¿Qué es BLE (Bluetooth Low Energy) y cómo funciona?

¿Qué es BLE?

BLE son las siglas de Bluetooth Low Energy, que se introdujo como parte del estándar Bluetooth 4.0. Su objetivo es ayudar a los dispositivos IoT (Internet de las cosas) de bajo consumo y Aplicaciones M2M a corta distancia. Esto fue fundamental para hacer realidad muchos dispositivos IoT modernos que funcionan con baterías. Como la clásica Tecnología BluetoothBLE funciona en 2.4 GHz ISM (Industrial, Científica y Médica) al tiempo que hereda algunas características de su predecesora, más centradas en el bajo consumo. El consumo máximo de una aplicación BLE rondaría entre 0,01 y 0,5 vatios, con la misma velocidad que el Bluetooth clásico.

Diferencia entre BLE y Bluetooth clásico

La principal diferencia entre Bluetooth clásico y BLE está en la potencia consumida. Sin embargo, hay otras diferencias importantes debidas a las diferencias arquitectónicas en cada caso. El uso de direcciones de 24 bits frente al direccionamiento de 3 bits del Bluetooth Clásico permite a BLE conectarse a 20 conexiones simultáneamente, mientras que el Bluetooth Clásico sólo admite 7 conexiones.

Además, BLE tiene ventaja sobre Bluetooth clásico en lo que respecta a la latencia permitida en las conexiones. El Bluetooth clásico ofrece una latencia de sólo unos 100 ms, mientras que BLE ofrece una latencia mejorada de 6 ms. A pesar de la latencia mejorada, BLE sólo puede ofrecer velocidades de hasta 125 kbps a 2 Mbps, mientras que Bluetooth clásico puede ofrecer velocidades de hasta 3Mbps. Por último, BLE sólo puede ofrecer communicación unidireccional sin soporte de voz. El Bluetooth clásico tiene capacidad de comunicación co1TP14 bidireccional y soporte de voz.

¿Cómo funciona BLE?

A diferencia del Bluetooth clásico, en el que la información se envía de forma continua, BLE envía ráfagas de información, aumentando así su tiempo en estado de reposo. Para ello, BLE utiliza 40 canales separados cada uno por 2 MHz. De estos 40 canales, tres canales de publicidad iniciarían inicialmente la conexión enviando paquetes de publicidad. El resto de los 37 canales se conocen como canales publicitarios secundarios y se encargan de la communicación de datos.

Podemos definir tres tipos principales de nodos en una red BLE, a saber:

• Anunciante
• Escáner
• Iniciador

Un anunciador es un dispositivo que transmite paquetes anunciadores. Scanner es el dispositivo que recibe estos paquetes, sin intención de establecer una conexión. Si el dispositivo de exploración desea establecer una conexión, se denomina iniciador. Una vez establecida la conexión, el anunciante se denomina esclavo, mientras que el iniciador se conoce como maestro. En BLE, cada maestro y un esclavo se conocen como piconet. Sin embargo, un único maestro puede formar muchas piconets con diferentes esclavos simultáneamente. Además, de forma equivalente, un esclavo puede tener muchos enlaces con más de un maestro.

Diagrama de estado

El funcionamiento de BLE se explica con precisión mediante cinco estados de enlace que definen varias etapas del establecimiento de la conexión. Estos estados son los siguientes:

• Estado de publicidad: En este estado, los dispositivos transmiten paquetes publicitarios en canales publicitarios.
• Estado de exploración: En esta fase los dispositivos reciben paquetes publicitarios sin intención de establecer una conexión.
• Estado de iniciación: En este estado, un dispositivo pretende establecer una conexión en respuesta a los paquetes publicitarios entrantes.
• Estado de espera: En este estado, los dispositivos están desconectados.
• Estado conectado: Durante esta etapa, se establece una conexión entre el anunciante (esclavo) y el iniciador (maestro). Ahora, el maestro puede considerarse el dispositivo central, mientras que el esclavo es el dispositivo periférico.

Arquitectura BLE

La arquitectura BLE es estructuralmente parecida a la arquitectura Bluetooth clásica, como ya comentamos en nuestro artículo anterior. Sin embargo, la principal diferencia está en la capa física de la arquitectura, donde puede funcionar en dos modos, a saber:

• Modo dual
• Modo único

En modo Dual, tanto BLE como Bluetooth clásico pueden trabajar en armonía en la capa física. Mientras que en el modo Simple sólo puede funcionar uno de ellos. La elección entre los dos modos de funcionamiento depende exclusivamente de la aplicación de interés. En este artículo nos centraremos más en los perfiles de la arquitectura BLE que en sus componentes individuales.

Perfil GAP

GAP son las siglas de Generic Access Profile (perfil de acceso genérico). Este perfil es importante para determinar cómo interactúan entre sí los distintos dispositivos. Estas interacciones se producen en los siguientes aspectos:

• Publicidad
• Establecimiento de la conexión
• Seguridad

En publicidad, es esencial que los dispositivos emitan mensajes, descubran los dispositivos y envíen datos publicitarios. Todas estas operaciones son pasadas por alto por el perfil GAP. Además, en relación con el establecimiento de conexiones, también se encarga de la aceptación de una conexión, la finalización de una conexión y los parámetros de conexión. Por último, también se encarga de iniciar y facilitar las medidas de seguridad pertinentes en los dispositivos.

Perfil del TCA y el GATT

ATT son las siglas de Attribute Protocol (protocolo de atributos) y se encarga de definir las funciones de los dispositivos que participan en la conexión. Estos roles se definen en función de su funcionalidad tras establecer una conexión. Un servidor es un dispositivo que proporcionaría servicios o recursos, mientras que el cliente es el dispositivo que espera recursos y servicios. Vale la pena mencionar que un esclavo no se convertirá esencialmente en un servidor siempre mientras que el maestro es siempre un cliente. Esto depende del propósito de la conexión entre los dos nodos. Por ejemplo, consideremos una situación en la que se establece una conexión BLE entre un rastreador de pulsera y un smartphone. Cuando el rastreador envía la frecuencia cardiaca, actúa como servidor, mientras que el smartphone lo hace como cliente. Ahora, imaginemos que es necesario mostrar la hora en la pulsera; para ello, el smartphone, que tiene acceso a Internet, sería el servidor, mientras que la pulsera sería el cliente. Las asas del perfil ATT proporcionan medios para que el servidor almacene los datos en un formato que facilite diferentes funcionalidades. Para ello, el perfil ATT utiliza un modelo de base de datos jerárquica.

Aquí es donde entra en juego el GATT (Generic Attribute Profile). Se encarga de definir la jerarquía de datos en el modelo de base de datos. Para ello, utiliza un marco en forma de árbol con cuatro niveles, es decir, de arriba abajo:

• Perfil: Se refiere al nodo raíz
• Servicios: Se utilizan para organizar distintos tipos de datos
• Características: Son la unidad básica de almacenamiento en el marco arbóreo
• Valor y descriptores: El valor es un valor único para definir una característica, mientras que los descriptores son valores múltiples utilizados para definir características.

El perfil GATT puede entenderse perfectamente con un ejemplo. Por ejemplo, un rastreador de latidos puede tener los siguientes perfiles:

• Perfil de medición de la frecuencia cardíaca
• Perfil de información del dispositivo

Consideremos ahora el perfil de medición de la frecuencia cardiaca, este perfil puede tener los siguientes servicios:

• Servicio de frecuencia cardíaca
• Servicio de medición corporal

Así, cada uno de los servicios anteriores tendría características diferentes con valores y descriptores medidos por el rastreador. Por ejemplo, el servicio de frecuencia cardiaca tendría características de latidos con un valor de 69 lpm (latidos por minuto).

Seguridad BLE

Los principales tipos de ataques a los que son vulnerables BLE y Bluetooth clásico son las escuchas y los ataques de intermediario. BLE tiene características interesantes para minimizar los riesgos debidos a estos ataques. Estas características son:

• Comparación numérica: Aquí dos dispositivos finales generarían un valor numérico que será validado manualmente una vez se muestre en ambos dispositivos.
• Entrada de clave de paso: Aquí el dispositivo no iniciador genera una semilla aleatoria llamada nonce para autenticar la conexión.
• Sólo funciona: Aquí el dispositivo no iniciador genera un nonce con un valor de confirmación que se confirma contra el valor de confirmación de los otros dispositivos finales después de pasar el nonce.
• Fuera de banda (OOB): aquí la communicación se asegura a través de un canal secundario de communicación como Wi-Fi y NFC (Near Field Communication).

Aplicaciones de BLE

BLE es un buen candidato para aplicaciones PAN (Personal Area Network) IoT y M2M de bajo consumo. Estas aplicaciones van desde sencillos sistemas de domótica hasta aplicaciones industriales a gran escala. Algunas de las aplicaciones de BLE son:

• Domótica: BLE se ha convertido en una opción popular cuando se trata de aplicaciones de automatización del hogar. Estas aplicaciones IoT e inteligentes incluyen enchufes inteligentes, cerraduras inteligentes, luces inteligentes y sensores de seguridad inteligentes.
• Seguimiento de la ubicación en interiores: A pesar de la disponibilidad de tecnologías como GPRS, BLE es una técnica de navegación más fiable debido a su rendimiento frente a las interferencias.
• Aplicaciones de seguimiento: BLE se utiliza ampliamente en aplicaciones IoT que solo requieren la emisión de breves ráfagas de información. Esto es importante en aplicaciones como el seguimiento de activos y la gestión de flotas.

En conclusión, podemos utilizar BLE para aplicaciones IoT en redes PAN que requieren bajo consumo de energía y baja communicación de carga útil.

Balizas BLE

Las balizas BLE son pequeños dispositivos transmisores que utilizan la tecnología de communicación BLE para emitir breves ráfagas de mensajes a dispositivos oyentes. Son dispositivos unidireccionales alimentados por batería y se utilizan ampliamente en aplicaciones de marketing de proximidad y otras aplicaciones IoT de seguimiento. Actualmente, hay dos vendedores famosos de balizas BLE, a saber:

• Eddystone de Google
• iBeacon de Apple

Conclusión

BLE se utiliza ampliamente en aplicaciones IoT PAN de bajo consumo centradas principalmente en aplicaciones de domótica, dispositivos de seguimiento y aplicaciones de marketing de proximidad. Con un soporte cada vez mayor para BLE, es un buen candidato para aplicaciones IoT que debería ocupar un lugar destacado en sus opciones.