Что такое BLE (Bluetooth Low Energy) и как он работает?

Что такое BLE?

BLE означает Bluetooth Low Energy, который был представлен как часть стандарта Bluetooth 4.0. Его цель - помочь малопотребляющим устройствам IoT (Интернета вещей) и Приложения M2M в пределах короткого радиуса действия. Это очень важно для реализации многих современных IoT-устройств, которые питаются от батарей. Как классические Технология BluetoothBLE работает в режиме 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical), унаследовав при этом некоторые черты своего предшественника и уделив больше внимания низкому энергопотреблению. Максимальное энергопотребление приложения BLE составит от 0,01 Вт до 0,5 Вт, при этом скорость работы будет такой же, как у классического Bluetooth.

Разница между BLE и классическим Bluetooth

Основное различие между классическим Bluetooth и BLE заключается в потребляемой мощности. Однако есть и другие существенные отличия, обусловленные архитектурными различиями в каждом случае. Использование 24-битных адресов по сравнению с 3-битной адресацией в классическом Bluetooth позволяет BLE подключаться к 20 соединениям одновременно, в то время как классический Bluetooth поддерживает только 7 соединений.

Кроме того, BLE имеет преимущество по сравнению с классическим Bluetooth, когда речь идет о допустимой задержке в соединениях. Классический Bluetooth обеспечивает задержку всего около 100 мс, в то время как BLE предлагает улучшенную задержку в 6 мс. Несмотря на улучшенную задержку, BLE может предложить только скорость от 125 кбит/с до 2 Мбит/с, в то время как классический Bluetooth может предложить скорость до 3 Мбит/с. Наконец, BLE может предложить только одностороннюю связь без поддержки голоса. Классический Bluetooth имеет возможность двунаправленной связи communication и поддержку голоса.

Как работает BLE?

В отличие от классического Bluetooth, где информация передается непрерывно, BLE посылает ее всплесками, тем самым увеличивая время пребывания в состоянии ожидания. Для этого BLE использует 40 каналов, каждый из которых разделен двумя MHz. Из этих 40 каналов три рекламных канала первоначально начинают соединение, отправляя рекламные пакеты. Остальные 37 каналов известны как вторичные рекламные каналы и обрабатывают данные communication.

Мы можем определить три основных типа узлов в сети BLE, а именно:

• Рекламодатель
• Сканер
• Инициатор

Рекламодатель - это устройство, передающее рекламные пакеты. Сканер - это устройство, которое получает эти пакеты без намерения установить соединение. Если сканирующее устройство хочет установить соединение, оно называется инициатором. После установления соединения рекламодатель называется ведомым, а инициатор - ведущим. В BLE каждый ведущий и один ведомый называются пикосетью. Однако один мастер может образовывать множество пикосетей с различными ведомыми одновременно. Также, эквивалентным образом, ведомый может иметь множество связей с более чем одним ведущим.

Диаграмма состояний

Работа BLE объясняется с помощью пяти состояний связи, которые определяют различные этапы установления соединения. Эти состояния выглядят следующим образом:

• Состояние рекламы: На этом этапе устройства передают рекламные пакеты по рекламным каналам.
• Состояние сканирования: На этом этапе устройства получают рекламные пакеты без намерения установить соединение.
• Состояние инициирования: На этом этапе устройство намеревается установить соединение в ответ на входящие рекламные пакеты.
• Состояние ожидания: На этом этапе устройства не подключены.
• Состояние подключения: На этом этапе устанавливается соединение между рекламодателем (ведомым) и инициатором (ведущим). Теперь ведущее устройство можно рассматривать как центральное, а ведомое - как периферийное.

Архитектура BLE

Архитектура BLE структурно похожа на классическую архитектуру Bluetooth, о которой мы рассказывали в нашей предыдущей статье. Однако основное отличие заключается в физическом уровне архитектуры, где она может работать в двух режимах, а именно:

• Двойной режим
• Одиночный режим

В режиме Dual и BLE, и классический Bluetooth могут согласованно работать на физическом уровне. В то время как в режиме Single может работать только один из них. Выбор между этими двумя режимами работы зависит исключительно от интересующего вас приложения. В этой статье мы больше сосредоточимся на профилях в архитектуре BLE, чем на отдельных ее компонентах.

Профиль GAP

GAP расшифровывается как Generic Access Profile. Этот профиль важен для определения того, как различные устройства взаимодействуют друг с другом. Это взаимодействие включает в себя следующие аспекты:

• Реклама
• Установление соединения
• Безопасность

В рекламе устройствам необходимо передавать сообщения, обнаруживать устройства и отправлять рекламные данные. Все эти операции учитываются профилем GAP. Более того, в связи с установлением соединения он также отвечает за прием соединения, его завершение и параметры соединения. Наконец, он также отвечает за инициирование и поддержку соответствующих мер безопасности в устройствах.

Профиль ATT и GATT

ATT расшифровывается как Attribute Protocol (протокол атрибутов) и служит для определения ролей устройств, участвующих в соединении. Эти роли определяются на основе их функциональности после установки соединения. Сервер - это устройство, которое будет предоставлять услуги или ресурсы, а клиент - устройство, ожидающее ресурсы и услуги. Стоит отметить, что ведомый не всегда становится сервером, в то время как ведущий всегда является клиентом. Это зависит от цели соединения между двумя узлами. Например, рассмотрим ситуацию, когда BLE-соединение устанавливается между браслетом-трекером и смартфоном. Когда трекер отправляет данные о частоте сердечных сокращений, он выступает в роли сервера, а смартфон - в роли клиента. Теперь представьте, что необходимо отобразить время на браслете, для этого смартфон, имеющий доступ к интернету, будет сервером, а браслет - клиентом. Ручки профиля ATT предоставляют серверу средства для хранения данных в формате, который облегчает работу различных функций. Для этого в профиле ATT используется иерархическая модель базы данных.

Именно здесь в игру вступает GATT (Generic Attribute Profile). Он отвечает за определение иерархии данных в модели базы данных. Для этого он использует древовидную структуру с четырьмя уровнями, а именно сверху вниз:

• Профиль: Это относится к корневому узлу
• Сервисы: Они используются для организации различных типов данных
• Характеристики: Это основные единицы хранения в древовидном каркасе
• Значение и дескрипторы: Значение - это одно значение для определения характеристики, а дескрипторы - это несколько значений, используемых для определения характеристик.

Профиль GATT можно понять на примере. Например, устройство отслеживания сердцебиения может иметь следующие профили:

• Профиль измерения частоты сердечных сокращений
• Информационный профиль устройства

Теперь рассмотрим профиль измерения частоты сердцебиения. Этот профиль может иметь следующие службы:

• Сервис измерения пульса
• Услуги по измерению тела

Таким образом, каждая из вышеперечисленных служб будет иметь различные характеристики со значениями и дескрипторами, измеряемыми трекером. Например, служба пульса будет иметь характеристики сердцебиения со значением 69 bpm (ударов в минуту).

Безопасность BLE

Основные типы атак, которым подвержены BLE и классический Bluetooth, - это подслушивание и атака "человек посередине". BLE обладает интересными функциями, позволяющими минимизировать риски, связанные с этими атаками. К ним относятся:

• Численное сравнение: Здесь два конечных устройства генерируют числовое значение, которое будет проверено вручную после того, как оно отобразится на обоих устройствах.
• Ввод ключа: Здесь неинициирующее устройство генерирует случайное семя, называемое nonce, для аутентификации соединения.
• Просто работает: Здесь неинициирующее устройство генерирует nonce со значением подтверждения, которое после передачи nonce подтверждается значением подтверждения другого конечного устройства.
• Внеполосная связь (OOB): здесь ко1TP14коммуникация защищена через вторичный канал ко1TP14коммуникации, такой как Wi-Fi и NFC (Near Field Communication).

Области применения BLE

BLE - хороший кандидат для IoT и M2M приложений с низким энергопотреблением PAN (Personal Area Network). Эти приложения варьируются от простых систем домашней автоматизации до крупномасштабных промышленных приложений. К числу приложений BLE относятся:

• Домашняя автоматизация: BLE стал популярным выбором, когда речь идет о приложениях для домашней автоматизации. К таким IoT и интеллектуальным приложениям относятся умные розетки, умные замки, умные светильники и умные датчики безопасности.
• Отслеживание местоположения в помещении: Несмотря на наличие таких технологий, как GPRS, BLE является более надежной навигационной техникой благодаря своей устойчивости к помехам.
• Приложения для отслеживания: BLE широко используется в приложениях IoT, где требуется передавать только короткие всплески информации. Это важно для таких приложений, как отслеживание активов и управление автопарком.

В заключение можно сказать, что BLE может использоваться для IoT-приложений в сетях PAN, которые требуют низкого энергопотребления и малой полезной нагрузки communication.

BLE-маяки

BLE-маячки - это небольшие передающие устройства, использующие технологию BLE communication для передачи коротких импульсов сообщений на прослушивающие устройства. Это однонаправленные устройства с батарейным питанием, которые широко используются в приложениях бесконтактного маркетинга и других отслеживающих IoT-приложениях. В настоящее время существует два известных производителя BLE-маяков, а именно:

• Eddystone от Google
• iBeacon от Apple

Заключение

BLE широко используется в маломощных приложениях PAN IoT, в основном ориентированных на домашнюю автоматику, устройства слежения и приложения для бесконтактного маркетинга. С ростом поддержки BLE это хороший кандидат для IoT-приложений, который должен занять важное место в вашем выборе.