Co to jest BLE (Bluetooth Low Energy) i jak działa?

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 Aplikacje 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

Działanie BLE jest dokładnie wyjaśnione za pomocą pięciu stanów łącza, które definiują różne etapy nawiązywania połączenia. Stany te są następujące:

• Stan reklamowy: Na tym etapie urządzenia przesyłają pakiety reklamowe na kanałach reklamowych.
• Stan skanowania: Na tym etapie urządzenia odbierają pakiety reklamowe bez zamiaru nawiązania połączenia.
• Stan inicjujący: Na tym etapie urządzenie zamierza ustanowić połączenie w odpowiedzi na przychodzące pakiety reklamowe.
• Stan gotowości: Na tym etapie urządzenia są niepodłączone.
• Stan połączenia: Na tym etapie nawiązywane jest połączenie między reklamodawcą (slave) a inicjatorem (master). Teraz master może być postrzegany jako urządzenie centralne, podczas gdy slave jest urządzeniem peryferyjnym.

BLE Architecture

Architektura BLE jest strukturalnie podobna do klasycznej architektury Bluetooth, jak omówiliśmy w naszym wcześniejszym artykule. Jednak główna różnica polega na warstwie fizycznej architektury, w której może działać w dwóch trybach, a mianowicie:

• Tryb podwójny
• Tryb pojedynczy

W trybie podwójnym zarówno BLE, jak i klasyczny Bluetooth mogą działać w harmonii w warstwie fizycznej. Podczas gdy w trybie pojedynczym może działać tylko jeden z nich. Wybór pomiędzy tymi dwoma trybami pracy zależy wyłącznie od interesującej nas aplikacji. W tym artykule skupimy się bardziej na profilach w architekturze BLE niż na jej poszczególnych komponentach.

GAP Profile

GAP to skrót od Generic Access Profile. Profil ten jest ważny w określaniu sposobu, w jaki różne urządzenia współdziałają ze sobą. Interakcje te obejmują następujące aspekty:

• Reklama
• Ustanowienie połączenia
• Bezpieczeństwo

W reklamie istotne jest, aby urządzenia nadawały wiadomości, wykrywały urządzenia i wysyłały dane reklamowe. Wszystkie te operacje są pomijane przez profil GAP. Ponadto, w związku z nawiązywaniem połączenia, obsługuje również akceptację połączenia, zakończenie połączenia i parametry połączenia. Wreszcie, jest on również odpowiedzialny za inicjowanie i ułatwianie odpowiednich środków bezpieczeństwa w urządzeniach.

ATT and GATT Profile

ATT oznacza Attribute Protocol i obsługuje definiowanie ról dla urządzeń biorących udział w połączeniu. Role te są definiowane na podstawie ich funkcjonalności po nawiązaniu połączenia. Serwer jest urządzeniem, które dostarcza usługi lub zasoby, podczas gdy klient jest urządzeniem oczekującym zasobów i usług. Warto wspomnieć, że urządzenie podrzędne nie zawsze staje się serwerem, podczas gdy urządzenie nadrzędne jest zawsze klientem. Zależy to od celu połączenia między dwoma węzłami. Rozważmy na przykład sytuację, w której połączenie BLE jest nawiązywane między urządzeniem śledzącym na nadgarstku a smartfonem. Gdy tracker wysyła tętno, działa jako serwer, podczas gdy smartfon działa jako klient. Teraz wyobraźmy sobie, że konieczne jest wyświetlenie czasu na opasce, w tym celu smartfon, który ma dostęp do Internetu, byłby serwerem, podczas gdy opaska jest klientem. Uchwyty profilu ATT zapewniają serwerowi środki do przechowywania danych w formacie, który ułatwia różne funkcje. W tym celu profil ATT wykorzystuje hierarchiczny model bazy danych.

W tym miejscu do gry wkracza GATT (Generic Attribute Profile). Jest on odpowiedzialny za definiowanie hierarchii danych w modelu bazy danych. W tym celu wykorzystuje strukturę przypominającą drzewo z czterema poziomami, a mianowicie od góry do dołu:

• Profil: Odnosi się do węzła głównego
• Usługi: Służą one do organizowania różnych typów danych
• Charakterystyka: Są to podstawowe jednostki przechowywania w strukturze drzewa
• Wartość i deskryptory: Wartość to pojedyncza wartość definiująca cechę, podczas gdy deskryptory to wiele wartości używanych do definiowania cech.

Profil GATT można w pełni zrozumieć na przykładzie. Na przykład, urządzenie śledzące bicie serca może mieć następujące profile:

• Profil pomiaru tętna
• Profil informacyjny urządzenia

Rozważmy teraz profil pomiaru tętna, profil ten może mieć następujące usługi:

• Usługa pomiaru tętna
• Usługa pomiaru ciała

Tak więc każda z powyższych usług miałaby inną charakterystykę z wartościami i deskryptorami mierzonymi przez tracker. Na przykład usługa tętna miałaby charakterystykę bicia serca o wartości 69 bpm (uderzeń na minutę).

BLE Security

Głównymi rodzajami ataków, na które narażone są BLE i klasyczny Bluetooth, są ataki podsłuchowe i ataki typu man-in-the-middle. BLE posiada interesujące funkcje minimalizujące ryzyko związane z tymi atakami. Cechy te są następujące:

• Porównanie numeryczne: W tym przypadku dwa urządzenia końcowe wygenerują wartość liczbową, która zostanie ręcznie zweryfikowana po wyświetleniu na obu urządzeniach.
• Passkey Entry: Tutaj urządzenie nieinicjujące generuje losowe ziarno zwane nonce w celu uwierzytelnienia połączenia.
• Po prostu działa: W tym przypadku urządzenie nieinicjujące generuje nonce z wartością potwierdzenia, która jest potwierdzana w stosunku do wartości potwierdzenia innych urządzeń końcowych po przekazaniu nonce.
• Out-of-band (OOB): Tutaj komunikacja co1TP14 jest zabezpieczona przez dodatkowy kanał komunikacji co1TP14, taki jak Wi-Fi i NFC (Near Field Communication).

Applications of BLE

BLE jest dobrym kandydatem do aplikacji IoT i M2M o niskim poborze mocy PAN (Personal Area Network). Zastosowania te obejmują zarówno proste systemy automatyki domowej, jak i aplikacje przemysłowe na dużą skalę. Niektóre z zastosowań BLE to:

• Automatyka domowa: BLE stało się popularnym wyborem, jeśli chodzi o aplikacje automatyki domowej. Te inteligentne aplikacje IoT obejmują inteligentne gniazdka, inteligentne zamki, inteligentne światła i inteligentne czujniki bezpieczeństwa.
• Śledzenie lokalizacji w pomieszczeniach: Pomimo dostępności technologii takich jak GPRS, BLE jest bardziej niezawodną techniką nawigacji ze względu na jej odporność na zakłócenia.
• Aplikacje śledzące: BLE jest szeroko stosowany w aplikacjach IoT, które wymagają jedynie krótkich serii informacji do transmisji. Jest to ważne w aplikacjach takich jak śledzenie zasobów i zarządzanie flotą.

Podsumowując, możemy wykorzystać BLE w aplikacjach IoT w sieciach PAN, które wymagają niskiego zużycia energii i komunikacji o niskiej ładowności.

BLE Beacons

Sygnalizatory BLE to małe urządzenia nadawcze, które wykorzystują technologię BLE communication do nadawania krótkich serii wiadomości do urządzeń nasłuchujących. Są to jednokierunkowe urządzenia zasilane bateryjnie i są szeroko stosowane w aplikacjach marketingu zbliżeniowego i innych aplikacjach śledzących IoT. Obecnie istnieje dwóch znanych dostawców beaconów BLE, a mianowicie:

• Eddystone by Google
• iBeacon firmy Apple

Wnioski

BLE jest szeroko stosowany w aplikacjach PAN IoT o niskim poborze mocy, głównie w aplikacjach automatyki domowej, urządzeniach śledzących i aplikacjach marketingu zbliżeniowego. Wraz z rosnącym wsparciem dla BLE, jest to dobry kandydat do zastosowań IoT, który powinien znaleźć się wysoko w rankingu.