Σε αυτό το άρθρο θα προβώ σε λεπτομερή τεχνική ανάλυση όλων των ζητημάτων που αφορούν τη συγκεκριμένη τεχνολογία.
Τι είναι Bluetooth
Το Bluetooth είναι ένα βιομηχανικό πρότυπο που αναπτύχθηκε κατά τη δεκαετία του 1990 από την Bluetooth Special Interest Group (γνωστή και ως Bluetooth SIG) για τη μετάδοση δεδομένων μεταξύ συσκευών σε μικρές αποστάσεις χρησιμοποιώντας ασύρματη τεχνολογία (WPAN). Εν ολίγοις για να επιτευχθεί μία μετάδοση δεδομένων με τούτο τον τρόπο δεν χρειάζεται ενσύρματα καλώδια, ούτε επιπλέον τεχνική υποδομή, παρά μόνο απαιτείται οι συσκευές να έχουν εγκατεστημένο το κατάλληλο λογισμικό και να βρίσκονται σε μία σχετικά κοντινή απόσταση.
Το Bluetooth αποτελεί μια διεπαφή μέσω της οποίας μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους μικρές φορητές συσκευές, όπως κινητά τηλέφωνα και PDA, καθώς και φορητοί ή επιτραπέζιοι υπολογιστές, και περιφερειακές συσκευές. Ο κύριος σκοπός του Bluetooth είναι να αντικαταστήσει τις ενσύρματες συνδέσεις μεταξύ των συσκευών.
Η ιστορία του bluetooth
Το Bluetooth δημιουργήθηκε αρχικά από την Ericsson με πρωτεργάτες τον Ολλανδό καθηγητή Jaap Brille και τον Σουηδό Sven Mattisson. Ωστόσο με το πέρασμα των καιρών προστέθηκαν σε αυτή την ομάδα η Nokia, η Intel, Toshiba, η Microsoft, η Lenovo και η Apple, ιδρύοντας τον οργανισμό Bluetooth SIG που ορίζει τα πρότυπα και αναπτύσσει την παρούσα τεχνολογία.
Το όνομα “Bluetooth” προέρχεται από τον Δανό βασιλιά Harald Blauzahn (αγγλικά Harald Bluetooth), ο οποίος κατάφερε να πετύχει κάτι ακατόρθωτο γιατί δεδομένα της εποχής, αφού ένωσε τη Δανία με τη Νορβηγία συσπειρώνοντας τις Σκανδιναβικές χώρες, και για αυτό μνημονεύεται μέχρι και σήμερα. Το λογότυπο του bluetooth εμφανίζει ένα μονόγραμμα που χρησιμοποιούνταν στο αλφαβητικό σύστημα γραφής των Ρούνων (αγγλικά Runes), που το είχαν υιοθετήσει εκείνα τα χρόνια οι Βόρειοι λαοί της Ευρώπης, όπως τα Σκανδιναβικά κράτη και γενικότερα τα Γερμανικά φύλα.
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1980, υπήρξαν διάφορες προσπάθειες για να αποφευχθεί το μπέρδεμα των καλωδίων γύρω από μια εγκατάσταση υπολογιστή χρησιμοποιώντας ασύρματα περιφερειακά (π.χ. ασύρματα πληκτρολόγια, εκτυπωτές με υπερύθρες διασυνδέσεις κ.λπ.). Εν τούτοις προέκυψαν διάφορα τεχνικά προβλήματα όπως υψηλή κατανάλωση ενέργειας, παρεμβολές κ.λπ.) και, πάνω από όλα, η έλλειψη σοβαρών προτύπων για να εμποδιστούν οι επιθέσεις από τους κυβερνοεγκληματίες.
Εκείνη την εποχή, βρισκόταν ήδη στο προσκήνιο, η υπέρυθρη τεχνολογία, η οποία, όχι μόνο ήταν δημοφιλής αλλά και αρκετά διαδεδομένη και διαφαίνονταν ότι θα επικρατούσε έναντι των υπολοίπων παρόμοιων Συστημάτων. Περίπου 30 εταιρείες (συμπεριλαμβανομένων των HP, IBM , Digital) ένωσαν τις δυνάμεις τους τον Αύγουστο του 1993 για να αναπτύξουν ένα πρωτόκολλο που θα είναι ανεξάρτητο από τις κατασκευάστριες εταιρείες συσκευών και ίδρυσαν την Ένωση Υπέρυθρων Δεδομένων (Infrared Data Association ή εν συντομία IrDA).
Ο στόχος ήταν να δημιουργηθεί ένα ενιαίο πρωτόκολλο για τη μετάδοση δεδομένων μέσω υπέρυθρων. Πολλά ευρήματα από την ανάπτυξη του IrDA ενσωματώθηκαν αργότερα στο νεοαποκτηθέν πρότυπο Bluetooth.
Αλλά η τεχνολογία IrDA έπρεπε να αντιμετωπίσει ένα κεντρικό μειονέκτημα: την απαιτούμενη οπτική επαφή μεταξύ πομπού με δέκτη. Ως εκ τούτου, το 1994 ανατέθηκε στην Ericsson μια μελέτη σκοπιμότητας να βρει μια αντικατάσταση για τις καλωδιακές συνδέσεις. Η μελέτη τελικά απέφερε απρόσμενα ένα θετικό αποτέλεσμα και το 1998 η Ericsson, η Nokia, η IBM, η Toshiba και η Intel δημιούργησαν την ομάδα Bluetooth Special Interest για την ανάπτυξη ενός προτύπου που όριζε της προδιαγραφές σύνδεσης. Το SIG δημοσίευσε την έκδοση 1.0A ως την πρώτη τελική προδιαγραφή τον Ιούλιο του 1999, ενώ η έκδοση 1.0B ακολούθησε τον Δεκέμβριο του ίδιου έτους. Η έκδοση 1.1 του προτύπου παρουσιάστηκε τον Φεβρουάριο του 2001. Αυτό θεωρήθηκε ότι ήταν η πρώτη σταθερή βάση για τα προϊόντα που θα πωλούνταν στην αγορά, καθώς οι προηγούμενες εκδόσεις είχαν πολλά και λάθη.
Η ονομασία “Bluetooth” είναι ένας φόρος τιμής στον Δανό βασιλιά των Βίκινγκς, Χάραλντ Μπλαουζάν , ο οποίος ήταν γνωστός για τις επικοινωνιακές του ικανότητες. Τον 10ο αιώνα πέτυχε να ενώσει και να εκχριστιανίσει τη Δανία . Το όνομα “Bluetooth” ήταν αρχικά ένα κωδικό όνομα για την τεχνολογία που αναπτύχθηκε, η οποία αργότερα χρησιμοποιήθηκε επίσης ως εμπορικό σήμα λόγω της έλλειψης καλών εναλλακτικών λύσεων.
Τεχνικές πληροφορίες Bluetooth
Οι συσκευές σύμφωνα με τα πρότυπα του Bluetooth SIG μπορούν να εκπέμπουν ως Short Range Devices (SRD) σε ζώνη ISM χωρίς να απαιτείται κάποια άδεια μεταξύ των χρηστών, και πιο αναλυτικά στις συχνότητες μεταξύ 2,402 GHz και 2,480 GHz. Ωστόσο, ενδέχεται να προκληθούν παρεμβολές, για παράδειγμα, από WLAN, ασύρματα σταθερά τηλέφωνα ή φούρνους μικροκυμάτων που λειτουργούν στην ίδια ζώνη συχνοτήτων.
Για να αποφευχθούν οι εν δυνάμει παρεμβολές από διάφορες ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές, γίνεται τεχνητή αναπήδηση σε ένα άλλο φάσμα συχνοτήτων, στο οποίο η ζώνη συχνοτήτων διαιρείται σε 79 κανάλια σε διαστήματα 1 MHz, τα οποία αλλάζουν έως και 1600 φορές ανά δευτερόλεπτο.
Ωστόσο, υπάρχουν και τύποι λογισμικών στα οποία η συχνότητα δεν αλλάζει, τόσο συχνά. Στο κάτω και πάνω άκρο υπάρχει μια ζώνη συχνοτήτων που λειτουργεί ως προστασία σε παρακείμενα εύρη συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται από άλλες βιομηχανίες. Θεωρητικά, ένας ρυθμός μετάδοσης δεδομένων της τάξεως του 706,25 kbit / s μπορεί να επιτευχθεί όταν διεξάγεται με ταυτόχρονη ταχύτητα 57,6 kbit / s κατά την αποστολή (αυτή η διαδικασία είναι γνωστή στον τεχνολογικό κόσμο ως «ασύμμετρη μετάδοση δεδομένων»).
Εκτός από την ισχύ μετάδοσης που είναι ο βασικός παράγοντας στο bluetooth, το πραγματικό εφικτό εύρος εξαρτάται από μεγάλο αριθμό παραμέτρων. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, την ευαισθησία ενός δέκτη και τον σχεδιασμό των κεραιών εκπομπής και λήψης που χρησιμοποιούνται ως σύνδεσμοι ραδιοεπικοινωνίας. Οι ιδιότητες του περιβάλλοντος μπορούν επίσης να επηρεάσουν την ισχύ του σήματος, για παράδειγμα ένας τοίχος μέσα στο σπίτι, π.χ. όταν ο ένας χρήστης βρίσκεται στην κουζίνα και ο άλλος στο υπνοδωμάτιο.
Επιπλέον καθοριστικής σημασίας είναι και οι τύποι των δεδομένων που μπορούν να σταλούν και να ληφθούν, που και αυτά με τη σειρά τους έχουν τεράστιο αντίκτυπο στη καλή μετάδοση δεδομένων. Αυτό συμβαίνει εξαιτίας της απόστασης που δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 10 μέτρα και τους μηχανισμούς ασφαλείας που έχει το εκάστοτε υλικολογισμικό στη μετάδοση δεδομένων, δηλαδή να εμποδίζει την αποστολή μεγάλου όγκου πληροφοριών καθαρά για λόγους προστασίας από πιθανές επιθέσεις κυβερνοεγκληματιών.
Προκειμένου να επιτευχθούν υψηλότερα ποσοστά μετάδοσης πληροφοριών μέσω της παγκόσμιας διαθέσιμης ζώνης συχνοτήτων 2,45 GHz, το Bluetooth SIG σχεδιάζει την εναλλακτική επέκταση Bluetooth MAC / PHY. Εδώ, το Bluetooth επεκτείνεται περαιτέρω ώστε να περιλαμβάνει τα επίπεδα PHY και MAC των προδιαγραφών IEEE 802.11 (πρότυπα WLAN).
Αρχιτεκτονική συστήματος Bluetooth
Σε ένα δίκτυο Bluetooth μπορούν να συμμετέχουν έως και οκτώ ενεργοί χρήστες (Slaves), οι οποίοι αναγνωρίζονται μέσω μιας διεύθυνσης 3-bit. Από την άλλη πλευρά, οι ανενεργές συσκευές μπορούν να διατηρήσουν το συγχρονισμό τους στο δίκτυο ακόμη και σε κατάσταση στάθμευσης και να ενεργοποιηθούν στο δίκτυο ξανά κατόπιν αιτήματος. Για τη λειτουργία στάθμευσης υπάρχει μια διεύθυνση 8 bit που μπορεί να απευθυνθεί μέχρι και σε 255 συμμετέχοντες (“Slaves”).
Επιπλέον, ο αριθμός των παθητικών συμμετεχόντων μπορεί να αυξηθεί ξανά μέσω διεύθυνσης 48-bit. Ο “κεντρικός χρήστης” ελέγχει την επικοινωνία και εκχωρεί μονάδες μετάδοσης (“υποδοχές”) στους “συμμετέχοντες” μέσω της «μεθόδου πολλαπλής διαίρεσης σημάτων που είναι γνωστή στα Ελληνικά ως Πολυπλεξία (αγγλικά Multiplexing).
Μια συσκευή με Bluetooth μπορεί να καταχωρηθεί σε πολλά piconets (μονάδα ενός δικτύου Bluetooth), αλλά να λειτουργεί ως κύρια μόνο σε ένα δίκτυο. Έως δέκα piconets σχηματίζουν ένα scatternet, όπου οι συμμετέχοντες μπορούν να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους. Κάθε piconet αναγνωρίζεται με διαφορετική ακολουθία αναπήδησης συχνότητας. Εν τούτοις, αξίζει να σημειωθεί πως ο ρυθμός μετάδοσης δεδομένων συνήθως υποφέρει και είναι προβληματικός στο Scatternet.
Τέτοια αυτοοργανωτικά δίκτυα – Scatternet – είθισται να εφαρμόζονται με ιδιόκτητο τρόπο με την πρωτοβουλία των χρηστών, ενώ μέχρι σήμερα δεν έχει τυποποιηθεί κάποια επίσημη γενική λύση για τούτη τη διεργασία. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν μπορεί να οριστεί αλγόριθμος που να πληροί όλες τις απαιτήσεις ενός Scatternet ταυτόχρονα και να παραμένει αρκετά αδύνατος και ως εκ τούτου γρήγορος.
Αρχιτεκτονική πρωτοκόλλου Bluetooth
Όπως ειπώθηκε στις παραπάνω ενότητες, οι προδιαγραφές του bluetooth αναπτύχθηκαν από την Ομάδα Ειδικού Ενδιαφέροντος Bluetooth (SIG). Αυτά περιλαμβάνουν πρωτόκολλα σε μια ιεραρχική σειρά (στα ελληνικά ονομάζεται στοίβα πρωτοκόλλου, και στα αγγλικά Protocol stack) με τα οποία είναι δυνατές οι διαδραστικές υπηρεσίες και εφαρμογές για επικοινωνία μέσω κινητής ραδιοεπικοινωνίας. Αυτά αντιπροσωπεύουν το σύνολο των βασικών κανόνων που πρέπει να τηρούν όλες οι συσκευές προκειμένου να μπορούν να μεταδίδουν και να λάβουν δεδομένα μέσω Bluetooth.
Λειτουργίες ασφαλείας
Το πρότυπο Bluetooth καθορίζει τα ακόλουθα τρία επίπεδα ασφαλείας, ξεκινώντας από το πιο ανασφαλές έως το πιο ασφαλές:
- Λειτουργία 1 (Μη ασφαλής λειτουργία): Δεν υπάρχουν μηχανισμοί ασφαλείας σε αυτήν τη λειτουργία. Οι συσκευές αλλάζουν συχνότητα συνεχώς για να καταστήσουν την παρακολούθηση δύσκολη.
- Λειτουργία 2 (Βασικό επίπεδο ασφάλειας): Σε αυτήν τη λειτουργία, εξαρτάται από τις υπηρεσίες που χρησιμοποιούνται για την επιβολή μηχανισμών ασφαλείας στο επίπεδο εφαρμογής. Οι υπηρεσίες μπορούν να είναι ανοιχτές σε όλες τις συσκευές, αλλά να παρέχουν μόνο έλεγχο ταυτότητας ή να απαιτούν πρόσθετη εξουσιοδότηση.
- Λειτουργία 3 (Υψηλό επίπεδο ασφάλειας): Σε αυτήν τη λειτουργία, ο έλεγχος ταυτότητας πραγματοποιείται όταν δημιουργηθεί η σύνδεση. Παρόλα αυτά, η κρυπτογράφηση είναι προαιρετική.
Επειδή η πλειονότητα των κινητών τηλεφώνων έχουν προεγκατεστημένο το λογισμικό bluetooth και μπορούν να μεταφέρουν δεδομένα, έχει ως αρνητικό αποτέλεσμα αρκετοί επιτιθέμενοι χάκερς να έχουν βρει διαφορές μεθοδολογίες ώστε να εκμεταλλεύονται αυτή την τεχνολογία για να προκαλέσουν δολιοφθορές και οικονομική ζημιά στα θύματα. Φερειπείν μπαίνουν στο smartphone ενός άλλου χρήστη και κάνουν τηλεφωνικές κλήσεις ή στέλνουν SMS σε διάφορες υπηρεσίες με υψηλή χρέωση.
Επιπρόσθετα μπορούν να αποκτούν πρόσβαση στα ιδιωτικά δεδομένα των χρηστών, κλέβοντας φωτογραφίες, αρχεία και τις επαφές που είναι καταχωρημένα στον κατάλογο τους. Γενικά, οι επιθέσεις DoS σε επίπεδο πρωτοκόλλου δικτύου είναι δυνατές με απλά μέσα, π.χ. με αιτήματα “ping”.
Εκδόσεις Bluetooth
Bluetooth 1.0 και 1.0B (Ιούλιος 1999)
Περιείχε αρκετά σφάλματα ασφάλειας μέσω μετάδοσης Bluetooth (BD_ADDR) . Οι συσκευές από διαφορετικούς κατασκευαστές ήταν μη λειτουργικές. Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ήταν στα 732,2 kbit / s
Bluetooth 1.1 (Φεβρουάριος 2001)
Υπήρχαν προβλήματα με κακές συνδέσεις κατά την αλληλεπίδραση με δίκτυα WLAN. Ομέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ήταν 732,2 kbit / s
Bluetooth 1.2 (Νοέμβριος 2003)
Ήταν Λιγότερο ευαίσθητο στις παρεμβολές (π.χ. WLAN) χάρη στο προσαρμοστικό φάσμα εξάπλωσης συχνότητας (AFH). Παράλληλα εισήχθησαν νέοι τύποι πακέτων δεδομένων για σύγχρονη μετάδοση (eSCO). Ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων ήταν στα 1 Mbit / s
Bluetooth 2.0 + EDR (Νοέμβριος 2004)
Επιτεύχθηκε περίπου τριπλάσια ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων χάρη στο Enhanced Data Rate (EDR) με μέγιστο ρυθμός μεταφοράς στα 2,1 Mbit / s. Αυτό σημαίνει ότι οι συνδέσεις EDR και μη EDR μπορούν να εξυπηρετηθούν ταυτόχρονα.
Bluetooth 3.0 + HS (ονομάζεται επίσης Seattle Release, Απρίλιος 2009)
Για αυτήν την έκδοση διατίθεται υποστήριξη για ένα επιπλέον κανάλι υψηλής ταχύτητας (HS) βασισμένο σε WLAN και UWB . Η χρήση του WLAN περιορίζεται σημαντικά σε τοπικό επίπεδο. Η επικοινωνία λειτουργεί μεταξύ μεμονωμένων συσκευών (peer-to-peer) και όχι μέσω διανομής (multicast). Το επίπεδο πρωτοκόλλου L2CAP έχει επεκταθεί για να υποστηρίζει αυτό το κανάλι υψηλής ταχύτητας εκτός από το τυπικό κανάλι Bluetooth. Αυτό επιτρέπει την επίτευξη ενός θεωρητικού ρυθμού μεταφοράς στα 24 Mbit / s.
Αυτές οι προδιαγραφές εγκαταλείφθηκαν τον Οκτώβριο του 2009.
Επιπλέον, εισήχθη το Enhanced Power Control (EPC).
Bluetooth 4
Η προδιαγραφή 4.0 υιοθετήθηκε στις 17 Δεκεμβρίου 2009. Με αυτό το πρότυπο, η στοίβα πρωτοκόλλου Low Energy έγινε για πρώτη φορά διαθέσιμη στο ευρύ κοινό, ενώ ενσωματώθηκαν νέα προφίλ Bluetooth για την επίτευξη Low Energy. Όμως το αρνητικό στοιχείο στοιχείο της υπόθεσης ήταν πως εκείνη την εποχή υπήρχαν ελάχιστα τσιπ που μπορούσαν να υποστηρίξουν αυτήν την έκδοση. Τον Ιούνιο του 2011, τα τσιπ που ήταν συμβατά με Bluetooth 4.0 ήταν ήδη διαθέσιμα από την Atheros, CSR, Nordic Semiconductor, Texas Instruments, Toshiba και EM Microelectronic Marin.
- Το πρότυπο 4.0 είναι είναι συμβατό με όλες τις προηγούμενες εκδόσεις. Για συνδέσεις με τα προηγούμενα πρωτόκολλα, χρησιμοποιείται βελτιωμένη διόρθωση σφάλματος, για το απαιτούμενο επίπεδο ασφάλειας.
- Το Bluetooth Low Energy / Smart ανήκει στο πρότυπο 4.0, αλλά δεν προσφέρει καμία προς τα κάτω συμβατότητα. Είναι δυνατή η ρύθμιση μιας μετάδοσης σε λιγότερο από πέντε χιλιοστά του δευτερολέπτου και είναι εφικτή η διατήρηση της μέχρι σε μια απόσταση έως 100 μέτρα.
- Το πιο σημαντικό πλεονέκτημα της χρήσης Bluetooth Low Energy σε νέες τελικές συσκευές είναι η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας μέσω βελτιστοποιήσεων, όπως ο μικρότερος χρόνος για μια μετάδοση ή οι φάσεις αδράνειας μεταξύ των συγχρονισμένων κύκλων μετάδοσης. Ωστόσο, τα ηχητικά δεδομένα δεν μπορούν πλέον να μεταδοθούν.
Bluetooth 5
Στις 16 Ιουνίου 2016 ανακοινώθηκε επίσημα το Bluetooth 5. Συνεπώς, το εύρος έχει τετραπλασιαστεί και ο ρυθμός δεδομένων έχει διπλασιαστεί (2 Mbit / s μικτό χωρίς EDR). Επιπλέον, εισήχθησαν νέες υπηρεσίες όπως η αναφορά τοποθεσίας. Η τελική υιοθέτηση πραγματοποιήθηκε στις 6 Δεκεμβρίου 2016. Το Samsung Galaxy S8 ήταν το πρώτο smartphone που είχε ενσωματωμένο το Bluetooth 5. Από τις αρχές του 2020, η πλειοψηφία των smartphone που προσφέρονται ήταν εξοπλισμένα με Bluetooth 5.
Όπως ανακοινώθηκε, μπορούν να επιτευχθούν ρυθμοί δεδομένων έως 2 Mbit / s, χρησιμοποιώντας EDR ακόμη και έως 3 Mbit / s. Η εμβέλεια μπορεί να φτάσει ακόμα και τα 200 μέτρα, κάτω από καλές συνθήκες και χωρίς εμπόδια/
Εκτός από την εισαγωγή της μετάδοσης πληροφοριών που σχετίζονται με την τοποθεσία (π.χ. με σκοπό την πλοήγηση), εισήχθη επίσης το λεγόμενο Periodic Advertising. Με αυτόν τον τρόπο, οι πελάτες μπορούν να ενημερώσουν τον κεντρικό υπολογιστή πότε θα σταλεί το επόμενο πακέτο δεδομένων, έτσι ώστε η σύνδεση να απενεργοποιηθεί κατά τη διάρκεια του ανενεργού χρόνου και έτσι να εξοικονομηθεί ενέργεια.
