oli kasutusele võetud juba Bluetooth 4.0-s. Kasutades Gaussi digitaal-sagedusmodulatsiooni (GFSK), on andmeedastuskiiruseks saavutatud 1 Ms/s (megasümbol sekundis) ehk 1 Mbit/s.
LE 2M võimaldab edastada kuni 2 Ms/s ehk 2 Mbit/s.

Kaheksa korda suurem andmete läbilaskevõime

Bluetooth 5 võimaldab seadmetel saata välja reklaami pakette, mis on kuni 8 korda suuremad kui olid seda Bluetooth 4 reklaami paketid. Reklaamipakett on andmepakett, mida seade saadab välja fikseeritud intervalli tagant kindlaks määratud aja jooksul. Reklaamid võivad olla nii ühenduvad (inglise connectable) kui ka ühendumatud, skaneeritavad või mitteskaneeritavad, suunatud (inglise directed) kindlale seadmele, või mittesuunatud.
Bluetooth 5-s on kasutusel 40 kanalit ja kanali laius on 2 MHz. Nendest kolm, kanalid 37, 38 ja 39 on kasutusel ainult reklaamimiseks. Ülejäänud kanaleid (0–36) kasutatakse andmeedastuseks peale ühenduse loomist. Reklaami paketi suurus on 37 baiti. Bluetoothi majakate (inglise beacon) ehk väikeste traadita transmitterite turuletulekuga 2013. aastal muutus oluliseks, et majaks suudaks edastada tema läheduses olevale nutiseadmele võimalikult suure hulga andmeid ilma ühendust loomata. Advertising extention võimaldab välja saata kuni 255-baidise andmepaketi. Selleks saadetakse esmalt välja reklaamipakett mööda reklaami kanalit informatsiooniga selle kohta, mis kanalil hakatakse edastama põhireklaami. Põhireklaami väljastamiseks kasutatakse andmekanaleid 0–36, rakendades neid kui teisejärgulisi reklaamikanaleid.
Vajadusel on võimalik lisada iga paketi päisesse, mis tuleb mööda teisejärgulist andmekanalit, informatsioon selle kohta, milliselt kanalit on võimalik saada järgmine pakett, võimaldades sellisel viisil luua andmeahelat ja edastada veelgi suuremal hulgal andmeid ühendust loomata.
Reklaami pakettide väljasaatmine toimub teatud intervalli tagant. Uus funktsioon Periodic Advertisement võimaldab sünkroonitud, ühenduseta andmeedastust kahe seadme vahel, kus mõlemad seadmed aktiveeruvad ajaks, mil reklaam on vaja välja saata/vastu võtta. See parandab oluliselt mõlema seadme energiasäästlikust.

Parandatud kooseksisteerimine

Bluetooth jagab oma sagedusala mitme teise traadita ühendusega, nende hulgas Wi-Fi ja LTE mobiilside tehnoloogia. Tulenevalt sellest on olemas potentsiaalne oht, et erinevaid tehnoloogiaid kasutavad seadmed hakkavad üksteise signaale segama. Kohanduv sagedushüplemine aitab vältida neid kanaleid, mida kasutab Wi-Fi. Uus funktsioon Slot Availability Masks (SAM) on mõeldud selleks, et oleks võimalik vältida ka kanaleid, mis asuvad LTE poolt kasutuses olevate kanalite lähedal.

Täiendatud sagedushüplemine

Sagedushüplemine lihtsustab oluliselt Bluetoothi seadmete tööd keskkondades, kus levib palju raadiosignaale. Bluetooth 5 rakendab oma seadmetes täiendatud algoritmiga sagedushüplemist nimega Channel Selection Algorithm #2, tänu millele on paranenud erinevate Bluetoothi seadmete kooseksisteerimine samas ruumis.

Suuna leidmine

Jaanuaris 2019 tutvustas Bluetooth SIG Bluetooth 5.1. Uue spetsifikatsiooni peamiseks funktsiooniks on asukoha määramine. Seoses sellega tutvustati kaks uut terminit: saabumise nurk (inglise angle of arrival) ja lahkumise nurk (inglise angle of departure).
Antud funktsiooni on võimalik kasutada selleks, et hinnata, kui lähedal asuvad üksteisele kaks seadet. Varem oli võimalik seadmete kaugust hinnata vaid vastuvõetud signaali tugevuse järgi (inglise recieved signal strength indicator). Suunda polnud võimalik määrata. Bluetooth 5.1 võimaldab tuvastada signaali suuna kasutades selleks saabumise nurka vastuvõtjas või lahkumise nurka saatjas. Kombineerides omavahel suuna ja kauguse on võimalik määrata seadme asukohta sentimeetri täpsusega.

Reklaami täiendused

Täiendatud on ka reklaami pakettide edastamine mööda reklaami kanaleid. Varem pidi seade saatma välja reklaami pakette kasutades kanaleid 37, 38 ja 39 täpselt sellises järjekorras. Uuendus nimega Randomized Advertizing Channel Inexing lubab valida seadmel suvaliselt, millist kanalit ta kasutab reklaamimiseks. Sellega vähendatakse tõenäosust, et kaks Bluetoothi seadet satuvad samale kanalile reklaamides oma valmisolekut ühenduseks. Antud meetod on mõeldud rakendamiseks kohtades, kus on koos palju Bluetoothi seadmeid.
Teine muudatus, mis puudutab reklaamimist on Periodic Advertising Sync Transfer. Kui lähestikku paikneb mitu Bluetoothi seadet, millest üks on reklaamija ja teine seade on ennast sünkrooninud seda reklaami vastu võtma, siis viimane võib edastada sünkroonimise ajastuse ka kolmandale seadmele. Kuna sünkroonimine on energiakulukas toiming, võimaldab nimetatud protseduur energiasäästlikel seadmetel sünkroonida ennast reklaami edastajaga.

Veelgi kiiremaks, veelgi säästlikumaks

Kõik ühendusvõimelised Bluetooth LE seadmed kasutavad GATT-i (Generic Atribute Profile). Tegemist on spetsifikatsiooniga, mis määrab ära kuidas seadmed saadavad ja võtavad vastu andmeid. Iga GATT seade omab andmebaasi, mis sisaldab informatsiooni teenuste, karakteristikute ja deskriptorite kohta. Klient (inglise client) on seade, mis algatab GATT käske ja päringuid ning võtab vastu vastuseid, näiteks arvuti või nutitelefon ja server (inglise server) on seade, mis võtab vastu GATT käske ja päringuid, ning saadab vastuse, näiteks sensor. Iga kord, kui klient soovib algatada ühenduse protsessi serveriga, teeb ta järel päringu serveri andmebaasi. Antud tegevus võtab nii aegu, kui energiat. GATT Caching Enhancements lubab kliendil jätta vahele nimetatud järelpärimine, kui andmebaasis pole toimunud muutusi. See tõstab ühenduse loomise kiirust ja vähendab seega energiakulu.

Bluetoothi ajalugu

Juba 1980. aastate lõpust alates on proovitud mitmel viisil arvuti ümbruskonda üleliigsetest juhtmetest vabastada, püüdes neid asendada traadita side lahendustega (juhtmeta klaviatuurid, infrapunaprinter jms.). Erinevate asjaolude tõttu (suur voolutarve, üksteise segamine jne) ja puuduvate standardite pärast ei olnud esialgsed lahendused eriti edukad.
Infrapunatehnoloogia suur populaarsus andis lootust, et nimetatud tehnoloogia on edukas. 1993. aasta augustis asusid 30 firmat (nende hulgas ka HP, IBM, Digital) koos ühist protokolli välja töötama ja loodi Infrared Data Association (IrDA). Eesmärk oli ühise infrapuna andmeedastamise protokolli loomine. Paljud teadmised IrDA-töödest mõjutasid hiljem ka uut Bluetoothi standardit.
Kuna infrapunatehnoloogia kasutamisel oli probleemiks andmete edastamisel vajalik saatja ja saaja vaheline silmside, anti 1994. aastal firmale Ericsson ülesanne uurida traadita side ühenduse loomise võimalikkust raadiolainete abil. Uuring andis positiivse tulemuse ja 1998. aastal asutasid Nokia, Ericsson, IBM, Toshiba ja Intel Bluetooth Special Intereset Groupi (SIG), mille ülesandeks oli standardi väljatöötamine. Esimese lõpliku versiooni avaldas SIP 1999. aasta juulis, milleks oli Bluetoothi versioon 1.0 ja millele järgnes sama aasta detsembris Bluetooth 1.0b. Alles 2001. aasta veebruaris toodi välja versioon 1.1. See oli esimene soliidsem põhi turukõlblikute seadmete jaoks, sest eelnevas versioonis esines üsna palju ebatäpsusi ja vigu.
Nimi "Bluetooth" valiti 10. sajandil elanud Taani viikingite kuninga Harald Blåtandi ('Sinihammas') järgi, kes oli tuntud kui väga hea rääkija. Nimi "Bluetooth" oli küll ainult algul koodnimeks, selle tehnoloogia väljatöötamise projekti jaoks, hiljem otsustati see nimi jätta. Fakt, et tegemist on skandinaavlasega, mõjus nimepanekuprotsessile soodustavalt, sest firmad nagu Ericsson ja Nokia, kelle roll Bluetoothi väljatöötamisel oli väga suur, on samuti Skandinaavia firmad.

Põlvkonnad ja versioonid

Valik Bluetoothi versioonidest ja nende omadustest:

Bluetooth 2.1 + EDR

Uued funktsioonid nagu Secure Simple Pairing ja Quality of Service. Lisaks sellele sisaldab 2.1 uuendusi, nagu Extended inquiry response (EIR), mis jagab otsingute ajal rohkem informatsiooni ja parandab sellega seadmete filtreerimist enne nendega ühendamist, või Sniff subrating, mis vähendab voolutarvet väikese voolutarbega (low-power) mooduses.

Bluetooth personaalarvutis

Bluetooth arvutis vajab spetsiaalset riistvara. Mõnda arvutisse (enamasti sülearvutitesse) on see juba integreeritud, teiste jaoks on loodud väikesed riistvarad, mida ühendatakse kas läbi USB arvutiga või PCMCIA-kaardiga. Operatsioonisüsteemi peab samuti jälgima. Microsoft Windows pakub Windows XP SP2 Bluetooth-stacksi, mis tähendab, et lisadraiveri installimine ei ole alati vajalik. Mõned teised operatsioonisüsteemid, (Linux, Apple-Macintosh) suudavad aga rohkem profiile kasutada ja pakuvad seega rohkem erinevaid kasutamisvõimalusi. Kui arvutil on Bluetoothi seade olemas, siis sobiva tarkvara abil saab sellega teisi ligidal olevaid aktiveeritud Bluetooth-seadmeid otsida ja nende kasutamisvõimalusi välja uurida. Sellist tarkvara nimetatakse ka Bluetooth-skanneriteks.

Ohutus

Esimese Bluetoothi läbimurde autor oli Ollie Whitehouse (esimene demonstratsioon toimus aprillis 2004). Aga pakutud meetodil oli üks tõsine miinus – läbimurre oli võimalik ainult siis, kui oli võimalus võtta kätte mõlemad seadmed enne nende vahel ühenduse loomise alustamist (protsessi, mille korral seadmed vahetuvad üksteisega identifikatsiooni infoga). Kui esimene "kontakt" oli sooritatud kurjategija ulatuse piiri tagant, järgnev andmevahetus ei saa mingit riski.
Teise ja praeguse meetodi pakkusid välja Tel Avivi ülikooli töötajad Avishai Wool ja Yaniv Shaked. Pakutud meetod lubab murda läbi ükskõik millist andmevahetuse seanssi Bluetoothiga seotud seadmete vahel, isegi, kui see ei ole esimene seanss. Nagu ütleb ajakiri New Scientist ühendamise protsessi jooksul Bluetooth-seadmed loovad krüpteeritud 128-bitise võtme, mida pärast hoitakse mälus ja kasutatakse iga kord, kui alustatakse andmevahetust seadmete vahel. Esimese sammuna ühenduse loomisel on mõlemasse seadmesse PIN-koodi sisestamine (neli sümbolit). Seejärel keerukate matemaatiliste tehingutega koodist arvutatakse välja võti. Ollie Whitehouse tõestas, et kurjategija võib luua ühendust seadmega isegi PIN-koodi teadmata. Selle jaoks nõutakse spetsiaalset, aga üsna odavat varustust. Selle abil, võttes kätte mõlema seadme informatiivseid sõnumeid (milliseid nad vahetuvad üksteise vahel ainult esimese Bluetoothi-kontakti korral), nendest võib Bluetoothi algoritmide (vaadates läbi umbkaudu 10 000 varianti) abil saada nõutava koodi. Aga esimene Bluetoothi-kontakt võib toimuda ainult üks kord, mis piirab selle meetodi kasutamist.
Wool ja Shaked said demonstreerida Bluetoothi läbimurde võimalust, kunstlikult tekitades esimese ühenduse. Kurjategija Bluetoothi seade sekkus kontakti teise seadme "näoga". Lisaks sellele ohvri seadmele saadakse sõnum, et kood läks meelest ära. Vana kood annulleeritakse ja tehakse uus ühendus, mis juba lubab kurjategijal saada koodi ja kasutada seda oma eesmärkidel. Selgus, et võtme kaotuse sõnumi saatmiseks, kurjategija peab ainult rakendama võõrast identifikaatorit. Selle identifikaatori saamine ei ole raske asi, sest kõik Bluetoothi seadmed alati automaatselt saadavad seda kõikidele analoogsetele seadmetele, mis on ulatuses. Nende meetodite abil võtme ekstraheerimise protseduur võtab aega Pentium IV korral 0,06 sekundit ja Pentium III korral 0,3 sekundit.
Traadita side protokoll Bluetooth sai kohe populaarseks kurjategijate sihtmärgiks. Isegi tehnoloogia ohutuse plussid, nagu väike ulatus (u 10 m) muutusid selleks kahjuks. Spetsiaalsete antennide abil saavad kurjategijad jälitada inimese liikumist rahvamassis või seina taga olev "kaudne läbimurre" muutus kohe eriliseks turniiriks.