Беспроводной стандарт передачи данных Bluetooth

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Южно-Уральский  Государственный университет

Факультет «Механико – Технологический» 
Кафедра «Машины и Технология Обработки Материалов Давлением»

Исследования  поведения объекта 
 
РЕФЕРАТ 
по теме «Беспроводной стандарт передачи данных Bluetooth»

 
 
 
 
 
 
 
        
 
Проверил, (доцент) 
_______________ /Волосников А.С. / 
_______________ 20__г. 
Автор работы 
студент группы МТ-161 
_______________ /Богатырёв М.С.   
_______________ 20__г. 
Реферат защищён 
с оценкой(прописью, цифрой) 
____________________ 
_______________ 20__г.

       Оглавление

1. Аннотация

2. Название и логотип

3. История создания и развития

4. Принцип действия Bluetooth

5. Спецификации

6. Профили Bluetooth

7 Безопасность

7.1 Инициализация bluetooth-соединения

7.2 Уязвимости и атаки

7.2.1 Базовая pairing атака (атака на сопряжение)

7.2.2 Re-pairing атака (атака на пересопряжение)

7.3 Оценка времени подбора PIN-кода

8 Применение

8.1 Hardware 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1)Аннотация

Bluetooth - (переводится как синий зуб, назван в честь Харальда I Синезубого) — производственная спецификация беспроводных персональных сетей (англ. Wireless personal area network, WPAN). Bluetooth обеспечивает обмен информацией между такими устройствами как карманные и обычные персональные компьютеры, мобильные телефоны, ноутбуки, принтеры, цифровые фотоаппараты, мышки, клавиатуры, джойстики, наушники, гарнитуры на надёжной, недорогой, повсеместно доступной радиочастоте для ближней связи. Bluetooth позволяет этим устройствам сообщаться, когда они находятся в радиусе от 1 до 200 метров друг от друга (дальность сильно зависит от преград и помех), даже в разных помещениях.

Гарнитура для  мобильного телефона, использующая для  передачи голоса Bluetooth

2)Название и логотип 

Слово Bluetooth — перевод на английский язык датского слова «Blåtand» («Синезубый»). Это прозвище носил король Харальд I, правивший в X веке Данией и частью Норвегии и объединивший враждовавшие датские племена в единое королевство. Подразумевается, что Bluetooth делает то же самое с протоколами связи, объединяя их в один универсальный стандарт.

Логотип Bluetooth является сочетанием двух нордических («скандинавских») рун: «хаглаз»   (Hagall) — аналог латинской H и «беркана»   (Berkanan) — латинская B. Логотип похож на более старый логотип для Beauknit Textiles, подразделения корпорации Beauknit. В нём используется слияние отраженной K и В для «Beauknit», он шире и имеет скругленные углы, но в общем он такой же.

Bluetooth - это новая технология беспроводной передачи данных малой мощности, разрабатываемая с целью замены существующих проводных соединений персональных офисной и бытовой техники с широким спектром переносных устройств, таких, как мобильные телефоны и гарнитуры Bluetooth к мобильным телефонам, датчики сигнализации и телеметрии, электронные записные книжки и карманные компьютеры и т.п.

Технология Bluetooth была разработана в 1998 году группой компаний в области телекоммуникаций. Bluetooth - это возможность объединять в локальные сети любую технику: от мобильного телефона и компьютера до холодильника. При этом немаловажный параметр bluetooth - это низкая стоимость устройства связи, небольшие размеры и совместимость и простота встраивания в устройства.  

3)История создания и развития

Спецификация  Bluetooth была разработана группой Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), которая была основана в 1998 году. В неё вошли компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. Впоследствии Bluetooth SIG и IEEE достигли соглашения, на основе которого спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1 (дата опубликования — 14 июня 2002 года). Работы по созданию Bluetooth компания Ericsson Mobile Communication начала в 1994 году. Первоначально эта технология была приспособлена под потребности системы FLYWAY в функциональном интерфейсе между путешественниками и системой.Класс 

Макс мощность, мВт Макс мощность, дБм Радиус действия, м

1 100 20 100

2 2,5 4 10

3 1 0 1 
 

Компания AIRcable выпустила Bluetooth-адаптер Host XR с радиусом действия около 30 км.

4)Принцип действия Bluetooth 

Принцип действия основан на использовании радиоволн. Радиосвязь Bluetooth осуществляется в ISM-диапазоне (англ. Industry, Science and Medicine), который используется в различных бытовых приборах и беспроводных сетях (свободный от лицензирования диапазон 2,4-2,4835 ГГц). В Bluetooth применяется метод расширения спектра со скачкообразной перестройкой частоты (англ. Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS). Метод FHSS прост в реализации, обеспечивает устойчивость к широкополосным помехам, а оборудование недорого. 

Согласно алгоритму FHSS, в Bluetooth несущая частота сигнала скачкообразно меняется 1600 раз в секунду (всего выделяется 79 рабочих частот шириной в 1 МГц, а в Японии, Франции и Испании полоса у́же — 23 частотных канала). Последовательность переключения между частотами для каждого соединения является псевдослучайной и известна только передатчику и приёмнику, которые каждые 625 мкс (один временной слот) синхронно перестраиваются с одной несущей частоты на другую. Таким образом, если рядом работают несколько пар приёмник-передатчик, то они не мешают друг другу. Этот алгоритм является также составной частью системы защиты конфиденциальности передаваемой информации: переход происходит по псевдослучайному алгоритму и определяется отдельно для каждого соединения. При передаче цифровых данных и аудиосигнала (64 кбит/с в обоих направлениях) используются различные схемы кодирования: аудиосигнал не повторяется (как правило), а цифровые данные в случае утери пакета информации будут переданы повторно. 

5)Спецификации

5.1)Bluetooth 1.0

Устройства версий 1.0 (1998) и 1.0B имели плохую совместимость  между продуктами различных производителей. В 1.0 и 1.0B была обязательной передача адреса устройства (BD_ADDR) на этапе установления связи, что делало невозможной реализацию анонимности соединения на протокольном уровне и было основным недостатком данной спецификации.

5.2)Bluetooth 1.1

В Bluetooth 1.1 было исправлено множество ошибок, найденных в 1.0B, добавлена поддержка для нешифрованных каналов, индикация уровня мощности принимаемого сигнала (RSSI).

5.3)Bluetooth 1.2

В версии 1.2 была добавлена технология адаптивной перестройки  рабочей частоты (AFH), что улучшило сопротивляемость к электромагнитной интерференции (помехам) путём использования разнесённых частот в последовательности перестройки. Также увеличилась скорость передачи и добавилась технология eSCO, которая улучшала качество передачи голоса путём повторения повреждённых пакетов. В HCI добавилась поддержка трёх-проводного интерфейса UART. 

Главные улучшения включают следующее:

Быстрое подключение  и обнаружение.

Адаптивная перестройки  частоты с расширенным спектром (AFH), которая повышает стойкость  к радиопомехам.

Более высокие, чем в 1.1, скорости передачи данных, практически до 721 кбит/с.

Расширенные Синхронные Подключения (eSCO), которые улучшают качество передачи голоса в аудиопотоке, позволяя повторную передачу повреждённых пакетов, и при необходимости могут увеличить задержку аудио, чтобы оказать лучшую поддержку для параллельной передачи данных.

В Host Controller Interface (HCI) добавлена поддержка трёхпроводного интерфейса UART.

Утверждён как  стандарт IEEE Standard 802.15.1-2005[11].

Введены режимы управления потоком данных (Flow Control) и повторной передачи (Retransmission Modes) для L2CAP.

Bluetooth 2.0 + EDR 

Bluetooth версии 2.0 был выпущен 10 ноября 2004 г. Имеет обратную совместимость с предыдущими версиями 1.x. Основным нововведением стала поддержка Enhanced Data Rate (EDR) для ускорения передачи данных. Номинальная скорость EDR около 3 Мбит/с, однако на практике это позволило повысить скорость передачи данных только до 2,1 Мбит/с. Дополнительная производительность достигается с помощью различных радио технологий для передачи данных[12]. 

Стандартная (или  Базовая) скорость передачи данных использует Гауссово Кодирование со сдвигом  частот (GFSK) модуляцию радио сигнала, при скорости передачи в 1 Мбит/с. EDR использует сочетание GFSK и PSK-модуляцию с двумя вариантами, π/4-DQPSK и 8DPSK. Они имеют большие скорости передачи данных по воздуху 2- и 3 Mбит/с соответственно[13]. 

Bluetooth SIG издала спецификацию как «Технология Bluetooth 2.0 + EDR», которая подразумевает, что EDR является дополнительной функцией. Кроме EDR есть и другие незначительные усовершенствования к 2.0 спецификации, и продукты могут соответствовать «Технологии Bluetooth 2.0», не поддерживая более высокую скорость передачи данных. По крайней мере одно коммерческое устройство, HTC TyTN Pocket PC, использует «Bluetooth 2.0 без EDR» в своих технических спецификациях[14]. 

Согласно 2.0 + EDR спецификации, EDR обеспечивает следующие  преимущества:

Увеличение скорости передачи в 3 раза (2,1 Мбит/с) в некоторых  случаях.

Уменьшение сложности  нескольких одновременных подключений  из-за дополнительной полосы пропускания.

Более низкое потребление  энергии благодаря уменьшению нагрузки.

Bluetooth 2.1

2007 год. Добавлена  технология расширенного запроса  характеристик устройства (для дополнительной  фильтрации списка при сопряжении), энергосберегающая технология Sniff Subrating, которая позволяет увеличить продолжительность работы устройства от одного заряда аккумулятора в 3-10 раз. Кроме того обновлённая спецификация существенно упрощает и ускоряет установление связи между двумя устройствами, позволяет производить обновление ключа шифрования без разрыва соединения, а также делает указанные соединения более защищёнными, благодаря использованию технологии Near Field Communication.

Bluetooth 2.1 + EDR

В августе 2008 года Bluetooth SIG представил версию 2.1+EDR. Новая редакция Bluetooth снижает потребление энергии в 5 раз, повышает уровень защиты данных и облегчает распознавание и соединение Bluetooth-устройств благодаря уменьшению количества шагов за которые оно выполняется.

Bluetooth 3.0 + HS

3.0 + HS спецификация[13] была принята Bluetooth SIG 21 апреля 2009 года. Она поддерживает теоретическую скорость передачи данных до 24 Мбит/с. Её основной особенностью является добавление AMP (Асимметричная Мультипроцессорная Обработка) (альтернативно MAC/PHY), дополнение к 802.11 как высокоскоростное сообщение. Две технологии были предусмотрены для AMP: 802.11 и UWB, но UWB отсутствует в спецификации[15].

Модули с поддержкой новой спецификации соединяют в  себе две радиосистемы: первая обеспечивает передачу данных в 3 Мбит/с (стандартная для Bluetooth 2.0) и имеет низкое энергопотребление; вторая совместима со стандартом 802.11 и обеспечивает возможность передачи данных со скоростью до 24 Мбит/с (сравнима со скоростью сетей Wi-Fi). Выбор радиосистемы для передачи данных зависит от размера передаваемого файла. Небольшие файлы передаются по медленному каналу, а большие — по высокоскоростному. Bluetooth 3.0 использует более общий стандарт 802.11 (без суффикса), то есть не совместим с такими спецификациями Wi-Fi, как 802.11b/g или 802.11n.

Bluetooth 4.0

В декабре 2009 года Bluetooth SIG анонсировала стандарт Bluetooth 4.0[9][16]. Технология, прежде всего, предназначена для миниатюрных электронных датчиков (использующихся в спортивной обуви, тренажёрах, миниатюрных сенсорах, размещаемых на теле пациентов и т. д.). 

В Bluetooth 4.0 достигается низкое энергопотребление за счёт использования специального алгоритма работы. Передатчик включается только на время отправки данных, что обеспечивает возможность работы от одной батарейки типа CR2032 в течение нескольких лет[9]. Стандарт предоставляет скорость передачи данных в 1 Мбит/с при размере пакета данных 8-27 байт. В новой версии два Bluetooth-устройства смогут устанавливать соединение менее чем за 5 миллисекунд и поддерживать его на расстоянии до 100 м. Для этого используется усовершенствованная коррекция ошибок, а необходимый уровень безопасности обеспечивает 128-битное AES-шифрование.

Сенсоры температуры, давления, влажности, скорости передвижения и т. д. на базе этого стандарта  могут передавать информацию на различные  устройства контроля: мобильные телефоны, КПК, ПК и т. п.

Первый чип  с поддержкой Bluetooth 3.0 и Bluetooth 4.0 был выпущен компанией ST-Ericsson в конце 2009 года. Массовый выпуск Bluetooth-модулей на текущий момент не осуществлен (июль 2011 года).