Bluetooth

Bluetoothin logo

Bluetooth-USB-adapteri

Bluetooth on avoin standardi laitteiden langattomaan kommunikointiin lähietäisyydellä. Se sai alkunsa, kun ruotsalainen Ericsson alkoi tutkia erilaisia menetelmiä langattomaan tiedonsiirtoon matkapuhelimien ja niiden oheislaitteiden välillä vuonna 1994. Nimi Bluetooth annettiin 900-luvulla eläneen viikinkikuninkaan, Harald Sinihampaan mukaan, logo taas luotiin yhdistämällä skandinaaviset riimut (Hagall) ja   (Berkanan). Bluetooth koostuu kolmesta osasta, jotka ovat radio-osa (Bluetooth-radio), radiolinkin hallintaosasta (engl. link controller) ja yhteydenhallinnasta (engl. link manager).

Bluetooth on lyhyen kantaman radiotekniikkaan perustuva langaton tiedonsiirtotekniikka, jonka tarkoituksena on ollut korvata kaapelit matkapuhelinten, PC:n, tulostinten ja muiden oheislaitteiden välillä. Jokainen yksittäinen laite voi vapaasti tulla verkkoon tai poistua siitä. Bluetoothilla korvataan myös infrapunayhteyksiä, koska se on toimintavarmempi ja monipuolisempi siirtotekniikka eikä tarvitse esimerkiksi optista kontaktia yhteyslaitteiden välillä. Bluetooth-teknologia mahdollistaa myös yhteyslaitteiden autentikoinnin ja tiedonsalauksen eli -kryptauksen, toisin kuin IrDA.

Bluetoothin nimelliset siirtonopeudet ovat symmetrisessä siirrossa 432,6 kilobittiä ja asymmetrisessä lähtevässä 721 kilobittiä ja saapuvassa 57,6 kilobittiä sekunnissa. Pienimmällä milliwatin (Class/luokka 3) lähetysteholla päästään noin metrin tiedonsiirtoetäisyyksiin, 2,5 mW teholla (Class/luokka 2) jo noin kymmeneen metriin, ja lähetystehoa kasvattamalla ylletään jopa 100 metrin etäisyyksiin (100 mW/Class 1). Bluetoothin keskilähetystaajuus on 2,45 GHz. Samalla taajuusalueella toimivat myös muun muassa mikroaaltouunit ja langattomat lähiverkot. Yhteyksien häiriöiden vähentämiseksi lähetyksessä käytetään hajaspektritekniikkaa.

Historia

Matkapuhelimia valmistanut Ericsson tutki 1990-luvulla menetelmiä langattomaan tiedonsiirtoon. Ericssonin aloitteesta perustettiin 20.5.1998 Bluetooth SIG (Special Interest Group), jonka perustajiin kuuluivat myös Nokia, IBM, Intel ja Toshiba. Tavoitteena oli luoda de facto -standardi. Vuonna 2009 SIG:ssa oli jäseniä yli 12 000.

Bluetoothin 2.0-version suurimpia parannuksia on ollut tiedonsiirron nopeuden nosto 3,0 Mbps:iin EDR-laajennuksella (Enhanced Data Rate). Teknisesti 2.0-versio kuluttaa enemmän virtaa, mutta samalla tietomäärällä nopeudeltaan kolminkertainen tiedonsiirto kutistaa virrankulutuksen noin puoleen version 1.x laitteisiin verrattuna. Versio 2.0 tarjoaa myös muutamia pienempiä parannuksia kuten uudistetun virheenkorjauksen. Bluetooth 2.0 on alaspäin yhteensopiva kaikkien 1.x-version laitteiden kanssa.

Bluetooth 3.0 on edeltäjäänsä nopeampi ja virtapihimpi. Uuden Bluetooth-standardin sydämenä toimii 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer), eli 802.11 WLAN -yhteyden hyödyntäminen. Suuria tietomääriä siirrettäessä Bluetooth 3.0 käyttää automaattisesti apunaan WLAN-yhteyttä, jolloin siirtonopeus on jopa 24 Mbit/s (3 Mt/s). Bluetooth-spesifikaatio mahdollistaa, että laite voi olla jäsenenä kahdessa eri verkossa (nykyiset laitteet tukevat vain yhtä aktiivista yhteyttä kerrallaan). Näin laitteita ja verkkoja voidaan ketjuttaa toisiinsa. Bluetooth-laitteet jakautuvat verkoissa isänniksi (engl. master) ja orjiksi (engl. slave). Kun piconet-verkot yhdistyvät suuremmiksi, kutsutaan niitä scatternet-verkoiksi, joissa on useita isäntiä ja orjia. Verkot erottaa toisistaan niiden käyttämä taajuus sekä kanavahyppiminen.

Bluetooth 4.0 (tunnetaan myös nimellä Bluetooth Smart) julkaistiin 30.6.2010 ja se sisältää perinteisen Bluetooth:n (Classic Bluetooth), suuren nopeuden Bluetooth:n (Bluetooth high speed) sekä matalaenergian Bluetooth (Bluetooth low energy) protokollat. Matalaenergian bluetooth tunnettiin aiemmin nimellä Wibree, ja se on täysin uusi protokollapino, joka suunniteltiin nopeaan, yksinkertaisten kytkösten muodostamiseen. Matalaenergian bluetooth on suunnattu laitteisiin, joille ominaista on hyvin pieni virrankulutus, ja jotka voidaan varustaa nappiparistolla.

Bluetooth 4:ään on tehty tämän jälkeen vielä kaksi inkrementaalista julkaisua, Bluetooth 4.1 (julkaistu 4.12.2013) lisää ohjelmistoon uusia ominaisuuksia, mutta ei muuta tarvittavaa laitteistoa. Bluetooth 4.2 julkaistiin 2.12.2014 ja se tuo ominaisuuksia, jotka on erityisesti suunniteltu esineiden Internetiä (Internet of Things) varten.

Bluetooth-radio

Taajuus

Bluetooth-radio toimii lähes poikkeuksetta 2,4 GHz:n ISM (Industry, Medical, Science) lisensöimättömällä taajuusalueella. Tarkasti ottaen Bluetooth toimii taajuusalueella 2,4000–2,4835 GHz ja taajuushyppyalue on f = 2 402 + k MHz, jossa k = 0...78. Bluetooth vaihtelee siis lähetystaajuutta. Kanavia ko. taajuusalueella Bluetoothin käytössä on 79. Yhden kanavan taajuussiirto on 1 MHz.

Poikkeuksena:

• Ranska
• Espanja
• Japani

Näissä maissa kansalliset rajoitukset pakottavat ainakin toistaiseksi toimimaan taajuusalueella 2,4465–2,4835 GHz ja taajuushypintäalue (engl. Frequency hopping) on f = 2 454 + k MHz, jossa k = 0...22.

Lähetin

Lähettimiä on kolmen tasoisia, jaoteltuna lähetystehon mukaan. Tasot ovat:

• Class 1: 100 mW (20 dBm)
• Class 2: 2,5 mW (4 dBm)
• Class 3: 1 mW (0 dBm)

Class 1 luokan lähettimissä pitää olla virransäätöominaisuus joka mahdollistaa myös Bluetoothin virransäästöominaisuudet. LMP ja RSSI tarkkailevat lähetystehoa ja tarvittaessa laskevat tai nostavat lähetystehoa. Class 1 -luokan lähettimiä käytetään lähinnä kannettavissa tietokoneissa ja Bluetooth USB-dongleissa. Jos vastaanottimessa ei ole virransäätöominaisuutta, tulee Class 1 -luokan lähettimen toimia luokan 2 tai 3 lähettimen tavoin. Tämä rajoittaa esimerkiksi kannettavan tietokoneen ja puhelimen välisen Bluetooth-yhteyden ~10 metriin.

Modulaatio

Modulaationa Bluetooth käyttää GFSK-taajuussiirtokoodausta (lyhenne sanoista Gaussian frequency shift keying). GFSK-modulaatiossa binäärinen 1 ja 0 sisällytetään kantoaallon pituuteen poikkeuttamalla kantoaallon perustaajuutta. Taajuuden muutos on ±500 kHz ja sen virhe saa olla maksimissaan ±75 kHz.

Virheen liukuma saa olla:

• 1 slotin paketissa ±25 kHz
• 3 slotin (lähetysjakson) paketissa ±40 kHz
• 5 slotin paketissa ±40 kHz

Enimmäisliukuma on siis mikrosekunnissa 400 Hz.

Bluetoothin käyttämän taajuushyppelyn takia tietoliikenne on periaatteessa pakettikytkentäistä. Taajuutta vaihdetaan 1 600 kertaa/s ja yhden paketin lähetysaika (slot) on noin 625 mikrosekuntia.

Protokollat

Bluetooth-protokollapino sisältää sekä erityisesti Bluetoothiin määritettyjä että yleisempiä protokollia. Protokollapinolla kuvataan yhteyskäytäntöjä Bluetooth-laitteiden väillä. Protokollapinoon on pyritty sulauttamaan aiempia protokollia, jotta yhteyskäytännöt olisivat toimivampia jo ennestään olemassa olevien protokollien kanssa.

Protokollapino on jaettu kahteenosaan: "controller stack" sisältää aikakriittisen radiolinkin hallinnan. Tämä on toteutettu tyypillisesti erikoistuneella mikropiirillä. "Host stack" on rakennettu sen päälle ja sisältää korkeamman tason protokollat.

Bluetooth soveltuu käytettäväksi monissa erilaisissa laitteissa, jolloin kukin laite käyttää protokollista vain tiettyä osaa. L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) kanavoi protokollat ja samassa järjestelmässä voi käyttää monta protokollaa.

Alemmat tason protokollat

• Asynchronous Connection-Less [logical transport] (ACL)
  • TDMA-kanavointia käyttävä yleinen ja luotettava datalinkki. Sisältää virheenkorjauksen. Hukkunmeet paketit lähetetään uudestaan jos niitä ei kuitata.

• Synchronous connection-oriented (SCO) link
  • Reaaliaikaiselle äänidatalle tarkoitettu radiolinkki. Käyttää varattuja aikaslotteja. Ei tee uudelleenlähetyksiä pakettien hukkuessa.

• Link management protocol (LMP)
  • Vastaa yhteyden muodostamisesta, esimerkiksi parituksesta. Neuvottelee käytettävästä pakettikoosta ja laitteen tilasta pikoverkossa (hold, sniff, park).

• Host Controller Interface (HCI)
  • Host Controller Interface -rajapinta jakaa protokollat isännän (eli matkapuhelimen, tietokoneen yms.) ja Bluetooth-moduulin (radio, baseband, link manager) kesken. HCI-rajapinta määrittelee tavan, jolla Bluetooth-laitetta ohjataan.

• Low Energy Link Layer (LE LL)
  • Bluetooth Low Energyn käyttämä korvaaja LMP-protokollalle.

Muut protokollat

• SDP – Service Discovery Protocol
  • SDP-protokollan avulla etsitään uusia palveluja, eli Bluetooth-verkossa (pikoverkko) osapuolet kytkeytyvät suoraan laitteisiin, ja pikoverkon yhtenä ominaisuutena on palvelujen vaihtuvuus. SDP-protokollaa käytetään esimerkiksi tulostimen yhdistämisessä Bluetooth-laitteeseen.

• L2CAP – Logical link Control and Adaptation Protocol
  • Baseband- eli kantataajuusprotokollan sovittaminen yläpuolella oleviin protokolliin.

• RFCOMM (perustuu ETSI-standardiin TS07.10)
  • Mukailee sarjaporttia. RFCOMM:n päällä voi toimia muita "tunnettuja" protokollia, jotka mahdollistavat esimerkiksi käyntikorttien välityksen Bluetoothitse.

• BASEBAND – kantataajuusprotokolla
  • Määrittelee Link Controller -kerroksen, joka hoitaa fyysisen yhteyden luomisen laitteiden välille. Yhteystyypit: SCO (Synchronous Connection Oriented), tehtävänä on palvella sellaisia sovelluksia, jotka vaativat jatkuvan ja tasaisen bittivirran (esimerkiksi puheensiirto). Toinen yhteystyyppi on ACL (Asynchronous Connectionless Link), jossa kanavaa käytetään silloin, kun isännän ei tarvitse palvella synkronisia kanavia.

• RADIO (Bluetooth radiorajapinta)
  • Protokollapinon alin protokolla. Tämä protokolla määrittelee vaatimukset, jotta Bluetooth-laitteet toimisivat keskenään 2,4 GHz ISM-taajuuskaistalla (Industrial, Scientific, Medical).

Topologia

Bluetooth perustuu ns. Point-To-Point-yhteyteen, jossa kaksi laitetta kommunikoivat keskenään. Toinen laitteista on isäntä ja toinen renki. Bluetooth mahdollistaa kahdeksan eri laitteen liittämisen samaan verkkoon. Pienemmissä, enintään kahdeksan laitetta sisältävissä, piconet-verkoissa on yksi isäntä ja loput ovat orjia. Laitteet muodostavat pikoverkon jo kaksistaan, mutta isäntä voi olla yhteydessä jopa seitsemään renkiin.

Pikoverkot muodostavat hajaverkkoja, kun jokin laite on yhteydessä toiseen pikoverkkoon. Laite voi olla toisessa verkossa joko isäntänä tai renkinä, mutta laite voi kuitenkin keskustella vain yhden laitteen kanssa kerrallaan.

Profiilit

Bluetooth-profiilit määrittelevät, kuinka Bluetooth-verkkoa käyttävien sovellusten tulee toimia; tarkoituksena on saada eri ohjelmistokehittäjien sovellukset yhteneväisiksi. Eri profiileita on olemassa yli 30 ja standardointivaiheessa on muutama lisää.

GAP (Generic Access Profile) on perusprofiili, jonka päätarkoituksena on kuvata Bluetooth-laitteiden yhteydenpidossa käyttämät proseduurit. Tämä on tietoturvan kannalta tärkein profiili. GAP:in osalta kaikkien Bluetooth-laitteiden tulee olla samanlaisia.

Lähiverkkoyhteysprofiili (Lan Access Profile) kuvaa tapaa, jolla Bluetooth-laite muodostaa yhteyden lähiverkkoon erillisen tukiaseman kautta.

Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) kuvaa kuinka ääntä välitään Bluetoothin yli. Headset-profiili kuvaa tapaa, jolla hallitaan hands-free-toimintoja.

Audio/Video Remote Control Profile (AVRCP) kuvaa TV- tai hifi-tyylisen laitteiston hallintaa. Tästä profiilista on useita versioita. Ensimmäinen sisälsi toiminnot vain play/pause/stop-tyyppisille toiminnoille. Myöhemmin tähän on lisätty metadata soivasta kappaleesta, kappaleiden selausta ja metatiedot yms.

Basic Imaging Profile sisältää toiminnot joilla voidaan siirtää kuvia laitteiden välillä. Se sisältää myös mahdollisuuden ottaa kuva webkamera-tyyppisellä laitteella.

Human Interface Device Profile (HID) sisältää toiminnot hiiri-, näppäimistö-, joystick-tyylisten laitteiden käyttöön.

Phone Book Access Profile mahdollistaa puhelinluetteloiden siirtämisen laitteiden välillä.

Serial Port Profile emuloi sarjaporttia langattoman yhteyden yli hyödyntäen RFCOMM-protokollaa.

Tietoturva

Bluetooth-verkossa tietoturva muodostuu uuden laitteen autentikoinnista sekä siirrettävän tiedon salauksesta. Näiden hallintaan käytetään laitteen MAC-osoitetta, kahta salaista avainta sekä autentikoinnissa muodostettavaa satunnaislukua. Autentikointi perustuu haaste-vaste-menetelmään, joka voidaan suorittaa molempiin suuntiin, näin pienennetään ns. naamioinnin mahdollisuutta. Varsinainen salaus tapahtuu E0-nimisellä jonosalaimella. Kaikki käytettävä salaus on symmetristä.

Yleistä Bluetooth-tietoturvasta

Bluetooth 2.0 on suhteellisen turvallinen; viimeisimmät ja yleisimmät haittaohjelmat ovat vuodelta 2005. Toistaiseksi virusten asentuminen matkapuhelimeen vaatii levitäkseen käyttäjän toimia eli käyttäjän tarvitsee ensin hyväksyä asennuspyyntö. Suurimmat riskit siis liittyvät käyttäjien uteliaisuuteen.

Mobiilivirukset

Eräät mobiilivirukset ovat käyttäneet Bluetoothia leviämistienään. Virus lähettää itsestään kopion toisiin puhelimiin, ja käyttäjän pitää tyypillisesti ajaa virus hyväksymällä puhelimen asennuspyyntö. Virusten leviämisen voi estää kytkemällä Bluetoothin pois tai estämällä sen näkyminen ulkopuolisille laitteille.

Määrittelyjä

• Baseband
  • Bluetooth Baseband tarkentaa/määrittelee reaaliaikaisen äänen, datan ja Ad Hoc-verkon tiedon käsittely proseduurit fyysisessä kerroksessa ja media access -kerroksessa.
• Kattavuusalue(engl. Coverage Area)
  • Alue/etäisyys, jonka sisällä BT-yksiköt pystyvät vaihtamaan viestejä riittävällä varmuudella.
• Majakka (engl. Beacon)
  • Bluetooth LE (low energy):n mahdollistama laite/lähetin, joka jakaa (engl. broadcast) siihen talletettua tietoa kaikille lähellään oleville liikuteltaville laitteille (tyypillisesti matkapuhelimet, tabletit tai muut Bluetooth LE vastaanottoon kykenevät laitteet). Eräs BTLE majakoiden sovelluskohteita ovat kiinnostavat pisteet (Points of Interest), esimerkkinä kauppa, bussipysäkki, huone, huonekalu, tai muu erityishuomion arvoinen kohde.

Lyhenteitä

• ACL – Tahdistamaton ei-kytkentäinen siirtoyhteys
• AT – Commands
• IP – Internet-protokolla
• L2CAP – Loogisen linkin kontrolli- ja sovitusprotokolla
• LMP – Yhteydenhallinnan (engl. Link Manager) protokolla peer to peer -kommunikoinnille
• OBEX – Objektien siirtoprotokolla
• PPP – Point to Point -protokolla
• RFCOMM – Sarjakaapeli emulaatioprotokolla (kts. ETSI TS 07.10)
• RSSI – Vastaanotetun signaalin voimakkuuden tunnistin
• SCO – Synkronoitu/tahdistettu kytkentäinen siirtoyhteys
• SDP – Palvelujen havainnointiprotokolla
• TCS – Puhelinkontrolliprotokolla
• UDP/TCP – (engl. User Datagram Protocol/Transport Control Protocol)
• WAE – Langaton sovellusympäristö
• WAP – Langattomien sovellusten protokolla (engl. Wireless Application Protocol)