Cos'è e come funziona il BLE (Bluetooth Low Energy)?

What is BLE?

BLE stands for Bluetooth Low Energy, which was introduced as part of Bluetooth 4.0 Standard. It is aimed at helping low-power-consuming IoT (Internet of Things) and Applicazioni M2M within a short range. This was critical in realizing many modern IoT devices which are battery-powered. Like Classical Bluetooth technology, BLE works in 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical) bands while inheriting some features from its predecessor with more focus on low power consumption. The maximum power consumption of a BLE application would be around 0.01 Watts to 0.5 Watts, with the same speed as that of classical Bluetooth.

Difference Between BLE and Classic Bluetooth

The main difference between Classic Bluetooth and BLE is in the consumed power. However, there are other major differences due to the architectural differences in each case. The use of 24-bit addresses as compared to 3-bit addressing in Classic Bluetooth allows BLE to connect to 20 connections simultaneously, while Classic Bluetooth only supports 7 connections.

Also, BLE has an upper hand when compared to Classic Bluetooth when it comes to allowable latency in connections. Classic Bluetooth offers a latency of only about 100 ms, while BLE offers an improved latency of 6 ms. Despite, the improved latency, BLE can only offer speeds up to 125 kbps to 2 Mbps, while Classic Bluetooth can offer speeds up to 3Mbps. Finally, BLE can offer only one-way communication with no voice support. Classic Bluetooth has both bidirectional communication capability along with voice support.

How BLE works?

Unlike, Classic Bluetooth, where information is sent continuously, BLE sends bursts of information, thus increasing its time in idle state. For this purpose, BLE uses 40 channels each separated by 2 MHz. Out of these 40 channels, three advertising channels would initially start the connection by sending advertisement packets. The rest of the 37 channels are known as secondary advertising channels and handle data communication.

We can define main three types of nodes in a BLE network, namely:

• Advertiser
• Scanner
• Initiator

An advertiser is a device that transmits advertiser packets. Scanner is the device that receives these packets, without any intention to set up a connection. Now if the scanning device wants to set up a connection, it is known as an initiator. Once, a connection is set up the advertiser is known as the slave while the initiator is known as the master. In BLE, each master and one slave are known as a piconet. However, a single master can form many piconets with different slaves simultaneously. Also, in an equivalent manner, a slave can have many links to more than one master.

State Diagram

Il funzionamento di BLE è spiegato con precisione attraverso cinque stati di collegamento che definiscono le varie fasi di creazione della connessione. Questi stati sono i seguenti:

• Stato pubblicitario: In questa fase, i dispositivi trasmettono pacchetti pubblicitari sui canali pubblicitari.
• Stato di scansione: In questa fase i dispositivi ricevono pacchetti pubblicitari senza l'intenzione di stabilire una connessione.
• Stato iniziale: In questa fase, un dispositivo intende stabilire una connessione in risposta ai pacchetti pubblicitari in arrivo.
• Stato di standby: In questa fase, i dispositivi sono scollegati.
• Stato di connessione: In questa fase viene stabilita una connessione tra l'inserzionista (slave) e l'iniziatore (master). A questo punto, il master può essere visto come il dispositivo centrale, mentre lo slave è il dispositivo periferico.

BLE Architecture

L'architettura BLE è strutturalmente simile a quella del Bluetooth classico, come abbiamo discusso nel nostro precedente articolo. Tuttavia, la differenza principale è nel livello fisico dell'architettura, che può funzionare in due modalità, ossia:

• Modalità doppia
• Modalità singola

In modalità Dual, sia il BLE che il Bluetooth classico possono lavorare in armonia nel livello fisico. Mentre in modalità Single solo uno dei due può funzionare. La scelta tra le due modalità operative dipende esclusivamente dall'applicazione di interesse. In questo articolo ci concentreremo più sui profili dell'architettura BLE che sui suoi singoli componenti.

GAP Profile

GAP è l'acronimo di Generic Access Profile. Questo profilo è importante per determinare il modo in cui i diversi dispositivi interagiscono tra loro. Queste interazioni si manifestano nei seguenti aspetti:

• Pubblicità
• Stabilire la connessione
• Sicurezza

Nella pubblicità, è essenziale che i dispositivi trasmettano messaggi, scoprano i dispositivi e inviino dati pubblicitari. Tutte queste operazioni sono trascurate dal profilo GAP. Inoltre, in relazione alla creazione di una connessione, gestisce anche l'accettazione di una connessione, la cessazione di una connessione e i parametri di connessione. Infine, è anche responsabile di avviare e facilitare le misure di sicurezza nei dispositivi.

ATT and GATT Profile

ATT è l'acronimo di Attribute Protocol e si occupa di definire i ruoli dei dispositivi che partecipano alla connessione. Questi ruoli sono definiti in base alla loro funzionalità dopo la creazione di una connessione. Un server è un dispositivo che fornisce servizi o risorse, mentre il client è il dispositivo che attende risorse e servizi. È opportuno ricordare che uno slave non diventerà sempre un server, mentre il master sarà sempre un client. Ciò dipende dallo scopo della connessione tra i due nodi. Ad esempio, si consideri una situazione in cui viene stabilita una connessione BLE tra un tracker da polso e uno smartphone. Quando il tracker invia la frequenza del battito cardiaco, agisce come server mentre lo smartphone agisce come client. Ora, immaginiamo che sia necessario visualizzare l'ora sul braccialetto; a questo scopo, lo smartphone che ha accesso a Internet sarebbe il server mentre il braccialetto è il client. I gestori del profilo ATT forniscono al server i mezzi per memorizzare i dati in un formato che facilita diverse funzionalità. A tal fine, il profilo ATT utilizza un modello di database gerarchico.

È qui che entra in gioco il GATT (Generic Attribute Profile). È responsabile della definizione della gerarchia dei dati nel modello di database. A tal fine, utilizza una struttura ad albero con quattro livelli, dall'alto verso il basso:

• Profilo: Si riferisce al nodo principale
• Servizi: Vengono utilizzati per organizzare diversi tipi di dati.
• Caratteristiche: Sono l'unità di memorizzazione di base della struttura ad albero.
• Valore e Descrittori: Il valore è un singolo valore per definire una caratteristica, mentre i descrittori sono valori multipli utilizzati per definire le caratteristiche.

Il profilo GATT può essere compreso appieno con un esempio. Ad esempio, un tracker di battiti cardiaci può avere i seguenti profili:

• Profilo di misurazione della frequenza cardiaca
• Profilo informativo del dispositivo

Consideriamo ora il profilo di misurazione del battito cardiaco, che può avere i seguenti servizi:

• Servizio di frequenza cardiaca
• Servizio di misurazione del corpo

Quindi, ciascuno dei servizi sopra citati avrà caratteristiche diverse con valori e descrittori misurati dal tracker. Ad esempio, il servizio di frequenza cardiaca avrebbe caratteristiche di battito cardiaco con un valore di 69 bpm (battiti al minuto).

BLE Security

I principali tipi di attacchi a cui BLE e il Bluetooth classico sono vulnerabili sono l'intercettazione e gli attacchi man-in-the-middle. BLE presenta caratteristiche interessanti per ridurre al minimo i rischi dovuti a questi attacchi. Queste caratteristiche sono:

• Confronto numerico: In questo caso, due dispositivi finali generano un valore numerico che viene convalidato manualmente una volta visualizzato su entrambi i dispositivi.
• Inserimento della chiave di accesso: Qui il dispositivo non iniziante genera un seme casuale chiamato nonce per autenticare la connessione.
• Funziona e basta: In questo caso il dispositivo non iniziante genera un nonce con un valore di conferma che viene confermato dal valore di conferma dell'altro dispositivo finale dopo il passaggio del nonce.
• Fuori banda (OOB): in questo caso la communicazione è protetta da un canale secondario di communicazione come Wi-Fi e NFC (Near Field Communication).

Applications of BLE

BLE è un buon candidato per le applicazioni IoT e M2M PAN (Personal Area Network) a basso consumo. Queste applicazioni variano dai semplici sistemi di automazione domestica alle applicazioni industriali su larga scala. Alcune delle applicazioni di BLE sono:

• Domotica: BLE è diventato una scelta popolare quando si tratta di applicazioni di automazione domestica. Queste applicazioni IoT e intelligenti includono prese intelligenti, serrature intelligenti, luci intelligenti e sensori di sicurezza intelligenti.
• Tracciamento della posizione interna: Nonostante la disponibilità di tecnologie come il GPRS, BLE è una tecnica di navigazione più affidabile grazie alle sue prestazioni contro le interferenze.
• Applicazioni di tracciamento: Il BLE è ampiamente utilizzato nelle applicazioni IoT che richiedono la trasmissione solo di brevi raffiche di informazioni. Questo aspetto è importante in applicazioni come il tracciamento dei beni e la gestione delle flotte.

In conclusione, possiamo utilizzare BLE per le applicazioni IoT nelle reti PAN che richiedono un basso consumo energetico e una bassa communicazione del carico utile.

BLE Beacons

I beacon BLE sono piccoli dispositivi di trasmissione che utilizzano la tecnologia di comunicazione BLE co1TP14 per trasmettere brevi raffiche di messaggi ai dispositivi in ascolto. Sono dispositivi unidirezionali alimentati a batteria e sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di marketing di prossimità e in altre applicazioni IoT di tracciamento. Attualmente esistono due famosi fornitori di beacon BLE, vale a dire:

• Eddystone di Google
• iBeacon di Apple

Conclusione

Il BLE è ampiamente utilizzato nelle applicazioni PAN IoT a basso consumo, principalmente per applicazioni di automazione domestica, dispositivi di tracciamento e applicazioni di marketing di prossimità. Con il crescente supporto di BLE, è un buon candidato per le applicazioni IoT e dovrebbe essere tra i primi posti nelle vostre scelte.