Bluetoothtm langaton teknologia Siirtyvä tietoliikenne Ilmari Laakkonen maanantai, 17. maaliskuuta 2003

Bluetooth – sisältö Bluetooth harjoitustyön esittely Johdanto ja käyttöesimerkit Yleiskatsaus tekniikkaan Yleiskatsaus Bluetooth laitteiden protokollapinoon Yleiskatsaus Bluetooth laiteprofiileihin

Bluetooth harjoitustyö Ideoi ja kuvaile uusi Bluetooth langattoman teknologian käyttötapa. Tarkista olemassa olevat Bluetooth määritykset ja laiteprofiilit, niissä esiteltyjen käyttötapojen suoraa kopiointia ei hyväksytä. Työ on henkilökohtainen Työn saa tehdä ryhmässä, mutta jokaista ryhmän jäsentä kohden oltava oma idea ja kukin idea palautetaan erillisenä dokumenttina. Työ on palautettava viimeistään 18.5.2003 Paperimuodossa tieto-sähkötalon 6. kerroksen punaiseen “postilaatikkoon”

Harjoitustyön arvostelu Bluetooth teknologian yleiskuvaus (0 %) Uuden idean ja käyttötavan yleiskuvaus (40%) Tekniset perustelut. (20%) Miksi toteutettava Bluetooth teknologialla? Miksi muut muut langattomat teknologit eivät kelpaa? Käyttöprofiilien tarpeiden perustelut. (20%) Mitä valmiita käyttöprofiileja idean toteuttaminen vaatii? Tarvitaanko uusia käyttöprofiileja? Tuotannolliset perustelut. (20%) Mitä laitteita tarvitaan toteutukseen? Pitääkö rakentaa erityislaitteita? Minkä verran tarvittavat laitteet saavat maksaa? Onko niitä mahdollista tuottaa sillä hinnalla? Arvio käyttäjämäärästä.

Harjoitustyön tekniset kriteerit Raportin palautus paperilla, sähköpostilla lähetettyjä töitä ei arvostella. Koskee myös etäopiskelijoita, raportin voi tällöin lähettää postitse tarkistajalle. Laajuus vähintään 500 sanaa, joka on n. 2-3 A4-arkillista riippuen asiakirjan asetuksista. Jos harjoitustyöstä saa arvosanaksi nollan niin silloin saa mahdollisuuden tehdä se uudestaan ja korottaa arvosanan ykköseen. Käytännössä nollan saaminen tarkoittaa sitä että on keksitty pyörä uudestaan, eli kyseinen käyttöidea on suoraan Bluetooth määrityksien laiteprofiileista.

Bluetoothtm langaton teknologia Bluetooth teknologian perusidea on valmistaa edullisia radioliikenteen siruja, joilla voidaan korvata lyhyellä kantamalla kaapelointeja. Bluetooth SIG (Special Interest Group) Organisaatio joka ohjaa Bluetooth määrityksen kehittämistä Perustajajäseniä ovat mm. Intel, Ericsson, Nokia, Toshiba ja IBM. http://www.bluetooth.com Bluetooth adopters Yrityksiä jotka ovat ilmoittaneet ottavansa Bluetooth teknologiaa käyttöön jollain tavalla.

Teknologian tavoitteet Kaapelien korvaaminen oheislaitteiden välillä. Sopii kannettaviin laitteisiin pieni koko, hinta ja virrankulutus Ad Hoc – verkonmuodostus Lyhyt kantama Laiteprofiilien takaama yhteensopivuus Avoin määritys http://www.bluetooth.com

Bluetooth teknologian määritykset Bluetooth Specification 1.1 – Core (1084 s.) Bluetooth Specification 1.1. – Profiles (452 s.) Lisäksi muutamia erillisiä profiilikuvauksia Advanced Audio Distribution profile (68 s.) Audio/Video Remote Control Profile (51 s.) Basic Imaging Profile (99 s.) Basic Printing Profile (131 s.) Bluetooth Extended Service Discovery Profile (59 s.) Generic Audio/Video Distribution Profile (35 s.) Hands Free Profile (70 s.) Määritys laajenee uusien profiilien myötä.

Käyttöesimerkkejä Kännykkä Tietokone Internet gateway Headset handsfree Tietokone Näppäimistö Hiiri Kamera Internet gateway PDA tai kannettava tietokone

Bluetooth sirun perusrakenne Bluetooth piiri jakaantuu radio-osaan ja link controller osaan. Radio-osa käyttää 2,45GHz ISM taajuutta, joka on vapaasti käytettävissä eikä laitteet tarvitse lupia. Kyseistä taajuuskaistaa käyttää useat muutkin laitteet mutta Bluetoothin protokolla huolehtii tiedon häiriöttömästä siirrosta. Bluetoothissa on määritelty 3 lähetysteholuokkaa, joilla on 10cm, 10m ja 100m kantamat, joista tällä hetkellä yleisimmät ovat 10 metrin kantaman laitteet.

Bluetooth sirun perusrakenne Kuva 1. Bluetooth-piirin tekniikka jakaantuu radio-osaan ja link controller osaan. Yhden sirun ratkaisuissa piiriin sisällytetään myös Link Manager ohjelmisto ja I/O host-laitteeseen.

Piconet ja scatternet Kuva 2. Bluetooth laitteet muodostavat piconettejä ja niiden yhdistelmiä kutsutaan scatterneteiksi

Piconet ja scatternet Bluetooth määrityksen mukaan laitteet muodostavat keskenään Piconetteja, joissa on enintään 8 laitetta. Yksi näistä on master ja muut slaveja, lisäksi laitteilla muita erityistiloja. Yhteyden avaamisen jälkeen kumpi laite tahansa voi lähettää paketteja ilman sen kummempia valmisteluja. Scatternet Laite voi kuulua useampaan kuin yhteen Piconettiin, joiden koostumus muokkaantuu tilanteiden ja tarpeiden mukaan.

Tiedonsiirtomenetelmät Maksimisiirtonopeus on 1Mbit/s, jakautuu piconetin laitteiden kesken Solmujen välinen liikenne voi olla synkronista (SCO) tai asynkronista (ACL) Asynkroninen yhteys voi olla maksimissaan 721 kbit/s, yksi yhteys masterista kuhunkin slaveen, jaettu kaista. Synkroninen yhteys on 64 kbit/s ja niitä voi olla auki enintään kolme kappaletta samaan aikaan. Äänen tai vastaavan stream-tyyppisen datan siirtoon, ei lähetetä epäonnistuneita paketteja uudestaan kuten asynkronisessa datansiirrossa.

Bluetooth - häiriönsieto 2,45GHz ISM taajuusaluetta saa käyttää vapaasti tietyin ehdoin ilman laitteiden hyväksyttämistä. Mahdollisia laitteita paljon jo nyt, tulevaisuudessa enemmän. Bluetooth teknologian häiriönsietoa parannetaan useilla eri menetelmillä: Taajuushyppely, 1600 hyppyä/s, 79 kanavaa Pienet datapaketit Pakettien automaattinen uudelleen lähetys Forward Error Correction (FEC) 16 bit Cyclic Redundancy Check Äänen koodaus, Continuous Variable Slope Delta Modulation (CVSD)

Bluetooth tietoturva Radioaaltoja voidaan kuunnella kaukaa ja seinien takaa, Bluetooth tekniikka ottaa tietoturvan huomioon useilla tavoilla: Laitteiden etsintä Laitteiden ”yhdistäminen” toisiinsa Laitteiden tunnistus Yhteyden salaus

Bluetooth protokollapino Kuva 3. Bluetooth piiri tarjoaa ohjelmistolle HCI-Host Controller Interface rajapinnan, jonka kautta sirua käytetään.

Valmiiden protokollien hyödyntäminen Bluetooth radion toiminnallisuus esim. Link manager, baseband, radio Bluetooth protokollat, jotka on käytössä vain Bluetooth laitteissa esim. HCI, L2CAP, SDP Yhteensopivuusprotokollat tukevat yhteensopivuutta olemassa oleviin sovelluksiin ja protkolliin esim. RFCOMM, TCS Lainaprotokollia käytetään suoraan sellaisenaan yhteensopivuusprotokollien päällä esim. Obex, PPP, TCP/IP, AT-komennot

HCI Link Controller/Manager tarjoaa bluetooth sirusta HCI ohjelmointirajapinnan emäkoneelle, jolla toteutetaan korkeammat bluetooth määrityksen protokollat. HCI-rajapinta on alin bluetooth ohjelmointirajapinta mikä sovelluksien kehittäjälle näkyy. LMP – Link Manager Protocol on toteutettu sirun sisällä ja siinä on tarvittavat toiminteet yhteyden muodostukseen, hallintaan ja virhetilanteista toipumiseen.

HCI Bluetooth siru on kytketty emäkoneeseen joko USB:llä tai UART:lla kommunikointi tapahtuu lähettämällä bluetooth sirulle komentopaketteja ja siru vastaa event-paketeilla, lisäksi on erikseen sekä asynkronisen ja synkronisen datan siirtoon paketit, joita kulkee molempiin suuntiin. Yhteyden muodostus, datansiirto ja yhteyden katkaisu vaatii yksinkertaisissa tilanteissa n. 10 HCI-komennon käyttämistä. Tällöin saadaan muodostettua asynkroninen 2-suuntainen yhteys.

L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol Tarjoaa yhteyspalveluja ylemmille protokollille mukaan lukien protokollien multipleksauksen, erilaisia abstraktioita, pakettien paloittelun ja yhdistämisen. L2CAP on tarkoitettu ainoastaan ACL-yhteyksille ja sitä hyväksi käyttäviä protokollia on mm. SDP, RFCOMM ja TCS.

L2CAP Protokollien multipleksaus hoidetaan L2CAP:ssa koska bluetooth sirun radio-osan ja baseband osan määrityksissä ei tueta eri protokollien tunnistusta. HCI-tason paketit ovat pienikokoisia, isot L2CAP paketit paloitellaan useiksi pieniksi lähetettäessä ja vastaavasti vastaanottaessa kasataan takaisin alkuperäiseen kokoon. Tämä mahdollistaa pakettien lähettämisen ja vastaanottamisen enimmillään 64 kilotavun paketeissa. Pakettien sisällön oikeellisuuden tarkistus.

L2CAP Quality of Service, eli palvelun laadun tarkkailu hoidetaan tällä tasolla. L2CAP tarjoaa yhteyden muodostuksen ja datan siirron huonoissa olosuhteissa ylemmille protokollille. Ylempien protokollien ryhmäosoitteiden hallinta, baseband ja LMP tukevat piconet verkkoja, joissa useampi bluetooth laite on synkronisoitu samaan taajuushyppelyyn. L2CAP huolehtii käytännössä protokollien ryhmäosoituksien pakettien ohjaamisesta piconetin sisällä eri laitteille.

RFCOMM RFCOMM protokolla tarjoaa sarjaportti-emulaation L2CAP-protokollan päälle, perustuu ETSI standardiin TS 07.10. RFCOMM määrityksessä tarjotaan enintään 60 samanaikaista RS-232 yhteyttä kahden Bluetooth laitteen välillä, yhteyksien todellinen määrä riippuu toteutuksesta. RFCOMM tukee RS-232 määritystä tarjoamalla ohjelmistona sarjaportin kaikki fyysiset signaalit sitä käyttäville sovelluksille.

RFCOMM RFCOMM mahdollistaa olemassa olevien sarjamuotoisten sovelluksien helpon siirrettävyyden Bluetooth tiedonsiirtoon. esim. langattomat modeemit, tulostimet, piirturit ja digitaalikamerat ovat tämän tyyppisiä laitteita. Myös Irda:n protokollia (Obex) toteutettu RFCOMM:in päälle, mahdollistaa useiden infrapunatoteutuksien siirtämisen käyttämään Bluetoothia ilman muutoksia.

SDP Service Discovery Protocol tarjoaa menetelmän jolla sovellus voi tutkia mitä palveluja ja mitä ominaisuuksia kyseisistä palveluista on tarjolla tuntemattomassa Bluetooth laitteessa. Tarve tähän on suuri koska langattomassa tiedonsiirtoympäristössä lähistöllä olevat laitteet ja niiden tarjoamat palvelut vaihtelevat jatkuvasti laitteiden siirrettävyyden takia. SDP takaa tuntemattomien laitteiden yhteensopivuuden keskenään.

SDP SDP palvelin pitää listaa Bluetooth-laitteen palveluista ja vastaa SDP-asiakkaan SDP-kyselyihin niiden mukaan. SDP-palvelimia on enintään yksi per Bluetooth-laite ja se huolehtii kaikkien laitteen tarjoamien palvelujen ominaisuuksien tiedottamisesta. SDP-asiakaslaitteessa ei välttämättä ole SDP-palvelinosaa laisinkaan.

Laiteprofiilit Bluetooth laitteita on luokiteltu valmiiksi paljon ja näille on määritelty ns. laiteprofiileja joiden mukaan SDP-palvelin pystyy ilmoittamaan Bluetooth -laitteiden ominaisuudet SDP-kyselyitä tekeville laitteille. Laiteprofiilit määrittävät mitä toiminnallisuutta Bluetooth laite tukee ja mitä protokollia tarvitaan toimintojen toteuttamiseksi. Näitä laiteprofiileja on määritelty aikalailla ja ne vastaavat lähinnä perinteisiä kannettavien tietokoneiden, PDA-laitteiden, modeemien ja kännyköiden tyypillisiä laiteominaisuuksia.

Laiteprofiilit Noudattamalla näiden laiteprofiilien määritystä parannetaan erilaisten Bluetooth laitteiden yhteistoimintaa ja päästään lähemmäksi ideaalista langatonta ympäristöä. Kaikki Bluetooth laitteet käyvät lävitse tarkistusmenetelmän jonka avulla tarkistetaan niiden yhteensopivuus. Bluetooth laitteen ei tarvitse toteuttaa kaikkia Bluetooth määrityken mukaisia profiileja ja protokollia. Ainoastaan ne mitkä tarvitaan haluttujen laiteprofiilien toteuttamiseksi.

Laiteprofiilit (Bluetooth 1.1) Generic Access profile Service Discovery Application profile Cordless Telephony profile Intercom profile Serial port profile Headset profile Dial-up profile Fax profile LAN Access profile Generic Object Exchange profile Object Push profile File Transfer profile Syncronization profile

Uusia laiteprofiileja Hands-Free Profile Extended Service Discovery Profile Basic Printing Profile Basic Imaging Profile Generic Audio/Video Distribution Profile Advanced audio Distribution Profile Audio/Video Remote Control Profile

Generic Access profile Bluetooth laitteiden etsintä ja yhteyden muodostukseen tarvittavien tietojen keräys. Yhteyden muodostus ja hallinta Tietoturvatasojen käyttöönotto Käyttöliittymän kautta käyttäjälle näkyvien yhteysparametrien muoto Esim. Laitenimien ja PIN-koodin muoto

Service Discovery Application profile Määrittää millä tavalla Bluetooth sovellus selvittää muiden Bluetooth laitteiden tukemia palveluita ja hakee näiden palveluiden käyttämisessä tarvittavat parametrit. Käytännössä kukin Bluetooth profiili määrittelee yhden palvelutyypin ja siihen liittyvät toiminnot. Jos kaksi Bluetooth laitetta tukee samaa profiilia, tällöin niiden pitäisi olla yhteensopivia.

Cordless Telephony profile ja Intercom profile ”3-1 puhelin” malli tarkoittaa puhelinta joka muodostaa yhteyden eri tavalla riippuen tilanteesta Kahden puhelimen välinen suora yhteys Bluetooth radion avulla. Esim. radiopuhelimet Bluetooth yhteys puhelimesta ns. tukiasemaan, jonka kautta normaali lankaverkkoyhteys eteenpäin. Esim. Dect. Puhelin yhteydessä johonkin normaaliin matkapuhelinverkkoon. Esim. GSM

Serial port profile RS232 sarjaportti toiminnallisuus mahdollistaa sarjaporttiyhteyttä käyttävien sovelluksien toimivuuden Bluetooth laitteissa. Modeemit, tulostimet, puhelimet, kämmenmikrot, jne. Profiili määrittelee että Bluetooth laite voi tukea enintään 64 samanaikaista sarjaporttiyhteyttä, tosin todellinen määrä riippuu laitteen/ohjelmiston valmistajasta. Sarjaporttiemulointi on ETSI TS 07.10 standardimäärityksen mukainen

Headset profile Profiili määrittää miten kuuloke- ja mikrofoniyhdistelmä liitetään laitteeseen Bluetooth yhteyden avulla, oletuksena on matkapuhelin periaatteessa jokin muukin laite vois tukea samaa toiminnallisuutta. Esim. tietokone Langaton “Full Duplex” äänikanava, eli samanaikainen äänen siirto kahteen suuntaan.

Dial-up profile ja Fax profile Soittomodeemiyhteyden ja faksin emulointi. Usein matkapuhelimissa modeemi ja faksi ominaisuuksia ja tässä profiilissa määritellään miten näitä toiminnallisuuksia käytetään Bluetooth yhteyden avulla.

LAN Access profile Määrittää miten voidaan käyttää verkkopalveluja PPP (Point to Point) protokollan avulla. Määrittää miten kaksi Bluetooth voi muodostaa keskenään verkkoyhteyden.

Obex profiilit Generic Object Exchange profile Object Push profile Yleismääritykset miten toteutetaan IrDa määrityksien mukainen objektien siirtotavat. Object Push profile Objektin siirtoprotokolla esim. käyntikortin siirto toiseen laitteeseen File Transfer profile Tiedostojen siirtoprotokolla, joka mahdollistaa toisen laitteen tiedostojen käsittelyn Syncronization profile Eri laitteiden kalenterien ja yhteystietojen synkronisointi laitteiden välillä.

Hands-Free Profile The Hands-Free Profile (HFP) specification defines the minimum set of functions such that a Mobile Phone can be used in conjunction with a Hands-Free device (e.g. installed in the car), with a Bluetooth Link providing a wireless means for both remote control of the Mobile Phone by the Hands- Free device and voice connections between the Mobile Phone and the Hands-Free device. Compliance with this specification assures interoperability between a Bluetooth enabled Hands- Free device and any Bluetooth equipped Mobile Phone supporting this profile.

Extended Service Discovery Profile This document is a Bluetooth Extended Service Discovery Profile (ESDP) for Universal Plug and PlayTM (UPnPTM). The profile defines how devices with Bluetooth wireless communications can use the Bluetooth Service Discovery Protocol (SDP) initially to discover other devices that support UPnP services and retrieve information about these services. This profile further defines how a device with Bluetooth wireless communications can support UPnP services over the Bluetooth protocol stack using the Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) layer and/or an Internet Protocol (IP) stack using either the Personal Area Network (PAN) Profile or the Local Area Network (LAN) Access Profile.

Basic Printing Profile This application profile defines the application requirements for Bluetooth™ devices necessary for the support of the Basic Printing usage model. The requirements are expressed in terms of end-user services, and by defining the features and procedures that are required for interoperability between Bluetooth devices in the Basic Printing usage model.

Basic Imaging Profile This profile defines the requirements necessary for Bluetooth™ devices to support the Basic Imaging Profile usage models. The requirements are expressed by defining the features, functions, and underlying profiles which are required for interoperability among Bluetooth devices in the Basic Imaging Profile usage models.

Generic Audio/Video Distribution Profile This profile defines the requirements for Bluetooth™ devices necessary to set up streaming channels used for support of audio/video distribution. The requirements are expressed in terms of services provided to applications, and by defining the features and procedures that are required for interoperability between Bluetooth devices in the Audio/Video Distribution usage model.

Advanced audio Distribution Profile This profile defines the requirements for Bluetooth™ devices necessary for support of the high quality audio distribution. The requirements are expressed in terms of end-user services, and by defining the features and procedures that are required for interoperability between Bluetooth devices in the Audio Distribution usage model.

Audio/Video Remote Control Profile This profile defines the requirements for Bluetooth™ devices necessary for the support of the Audio/Video Remote Control usage case. The requirements are expressed in terms of end-user services, and by defining the features and procedures that are required for interoperability between Bluetooth devices in the Audio/Video Remote Control usage case.