B L U E T O O T H. Mobile Systeme Sommersemester 2003 Prof. Dr. Krämer. Patrick Gerdsmeier und Pierre Smiths

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1 Mobile Systeme Sommersemester 2003 Prof. Dr. Krämer Patrick Gerdsmeier und Pierre Smiths B L U E T O O T H Einleitung Geschichte Spezifikation Protokolle Transport Middleware Profile Fazit

2 E I N L E I T U N G -- IEEE b Standard -- Kabellose Verbindung zwischen elektronischen -- Geräten -- Benannt nach dem dänischen König Blatand

3 E I N L E I T U N G -- Entwickelt um individuelle, High-Speed Interaktivität -- Verbindungen zu WANs zu ermöglichen -- Erlaubt den kabellosen Austausch von -- Daten zur Kommunikation -- Kann als Ersatz für Kabelverbindungen dienen -- Schnittstellendefinition für Datenservices

4 G E S C H I C H T E -- Entwickelt seit 1998 von der -- Bluetooth Special Interest Group (SIG) -- Zusammenschluß von Ericsson, IBM, Intel, Nokia -- und Toshiba -- Entwickelt werden sollte eine Lösung für weltweite -- drahtlose, Kurzstreckenverbindungen im -- unlizensierten 2.4 GHz-Bereich -- Der Arbeitsname Bluetooth wurde -- übernommen und könnte zur Akzeptanz beitragen

5 S P E Z I F I K A T I O N -- Geschrieben in prosaischer Form, weniger formal; -- dadurch sind Interpretationen möglich -- Aufbau in Transport- und Middleware-Protokollen -- Transportprotokoll wurde extra für die Bluetooth-wireless -- Technologie entworfen; über diese Schicht laufen alle -- Übertragungen -- Middleware-Protokolle können optional eingesetzt werden

6 S P E Z I F I K A T I O N :: A u f b a u

7 P R O T O K O L L E :: T r a n s p o r t Radio: -- sendet im lizenzfreien Bereich 2,402-2,481 GHz (79 Mhz Breite) -- Frequenzen ändern sich 1600 mal/sekunde = alle 625 us -- Reine Übertragungsgeschwindigkeit beträgt 1 Mb/sek -- Drei Klassen für die Übertragungsstärke --( 100 mw 2,5 mw 1 mw )

8 P R O T O K O L L E :: T r a n s p o r t Baseband: -- Enthält die Schlüsselprozeduren, die zur Übertragung --zwischen Geräten benötigt werden -- Definiert und erstellt die Netzverbindung

9 P R O T O K O L L E :: A d r e s s e u n d U h r -- Jedes Bluetooth-Gerät besitzt zwei Parameter: -- Eine einzigartige, feste Adresse: BM_ADDR (48Bit) -- Eine laufende Uhr (28Bit) jede 312,5 us also 2x -- pro Frequenzwechsel -- Zur Kommunikation untereinander werden diese -- Parameter angegeben

10 P R O T O K O L L E :: P i c o n e t s -- Sammlung von Bluetooth-Geräten, die miteinander --kommunizieren können -- Ein Master mit bis zu sieben Slaves in einem Piconet -- Master kontrolliert den Kommunikationsverkehr, identifiert --Slaves mit einer lokal einzigartigen active member address -- --(AM_ADDR) -- Slaves treiben aktive Kommunikation

11 P R O T O K O L L E :: P i c o n e t s -- Master/Slave Zuordnung kann sich jederzeit ändern. -- Mehrere Piconets können sich zu einem Scatternet --zusammensetzen -- Ein Master kann in einem Scatternet auch gleichzeitig Slave --sein -- Der Kommunikationskanal ist eine Sequenz von --Frequenzsprüngen (alle 625 us)

12 P R O T O K O L L E :: P i c o n e t s + S c a t t e r n e t s

13 P R O T O K O L L E :: P i c o n e t s -- Zur Zeitsynchronisation wird die Uhr des Masters eingesetzt -- Slots werden in gerade und ungerade unterteilt -- Master sendet in geraden, Slaves in ungeraden Slots -- Kommunikationsaufbau: --inquiry phase: Master, sendet Daten zu seiner Präsenz Slaves scannen und erwidern diese Daten --paging phase: Master spricht die Slaves explizit an.

14 P R O T O K O L L E :: D a t e n a u s t a u s c h -- Synchrone (SCO) und Asynchrone (ACL) Verbindungen sind möglich -- Bis zu drei synchrone Verbindungen gleichzeitig in einem Piconet -- SCO-Verbindungen unterstützen Audio-Übertragungen von bis --zu 64 Kb/s in beide Richtungen -- Übertragungspakete beinhalten einen Access-Code, der zur --Unterscheidung von Daten in verschiedenen Piconets benötigt wird -- Pakettypen sind: ID, POLL/NULL, FHS, ACL/SCO und DV

15 P R O T O K O L L E :: P a c k e t t y p e n ID -- Enthält nur den Access-Code (AC) -- Benutzt in der inquiry phase und zur Synchronisation AC 72 Bit

16 P R O T O K O L L E :: P a c k e t t y p e n POLL/NULL -- Enthält AC, sowie einen Header (BB_header) -- BB_header: Enthält Zieladresse, Pakettyp, Flags und einen Errorcheck -- Benutzt um einen Slave anzusprechen, ohne ihm Daten zu senden -- Mit dem NULL-Packet kann eine Nachricht bestätigt werden AC BB_header 72 Bit 54 Bit (1/3 FEC)

17 P R O T O K O L L E :: P a c k e t t y p e n FHS (Frequency hopping sequence) -- Enthält AC, BB_header sowie eine FHS-payload -- Benutzt um ein Piconet zu initiieren -- Übergibt die BD_ADDR, die AM_ADDR und die Zeit-Information AC BB_header FHS payload 72 Bit 54 Bit (1/3 FEC) 240 Bit (2/3 FEC)

18 P R O T O K O L L E :: P a c k e t t y p e n ACL/SCO -- Enthält AC, BB_header sowie eine ACL oder SCO-payload -- Benutzt um Daten zu senden AC BB_header ACL oder SCO payload 72 Bit 54 Bit (1/3 FEC) Bit ({1, 2, 3}/3 FEC)

19 P R O T O K O L L E :: P a c k e t t y p e n DV -- Enthält AC, BB_header, eine SCO und eine ACL-payload -- Benutzt um asynchrone Daten an eine SCO-Verbindung zu senden AC BB_header SCO payload ACL payload 72 Bit 54 Bit (1/3 FEC) 80 Bit Bit (2/3 FEC)

20 P R O T O K O L L E :: L i n k M a n a g e r Das Link Manager-Protokoll (LMP) -- Transaktions-Protokoll zwischen zwei Geräten -- Setzt die Eigenschaften und lernt die Features des anderen -- Dient insbesondere zur Authentifizierung und eventueller --Verschlüsselung -- SCO-Verbindungen werden über LMP-Transaktionen gestartet -- Werden im playload eines ACL-Pakets transportiert

21 P R O T O K O L L E :: L i n k M a n a g e r Sicherheitsprozeduren -- Authentifizierungs- und Verschlüsselungsalgorithmen sind Teil --des Basebands -- Authentifizierung läuft über einen link-key, der auf einer --jederzeit zu übermittelnden PIN basiert

22 P R O T O K O L L E :: L i n k M a n a g e r Sicherheitsprozeduren -- Vorgang: ein Claimant will sich bei einem Challenger anmelden Challenger sendet ein LMP-Packet, welches eine Zufallszahl übermittelt Claimant verschlüsselt die Daten und sendet sie zurück Challenger vergleicht das Ergebnis mit dem erwarteten -- Bei verschlüsselten Verbindungen werden alle Pakete mit einem --anderen Schlüssel verschlüsselt

23 P R O T O K O L L E :: L i n k M a n a g e r Low-Power Modus -- Sniff-Mode: Slave vereinbart mit Master nur periodisch zu lauschen -- Hold-Mode: Verbindung wird für eine definierte Zeit unterbrochen -- Park-Mode: AM_ADDR geht verloren. Device kann sich jederzeit --wieder anmelden

24 P R O T O K O L L E :: M i d d l e w a r e

25 P R O T O K O L L E :: H F I Das Host-Controller Interface (HFI) -- Interface um an tiefere Layer heranzukommen -- Instruktionen ans Baseband wie z.b Verbindungen erstellen

26 P R O T O K O L L E :: L 2 C A P Das Logical Link Controll & Adaption Protokoll (L2CAP) -- Stellt ein Interface für höhere Schichten dar -- In diesem Layer ist das Master/Slave-Konzept unsichtbar -- Unterstützt multiplexing, Pakete können größer sein als die des --Basebands

27 P R O T O K O L L E :: M i d d l e w a r e

28 P R O T O K O L L E :: M i d d l e w a r e Das Service Discovery Protokoll (SDP): -- Stellt Informationen über Services zur Verfügung -- UUIDs beschreiben Services und Service-Attribute so dar, --daß keine zentrale Registrierung notwendig ist

29 P R O T O K O L L E :: M i d d l e w a r e Das RFCOMM-Protokoll (RFCOMM): -- Emuliert eine RS232 serielle Schnittstelle -- Software, die auf seriellen Schnittstellen aufbaut ist leicht --anzupassen

30 P R O T O K O L L E :: M i d d l e w a r e Das Telephony Control Signaling-Protokoll (TCS): -- Dient zur Ansteuerung von Telefonen über die AT-Kommandos -- Benutzt das RFCOMM

31 P R O T O K O L L E :: P r o f i l e Bluetooth Profiles: -- Framework für Applikationen -- Profile basieren auf dem Generic Access Profile (GAP)

32 F A Z I T Fazit -- Die Bluetooth Technologie ist eine Spezifikation von einer kleinen, günstigen Verbindung über kurze Strecken -- Übertragung beginnt ab ca. 2.4 GHz und springt zwischen den Frequenzen -- Durch das Applikations-Framework können problemlos Anwendungen entwickelt werden.

33 B L U E T O O T H SCATTERNET ROUTE STRUCTURE Probleme in Scatternets Routing-basiertes Scatternet Vor- und Nachteile Struktur Routenfindung verbindungsorientiert verbindungslos Aufbau der Route Scheduling Performancesteigerung Fazit Literatur

34 Vor- und Nachteile -- der herkömmliche big scatternet Aufbau erfolgt bei -- Initialisierung und wenn neue hinzugefügte Geräte -- Aufrechterhaltung des Netzzustandes über periodisches -- Senden von Daten => Energieverschwendung -- Lösungsvorschlag: -- Scatternets nur entlang von Routen mit Datenverkehr -- on demand aufbauen => Scatternet-Route-Structure

35 Routen-basierte vs. "big scatternet" Struktur Routen-basiert big scatternet Netzwerküberdeckung datenverkehrabhängig Routing Ja, Aufbau nur bei Bedarf, anschließend sofortiger Abbau Nur entlang benötigter Routen Scatternet-Struktur und Routing kombiniert Nein, permanente Instandhaltung aller Verbindungen Vollständig Getrennte Protokolle für Struktur und Routing

36 Struktur einer Scatternet-Route Einfache Typen einer Struktur Quelle Ziel Master Slave Master / Slave (gemischte Rolle)

37 Struktur einer Scatternet-Route in der Umsetzung - gemischte Struktur Quelle Ziel => Quelle Ziel Ungenutztes Gerät

38 Routenfindung "on demand" -- Fluten eines "route-discovery-packets" RDP -- L2CAP Broadcast : -- - Nachbarn finden + auflisten -- - broadcast des RDP -- - t(next hop) = 10,24 s + 0,64 s * #Nachbarn -- - t(last hop) = 10,24 s + 0,64 s -- LMP Broadcast -- - RDP wird direkt an jeden gefundenen Nachbarn geschickt -- - t ( 10,24 s + 0,64 s ) * #hops -- - Finden der Nachbarn entfällt bei bekanntem Piconet

39 Routenfindung "on demand" Extended ID (EID) broadcast (verbindungslos) -- EID besteht aus: - Knoten-, Upstream- und Zieladresse, Paketnr., TTL, EID Typ - -> insgesamt mindestens 182 Bit -- normalerweise 68 Bit pro Paket -- durch Reduktion des Zeitbedarfs für den Frequenzwechsel von 244,5 auf 100us entsteht Platz für weitere 144 Bit - => Aufteilung in 2 Pakete -- RDP wird in inquiry Nachricht gepackt -- bei Inquiry Scan Intervallen (ISI) von höchstens 2,56s => t 2,56 * #hops

40 Aufbau der Scatternet Route -- Zielgerät schickt ein route-reply-packet RRP entlang der gefundenen Route zurück -- an RRP werden Eigen-Information eines Gerätes angehängt (Master/Slave, Adresse, Clock,...) -- Empfangendes Gerät kann sich so zur Route hinzufügen => Funktionalität des RRP -- Aufbau des Scatternets mit alternierenden Master und Slave Geräten -- Aufbau von Routing-Tabellen -- Synchronisation einer Route bis zur Quelle

41 Scheduling -- Funktionsfähige Route -- reglemäßiger Test der Nachbargeräte auf Datenübertragung -- pro Paket legt die Quelle eine der Menge der Daten -- angepasste visit period (VP) fest -- Fairness zwischen konkurrierenden Routen -- Overhead durch Routenwechsel in einem Gerät wird minimiert -- indem die Geräte an Kreuzungspunkten länger auf einer -- Route verweilen -- Wechsel zwischen Routen funktioniert nach bestimmten Schema --nicht versendbare Pakete werden bis zum Routenwechsel --gesammelt

42 Performancesteigerung Verbesserung der Geschwindigkeit durch: -- größere Pakete (Overhead + Verzögerungszeit geringerer) -- Verkürzung der VP (Widerspruch zu großen Paketen) -- Synchronisation der Route (Verzögerung bei Piconetzwechsel entfällt) -- Verwendung von verbindungslosen EID-Paketen bei der Initialisierung -- Verkürzung des ISI (=> mehr Aktivität => höherer Energiebedarf)

43 Fazit Unterschied zu herkömmlichen Scatternets: -- Viel geringerer Energieverbrauch -- einfacheres Routing -- relativ langer Verbindungsaufbau

44 Literatur [1] Y. Liu, M. J. Lee, T. N. Saadawi: A Bluetooth Scatternet-Route Structure for Multihop Ad Hoc Networks (Paper) [2] (developer information) [3] (Technology) [4] F. Siegemund, M. Rohs: Rendezvous Layer Protocols for Bluetooth- Enabled Smart Devices [5] F. Kohlmayer: Bluetooth (Vorlesung) [6] unbekannt: Bluetooth - System für kabellose Personal-Area- Netzwerke [7] B. Glaus: Topologieerzeugung in ad hoc Netzen [8] M. Günes, O. Spaniol: Routing Algorithms for Mobile Multi-Hop Ad- Hoc Networks (Paper)