Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2017

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1 KAPITEL 5: BLUETOOTH PROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION 1. Einleitung BLUETOOTH Standardisierung durch Bluetooth-SIG: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba, aktuell knapp Mitglieder (laut Anwendungen Anbindung von Peripheriegeräten Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer, Drucker Unterstützung von Ad-hoc-Netzwerken kleine, billige Geräte Verbindung von Netzwerken beispielweise LTE über Handy - Bluetooth - Laptop Einfacher, billiger Ersatz für IrDA eingeschränkte Reichweite relativ niedrige Datenraten Bluetooth- Piconetz 141 Fachgebiet Kommunikationsnetze 1

2 1. Einleitung WER WAR BLUETOOTH Harald II, genannt Blätand, (ca ) König von Dänemark ( ) Vereinte im 10. Jahrhundert Dänemark und Norwegen Synonym für fortschrittliches Denken auf Basis eines großen Grundgedankens In diesem Sinne: Vereinigung führender Technologiefirmen Verabschiedung eines weltweit anerkannten Standards Quelle: Der Bluetooth-Standard DAS BLUETOOTH-SYSTEM Transceiver sendet und empfängt Daten im Bereich von 2,402 2,48 GHz (ISM-Band) Link Controller Baseband Link Manager Protocol Schnittstelle zum Gerät Host Controller Interface HCI Link Layer Control and Adaptation Protocol L2CAP Darüber beliebige Protokolle vcard/vcal HCI OBEX WAE WAP UDP / TCP IP PPP RFCOMM L2CAP Baseband AT- Commands LMP TCS BIN SDP Audio Transceiver 143 Fachgebiet Kommunikationsnetze 2

3 2. Der Bluetooth-Standard BEGRIFFE Master Das Gerät, das eine Verbindung zu einem anderen Gerät aufbaut Slave Alle Geräte, die sich mit dem Master einen Kanal teilen Piconetz Eine Ansammlung von zwei bis acht Geräten, die sich einen Kanal teilen (1 Master, 1-7 Slaves) AM-Adresse (Active Member Address) 3-bit lange, temporäre Adresse zur Unterscheidung von Geräten in einem Piconetz Bluetooth Physikalische Schnittstelle LUFTSCHNITTSTELLE ISM-Band: 2,402 2,48 GHz Weltweit lizenzfrei verwendbar (Ausnahmen: Frankreich, Japan, Spanien) Interferenzen mit anderen Nutzern möglich (Garagenöffner, Mikrowelle, etc.) Frequency Hopping Spread Spectrum 79 (respektive 23) Kanäle à 1 MHz 1600 Sprünge pro Sekunde GFSK-Modulation (Gaussian-shaped Frequency Shift Keying) Time Division Duplex Übertragung von Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zeitlich getrennt Slot-Länge 625 ms Für jeden Slot wird eine andere Frequenz verwendet Datenrate: 1 24 Mbit/s (incl. Header), geplant: bis zu 480 Mbit/s mit UWB Reichweite: 10 cm bis 10 m bei 0 dbm Sendeleistung, erweiterbar auf 100 m Master Slave 625ms f 1 f 2 f Fachgebiet Kommunikationsnetze 3

4 3. Bluetooth Physikalische Schnittstelle PAKETFORMAT Access Code Packet Header Nutzdaten ( bit) AM_Addr Type Flow ARQN SEQN HEC Access Code: eindeutig für jeden Kanal, da aus der ID des Master gewonnen AM_Addr: 3 bit lange, temporäre Adresse der aktiven Teilnehmer (Active Member) an einem Piconetz (immer die des Slaves) Type: Pakettyp Flow: Flusskontrolle ARQN: Automatic Repeat Request zur Übertragungswiederholung SEQN: Sequenznummer HEC: Header Error Check (Vorwärtsfehlerkorrektur mit der Rate von 1/3) Bluetooth Physikalische Schnittstelle KANÄLE DER LUFTSCHNITTSTELLE Zwei Kanaltypen: Synchronous Connection-Oriented (SCO) Bis zu drei synchrone Sprachkanäle mit 64 kbit/s bidirektional verfügbar In festen Intervallen werden zwei Slots reserviert (einer für Vorwärts-, einer für Rückrichtung) Asynchronous ConnectionLess (ACL) Symmetrisch oder asymmetrisch Paketvermittelt Punkt-zu-Mehrpunkt Für Datenübertragung Master kontrolliert den Kanal durch (implizites) Polling 147 Fachgebiet Kommunikationsnetze 4

5 3. Bluetooth Physikalische Schnittstelle DATENRATEN AUF EINEM DCL-LINK Typ Symmetrisch Asymmetrisch DM1 108,8 kbit/s 108,8 kbit/s 108,8 kbit/s DH1 172,8 kbit/s 172,8 kbit/s 172,8 kbit/s DM3 256,0 kbit/s 384,0 kbit/s 54,4 kbit/s DH3 384,0 kbit/s 576,0 kbit/s 86,4 kbit/s DM5 286,7 kbit/s 477,8 kbit/s 36,6 kbit/s DH5 432,6 kbit/s 721,0 kbit/s 57,6 kbit/s DMx: x-slots und FEC mit Rate 2/3 DHx: x-slots ohne Fehlerschutz Bei x-slots (x>1) muss Access Code und Header nur einmal übertragen werden, die Frequenz wird während des gesamten Pakets beibehalten Bluetooth Physikalische Schnittstelle FEHLERSCHUTZ Vorwärtsfehlerkorrektur Bit Repeat Code mit Rate 1/3 Shortened Hamming Code mit Rate 2/3 b 0 b 0 b 0 b 1 b 1 b 1 b 2 b 2 b 2 Generator-Polynom: g(d) = (D+1)(D4 + D + 1) D 0 D 2 D 4 D Daten Fachgebiet Kommunikationsnetze 5

6 3. Bluetooth Physikalische Schnittstelle ARQ Automatic Repeat Request: Jedes Paket wird im nächsten Slot bestätigt (ARQN=1) oder als fehlerhaft empfangen (ARQN=0) gekennzeichnet. Bei einer fehlerhaften Sendung wird das Paket mit der gleichen Sequenznummer wiederholt. Master A B B X C Slave 1 G F H Slave 2 Z Z NAK ACK Bluetooth Vernetzung SCATTERNETS Jedes Piconetz hat einen Master und bis zu 7 weitere Knoten Der Master bestimmt die hopping sequence, die anderen Knoten müssen darauf synchronisieren Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen Piconetze 151 Fachgebiet Kommunikationsnetze 6

7 4. Bluetooth Vernetzung SYNCHRONISIERUNG IN EINEM PICONETZ Die Sprungfrequenz wird von einer Sprungsequenz der der aktuellen Phase bestimmt. Die Sprungsequenz berechnet sich ihrerseits aus der ID des Masters Clock + Phase Sequenz Sprung Offset Master ID Bluetooth Vernetzung VERBINDUNGSAUFBAU Von 79 Frequenzen sind 32 als Wake-Up-Frequenzen definiert. Die Wake-Up-Frequenzen hängen vom Gerät selbst ab. Im Stand-By hört jedes Gerät diese 32 Frequenzen nach einer PAGE-Message ab, die einen korrekten Access Code enthalten muss. Um den Access Code bestimmen zu können, der von der Geräte-ID abhängt, ist ein Inquiry - Verfahren definiert. Mit diesem Verfahren kann auch ermittelt werden, wer sich alles in Sendereichweite aufhält. Für ein Inquiry wird ein spezielle Access Code verwendet, der quasi einem Rundruf entspricht. 153 Fachgebiet Kommunikationsnetze 7

8 4. Bluetooth Vernetzung VERBINDUNGSAUFBAU ABLAUF Paging Unit Standby Unit Inquiry Paging Verbindung aufgebaut Daten Neue Sprungsequenz Bluetooth Vernetzung DATENSCHUTZ Zum Abhörschutz einer Verbindung: Stream Cipher -Verfahren Der Klartext wird bitweise mit einem Schlüsselstrom verknüpft. Der Schlüsselstrom wird aus der Bluetooth-Geräte-ID, einem privaten Schlüssel und einer Zufallszahl ermittelt. Zusätzlich Authentifizierung des Kommunikationspartners mit einem Challenge-Response-Verfahren möglich Handy Schlüssel Geräte-ID Zuf.zahl Challenge Schlüssel Geräte-ID LapTop Algorithmus Ergebnis Vergleich Response Algorithmus Ergebnis 155 Fachgebiet Kommunikationsnetze 8

9 5. Bluetooth Höhere Schichten DIE SCHNITTSTELLE ZWISCHEN BLUETOOTH UND HOST Host Control Interface Link Layer Control and Adaptation Protocol (L2CAP) Protokollmultiplex: Adaption höherer Protokolle an das Bluetooth-Baseband Verbindungsorientiert oder verbindungslos, allerdings keine Unterstützung von SCO-Kanälen Segmentieren Reassemblieren Dienstgüte Bis zu 64 kbyte lange Datenpakete Bluetooth Höhere Schichten PROTOKOLLE Telephony Control Protocol Telephony Control Protocol Binary TCS BIN Bitorientiertes Protokoll zum Aufbau von Sprach- und Datenverbindungen zwischen Bluetooth-Geräten Mobilitätsmanagement für Gerätegruppen Telephony Control AT Commands Basis: ITU-T V.250 und ETS (GSM 07.07) Zusätzlich Befehle für Fax-Dienste Cable Replacement Protocol RFCOMM Emulation einer seriellen Leitung gemäß ETSI Nachbildung von RS 232 Angepasste Protokolle PPP zum Ablauf über RFCOMM TCP/UDP/IP Definition einer Brücke zwischen Bluetooth und Internet OBEX zum Austausch von Objekten WAP 157 Fachgebiet Kommunikationsnetze 9

10 5. Bluetooth Höhere Schichten PROFILE Profile = Schnittstellenspezifikation, also Beschreibung der Funktionalität des Bluetooth-Geräts Zur Kommunikation zwischen zwei Bluetooth-Geräten müssen die Profile kompatibel sein Beispiele: Generic Access Profile (GAP) Grundlegendes Profile zum Entdecken von und Verbinden mit anderen Bluetooth-Geräten Generic Object Exchange Profile OBEX File Transfer Profile (FTP) Übertragung von Dateien zwischen Bluetooth-Geräten Dial-up Networking Profile (DUN) Einwählen in das Internet Basic Imaging Profile (BIP) Senden und Anpassen von Bildern zwischen Bluetooth-Geräten Advanced Audio Distribution Profile (A2DP) Streaming von Audio SIM Access Profile (SAP, SIM, rsap) Zugriff vom Auto auf die SIM in einem Bluetooth-Handy Bluetooth Höhere Schichten ANWENDUNGSBEISPIEL FILETRANSFER Übertragung von Datenobjekten (*.xls, *.ppt, *.wav, *.jpg, *.doc,...) von einem Gerät (PC, Smart-Phone, PDA) zu einem anderen. Datenobjekte können auch ganze Ordner oder Streaming Media sein. Möglich wird dadurch auch das Anzeigen des Inhaltes von Ordnern auf einem entfernten Gerät. Zusätzlich können Push-Operationen realisiert werden. Aufbau des Protokollstapels: Filetransfer-Anwendung OBEX RFCOMM SDP Service Discovery Protocol L2CAP 159 Fachgebiet Kommunikationsnetze 10

11 5. Bluetooth Höhere Schichten ANWENDUNGSBEISPIEL HEADSET Drahtlose Anbindung eines Headsets an ein Handy oder an einen Rechner: Der Audiostrom geht direkt vom Baseband zum Lautsprecher / Mikrofon und umgeht somit L2CAP. Mit dem Headset können über AT-Commands ankommende Gespräche angenommen oder die Verbindung terminiert werden, ohne dass manuell am eigentlichen Telefonapparat eingegriffen werden muss. Headset-Anwendung AT- Commands RFCOMM SDP Audio L2CAP Bluetooth Versionen VERSIONEN 1 UND 2 Bluetooth 1 Bluetooth 1.0 und 1.0B maximale Datenübertragungsrate von 723,2 kbit/s. Bluetooth 1.1 Neu: Radio Signal Strength Indicator (RSSI). Bluetooth 1.2 Neu: Adaptive Frequency-Hopping Spread Spectrum (AFH). neue Pakettypen für synchrone Übertragung (esco). Bluetooth 2 Bluetooth EDR etwa dreifache Datenübertragungsgeschwindigkeit durch Enhanced Data Rate (EDR) mit maximal 2,1 Mbit/s. v2.0 + EDR ist abwärtskompatibel. Spezifikation im November 2004 veröffentlicht. Bluetooth EDR neue Features wie Secure Simple Pairing, QoS. Spezifikation im August 2007 verabschiedet. 161 Fachgebiet Kommunikationsnetze 11

12 6. Bluetooth Versionen VERSIONEN 3 UND 4 Bluetooth 3 Bluetooth 3.0 Übertragungsrate bis zu 24 MBit/s. Spezifikation im April 2009 verabschiedet. Ursprüngliche Idee, UWB zu verwenden, wurde wieder fallen gelassen. Bluetooth 4 Bluetooth 4.0 im Dezember 2009 verabschiedet. Verbindungsaufbau innerhalb von weniger als fünf Millisekunden über eine Entfernung von bis zu 100 Metern Reduzierung des Stromverbrauchs. Bluetooth 4.2 Verabschiedet im Dezember Versionen: Basic Rate (BR) und Low Energy (LE) Bluetooth Versionen BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE) UND BLUETOOTH 5 Bluetooth Low Energy Anderer Name: Bluetooth Smart Nicht kompatibel zu früheren Bluetooth-Standards (Bluetooth Classic) Datenrate: 1 Mbit/s brutto, 0,27 Mbit/s für Anwendung 3 ms Zeit zum Senden von Daten Energieverbrauch 0,01 bis 0,5 W, je nach Nutzungsszenario Batterielaufzeit mehrere Monate bis Jahre Bluetooth 5 Verabschiedung: 06. Dezember 2016 Fokus: Internet of Things 2017: Samsung Galaxy S8 mit Bluetooth 5 Vierfache Reichweite (etwa 200 m) durch Erhöhung der maximalen Sendeleistung auf 100 mw, dann aber auch Fehlerkorrektur durch zusätzliche Redundanz Doppelte Übertragungsgeschwindigkeit: 2 Mbit/s Abwärtskompatibilität 163 Fachgebiet Kommunikationsnetze 12

13 7. VERGLEICH BLUETOOTH IRDA WIRELESS LAN Verbindungsart Bluetooth IrDA Wireless LAN Punkt zu Punkt, Punkt zu Mehrpunkt Punkt zu Punkt Punkt zu Mehrpunkt Punkt zu Punkt, Punkt zu Mehrpunkt Übertragungsrate 0,7 Mbit/s 24 Mbit/s 4 Mbit/s 1 Gbit/s Mbit/s Übertragungsdistanz (ca.) 10 ( 200) m 1 m 300 m Übertragungsumkreis Omnidirektional 30 Winkel Omnidirektional Anzahl unterstützter Geräte 8 (Mesh neuerdings möglich) 2 (P2MP optional...) Sicherheitsmaßnahmen Hardwareebene Softwareebene Hardwareebene HW/SW-Unterstützung Breit Abnehmend Breit LITERATUR IEEE (2005): Standard for Information Technology : Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications for Wireless Personal Area Networks (WPAN). Lee, Jin-Shyan; Su, Yu-Wei; Shen, Chung-Chou (2007): A Comparative Study of Wireless Protocols: Bluetooth, UWB, ZigBee and Wi-Fi. In: 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON Taipei, China, November 5-8. IEEE, S Roth, Jörg (2005): Mobile Computing. Grundlagen, Technik, Konzepte. 2., aktualisierte Auflage. Heidelberg: dpunkt- Verlag (dpunkt.lehrbuch). Schiller, Jochen (2003): Mobilkommunikation. 2., überarbeitete Auflage. München: Pearson-Studium (Pearson Studium Informatik).(Vielen Dank für die Überlassung der Folien) 165 Fachgebiet Kommunikationsnetze 13