BLE(저전력 블루투스)란 무엇이며 어떻게 작동하나요?

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 M2M 애플리케이션 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

BLE 작동은 연결 설정의 다양한 단계를 정의하는 5가지 링크 상태를 사용하여 정확하게 설명합니다. 이러한 상태는 다음과 같습니다:

• 광고 상태: 이 단계에서 디바이스는 광고 채널에서 광고 패킷을 전송합니다.
• 스캔 상태: 이 단계에서는 디바이스가 연결을 설정할 의도 없이 광고 패킷을 수신합니다.
• 시작 상태: 이 단계에서 디바이스는 수신되는 광고 패킷에 대한 응답으로 연결을 설정하려고 합니다.
• 대기 상태: 이 단계에서는 장치가 연결되지 않은 상태입니다.
• 연결 상태: 이 단계에서는 광고주(슬레이브)와 이니시에이터(마스터) 간의 연결이 설정됩니다. 이제 마스터는 중앙 디바이스로, 슬레이브는 주변 디바이스로 볼 수 있습니다.

BLE Architecture

BLE 아키텍처는 이전 기사에서 설명한 것처럼 구조적으로 클래식 블루투스 아키텍처와 유사합니다. 그러나 가장 큰 차이점은 아키텍처의 물리적 계층에서 두 가지 모드로 작동할 수 있다는 점입니다:

• 듀얼 모드
• 단일 모드

듀얼 모드에서는 BLE와 클래식 블루투스가 모두 물리 계층에서 조화롭게 작동할 수 있습니다. 반면, 단일 모드에서는 둘 중 하나만 작동할 수 있습니다. 두 작동 모드 중 하나를 선택하는 것은 전적으로 관심 있는 애플리케이션에 따라 달라집니다. 이 문서에서는 개별 구성 요소보다 BLE 아키텍처의 프로파일에 더 중점을 두겠습니다.

GAP Profile

GAP는 일반 액세스 프로필의 약자입니다. 이 프로필은 서로 다른 장치가 서로 상호 작용하는 방식을 결정하는 데 중요합니다. 이러한 상호 작용에는 다음과 같은 측면이 있습니다:

• 광고
• 연결 설정
• 보안

광고에서는 디바이스가 메시지를 브로드캐스트하고, 디바이스를 검색하고, 광고 데이터를 전송하는 것이 필수적입니다. 이러한 모든 작업은 GAP 프로파일에서 간과됩니다. 또한 연결 설정과 관련하여 연결 수락, 연결 종료 및 연결 매개변수도 처리합니다. 마지막으로, 디바이스에서 관련 보안 조치를 시작하고 촉진하는 역할도 담당합니다.

ATT and GATT Profile

ATT는 속성 프로토콜의 약자로 연결에 참여하는 디바이스의 역할을 정의하는 작업을 처리합니다. 이러한 역할은 연결을 설정한 후 기능에 따라 정의됩니다. 서버는 서비스나 리소스를 제공하는 장치이고 클라이언트는 리소스와 서비스를 기대하는 장치입니다. 마스터가 항상 클라이언트인 반면 슬레이브가 항상 서버가 되는 것은 아니라는 점을 언급할 필요가 있습니다. 이는 두 노드 간의 연결 목적에 따라 달라집니다. 예를 들어 손목 밴드 트래커와 스마트폰 사이에 BLE 연결이 설정된 상황을 생각해 보겠습니다. 트래커가 심박수를 전송하면 트래커는 서버 역할을 하고 스마트폰은 클라이언트 역할을 합니다. 이제 손목 밴드에 시간을 표시해야 한다고 가정하면, 이를 위해 인터넷에 액세스할 수 있는 스마트폰이 서버가 되고 손목 밴드는 클라이언트가 됩니다. ATT 프로파일 핸들은 서버가 다양한 기능을 쉽게 사용할 수 있는 형식으로 데이터를 저장할 수 있는 수단을 제공합니다. 이를 위해 ATT 프로필은 계층적 데이터베이스 모델을 사용합니다.

여기서 GATT(일반 속성 프로필)가 등장합니다. 데이터베이스 모델에서 데이터 계층 구조를 정의하는 역할을 담당합니다. 이를 위해 위에서 아래로 4단계로 구성된 트리형 프레임워크를 사용합니다:

• 프로필: 루트 노드를 나타냅니다.
• 서비스: 서비스: 다양한 유형의 데이터를 구성하는 데 사용됩니다.
• 특성: 트리 프레임워크의 기본 저장 단위입니다.
• 값과 설명자: 값은 특성을 정의하는 단일 값이고 설명자는 특성을 정의하는 데 사용되는 여러 값입니다.

GATT 프로필은 예를 통해 충분히 이해할 수 있습니다. 예를 들어, 심장 박동 추적기에는 다음과 같은 프로필이 있을 수 있습니다:

• 심박수 측정 프로필
• 디바이스 정보 프로필

이제 심박수 측정 프로필을 고려해 보겠습니다. 이 프로필에는 다음과 같은 서비스가 있을 수 있습니다:

• 심박수 서비스
• 신체 측정 서비스

따라서 위의 각 서비스는 트래커가 측정한 값과 설명자에 따라 서로 다른 특성을 갖게 됩니다. 예를 들어, 심박수 서비스는 69bpm(분당 박동 수)의 심박수 특성을 갖습니다.

BLE Security

BLE 및 클래식 블루투스가 취약한 주요 공격 유형은 도청 및 중간자 공격입니다. BLE에는 이러한 공격으로 인한 위험을 최소화하기 위한 흥미로운 기능이 있습니다. 이러한 기능은 다음과 같습니다:

• 숫자 비교: 여기서 두 개의 최종 디바이스는 숫자 값을 생성하고 두 디바이스에 표시된 후 수동으로 유효성을 검사합니다.
• 패스키 입력: 여기서 비개시 장치는 연결을 인증하기 위해 논스라는 임의의 시드를 생성합니다.
• 그냥 작동합니다: 여기서 비개시 장치는 논스를 전달한 후 다른 엔드 디바이스 확인 값과 비교하여 확인 값으로 논스를 생성합니다.
• 대역 외(OOB): Wi-Fi 및 NFC(근거리무선통신)와 같은 communication의 보조 채널을 통해 보안이 유지됩니다.

Applications of BLE

BLE는 저전력 PAN(개인 영역 네트워크) IoT 및 M2M 애플리케이션에 적합한 솔루션입니다. 이러한 애플리케이션은 간단한 홈 자동화 시스템부터 대규모 산업 애플리케이션까지 다양합니다. BLE의 몇 가지 응용 분야는 다음과 같습니다:

• 홈 자동화: BLE는 홈 오토메이션 애플리케이션에서 널리 사용되고 있습니다. 이러한 IoT 및 스마트 애플리케이션에는 스마트 소켓, 스마트 잠금 장치, 스마트 조명, 스마트 보안 센서가 포함됩니다.
• 실내 위치 추적: GPRS와 같은 기술을 사용할 수 있음에도 불구하고 BLE는 간섭에 대한 성능으로 인해 더 안정적인 내비게이션 기술입니다.
• 추적 애플리케이션: BLE는 짧은 정보만 브로드캐스트해야 하는 IoT 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 이는 자산 추적 및 차량 관리와 같은 애플리케이션에서 중요합니다.

결론적으로, 저전력 소비와 낮은 페이로드가 필요한 PAN 네트워크의 IoT 애플리케이션에 BLE를 사용할 수 있습니다.

BLE Beacons

BLE 비콘은 BLE communication 기술을 활용하여 수신 장치에 짧은 메시지를 전송하는 소형 전송 장치입니다. 단방향 배터리 구동식 장치로, 근접 마케팅 애플리케이션 및 기타 추적 IoT 애플리케이션에 널리 사용됩니다. 현재 BLE 비콘의 유명한 공급업체는 두 곳이 있습니다:

• Google의 에디스톤
• Apple의 iBeacon

결론

BLE는 주로 홈 자동화 애플리케이션, 추적 장치, 근접 마케팅 애플리케이션에 중점을 둔 저전력 PAN IoT 애플리케이션에 널리 사용됩니다. BLE에 대한 지원이 증가함에 따라 IoT 애플리케이션의 선택 순위에서 높은 순위를 차지할 수 있는 좋은 후보입니다.