Bluetooth: все, что нужно знать о популярном стандарте беспроводной связи

Передача данных между устройствами обычно не представляет проблемы, если у вас есть подходящий соединительный кабель. Если у вас нет под рукой такого кабеля, вам придется проделать долгий путь через WLAN или облако, чтобы поделиться с другом фотографиями, сделанными вчера вечером. Однако есть и другой способ легкой передачи фотографий, видео и аудиофайлов. Он называется Bluetooth и имеет практически безграничный спектр применения.

Термин Bluetooth относится к сетевой технологии, основанной на стандарте 802.15.1 Американского института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) для беспроводных соединений. Bluetooth обеспечивает передачу голоса и данных между различными цифровыми устройствами без соединения или ориентированную на соединение «точка-точка». Основная цель этой технологии — заменить проводные соединения или сделать их полностью устаревшими, что особенно хорошо для мобильных устройств, таких как смартфоны и планшеты.

По сравнению с такими технологиями передачи данных, как USB, LAN и WLAN, Bluetooth специализируется на передаче данных на короткие расстояния с простой и энергоэффективной настройкой. Однако, поскольку скорость передачи данных у него в целом ниже, чем у других ранее упомянутых технологий, отправка больших пакетов данных может занимать больше времени. Однако Bluetooth является идеальным решением, когда речь идет об отдельных файлах и простых сервисах и приложениях.

Bluetooth был изобретен как ответ на хорошо известную проблему «беспорядка в кабелях». С 1980-х годов предпринимались различные попытки заменить стандартные технологии проводного соединения беспроводными альтернативами. Одним из перспективных претендентов была инфракрасная технология, которую можно было использовать, например, для связи между компьютерами и принтерами. Однако относительно высокое энергопотребление, а также необходимость устанавливать и поддерживать прямой «визуальный контакт» между подключаемыми устройствами не позволили этой технологии получить широкое распространение.

В 1990-х годах консорциум электронных компаний в составе Ericsson, IBM, Intel, Nokia и Toshiba основал Bluetooth Special Interest Group (также называемую Bluetooth SIG) для разработки собственного технологического решения. В то время «Bluetooth» было лишь кодовым названием проекта, но вскоре оно было принято в качестве официального названия бренда из-за отсутствия других предложений.

Тот факт, что Ericsson и Nokia оба родом из Скандинавии, возможно, сыграл большую роль в выборе названия. Предполагается, что слово «Bluetooth» относится к датскому королю викингов Харальду Блюту. В 10 веке ему удалось объединить враждующие части Норвегии и Дании в одно королевство. Знаковый символ Bluetooth представляет собой сочетание древненорвежских рун ᚼ и ᛒ, которые являются инициалами Харальда Блюта (HB).

Bluetooth появился благодаря сотрудничеству нескольких сторон. Например, основы беспроводной технологии можно проследить по работе голландского профессора Яапа Хаартсена и шведского профессора Свена Маттиссона, которые оба работали в компании Ericsson, специализирующейся на мобильной связи и Интернете. Другие особенности Bluetooth в значительной степени можно отнести на счет технологических компаний Intel и Nokia. В следующих разделах мы рассмотрим технические детали.

Для того чтобы цифровое устройство считалось «поддерживающим Bluetooth», ему требуется специальное программное обеспечение для управления передачей данных, а также специальный чип Bluetooth, который имеет передатчик и приемник и постоянно установлен в аппаратном обеспечении. Atheros, Nordic Semiconductor и Toshiba являются известными производителями таких чипов. Также можно подключить адаптер Bluetooth к порту USB на устройстве, чтобы добавить ему эту функциональность.

Назначенная частота Bluetooth работает в безлицензионном диапазоне ISM между 2,402 ГГц и 2,480 ГГц. Совместимые устройства, соответствующие стандартам Bluetooth SIG, могут передавать сигнал в этом диапазоне частот как устройства малого радиуса действия (SRD) в любой точке мира без лицензии. Все устройства имеют свой индивидуальный 48-битный MAC-адрес, который позволяет их однозначно идентифицировать.

Соединение может исходить от любого устройства, которое затем становится «ведущим» над «ведомыми» (т.е. другими устройствами) и создает пикосеть (сеть Bluetooth). Соединение поддерживается до тех пор, пока ведущий не отключит Bluetooth в своей системе. Устройства, которые хотят подключиться к пикосети, каждые 2,56 секунды «прослушивают» в режиме сканирования сигнал от ведущего устройства. Затем соединение устанавливается в среднем в течение 1,28 секунды. Соединение двух или более устройств через Bluetooth называется «сопряжением».

На практике члены пикосети должны находиться близко друг к другу и активировать Bluetooth на своих устройствах. В зависимости от устройства, он может быть активирован с помощью специального программного обеспечения, панели управления или кнопки, на которой отображается символ Bluetooth. Затем соединение должно быть авторизовано с помощью (обычно четырехзначного) PIN-кода, который отображается на экране ведомого устройства или записан в его руководстве. Эта процедура называется «распределением ключей». Она обеспечивает безопасность от третьих лиц и обычно может быть выполнена только один раз. Затем «сопряженное» устройство сохраняется в списке и всегда будет автоматически подключаться, как только окажется в радиусе действия пикосети, пока активирован Bluetooth.

Пикосеть может содержать максимум восемь активно подключенных устройств Bluetooth. Кроме того, в сети теоретически могут находиться еще около 200 устройств в энергосберегающем режиме ожидания или в режиме парковки и активироваться по требованию. Устройство Bluetooth может быть зарегистрировано в качестве ведомого сразу в нескольких пикосетях, но одновременно оно может быть ведущим только в одной. Сеть scatternet состоит из десяти сетей piconet. Каждое устройство в сети может взаимодействовать с другими. Однако это негативно сказывается на скорости передачи данных.

Каждый чип Bluetooth поставляется со стеком протоколов. Это пакет программного обеспечения, который включает в себя службы для использования различных профилей Bluetooth. Подобно компьютерным драйверам, эти профили определяют тип данных, которыми могут обмениваться два устройства, и какие услуги им доступны. Обычно профили, с которыми совместимо устройство, можно найти в его технических характеристиках. Чтобы определенные функции можно было использовать, все устройства должны быть совместимы с одними и теми же профилями. Недостающие профили часто можно получить и добавить. Это можно сделать, например, через производителя микросхем или сайт поставщика стека.

В следующей таблице приведены некоторые часто используемые стандартные профили. Однако эта таблица не претендует на полноту, поскольку постоянно добавляются новые профили, чтобы иметь возможность гибко адаптироваться к новым требованиям устройств.

Bluetooth имеет широкий спектр применения и использования. Ниже приведены лишь некоторые примеры.

• Компьютеры и ноутбуки: Многие современные операционные системы Windows и Linux поддерживают Bluetooth по умолчанию. Встроенный в аппаратное обеспечение чип позволяет подключаться к различным периферийным устройствам, таким как мыши, клавиатуры, наушники и принтеры. Кроме того, беспроводная технология используется для маркеров безопасности в рамках двухфакторной аутентификации.
• Мобильные устройства: Чипы Bluetooth можно найти практически во всех современных мобильных телефонах и планшетах. Их можно использовать, например, для синхронизации файлов, фотографий и видео с домашним компьютером.
• Устройства вывода звука: Многие беспроводные колонки и гарнитуры оснащены Bluetooth, что позволяет воспроизводить MP3-файлы непосредственно со смартфона.
• Системы громкой связи: Если ваш смартфон сопряжен через Bluetooth с системой громкой связи в автомобильной магнитоле или мотоциклетном шлеме, вы можете отвечать на входящие звонки напрямую. В правильно оборудованных автомобилях бортовой компьютер также совместим с беспроводной технологией. Это позволит вам использовать дисплей кабины для навигации по контактам и меню вашего мобильного телефона.
• Фитнес-устройства и технологии «умного дома»: Некоторые фитнес-трекеры и смарт-часы передают данные о состоянии здоровья через Bluetooth непосредственно в приложение для здоровья на смартфоне. Кухонная техника, сигнализация, электронные ключи и цифровые фоторамки с поддержкой Bluetooth также способствовали всемирному успеху систем «умного дома».
• Игрушки и видеоигровые приставки: Индустрия игрушек постоянно выпускает на рынок новые куклы и фигурки, которые могут общаться и взаимодействовать друг с другом через Bluetooth. Контроллеры для популярных игровых приставок, таких как Nintendo Switch, PlayStation 4 и Xbox One, также используют этот беспроводной стандарт.
• Медицинские технологии: дорогостоящие слуховые аппараты могут быть оснащены функциями громкой связи с помощью Bluetooth. Также по беспроводной связи можно настроить технологически продвинутые протезы рук и ног, инсулиновые помпы и мониторы уровня сахара в крови.
• Промышленные приложения: И последнее, но не менее важное: технология беспроводной связи двигает вперед саму промышленность, соединяя машины и производственные объекты в сети, что позволяет в значительной степени автоматизировать производственные процессы.

Bluetooth 1.0a, первая версия стандарта беспроводной связи, была выпущена в 1999 году и имела скорость передачи данных 732,2 кбит/с. К сожалению, как и его преемник 1.0b, он страдал от некоторых первоначальных недостатков и проблем с безопасностью. Bluetooth 1.1 (начало 2001 года) первым создал прочную основу для выпуска товарной продукции. С тех пор система постоянно дорабатывалась и совершенствовалась с акцентом на безопасность, помехоустойчивость и скорость соединения.

Это привело к появлению большого количества версий Bluetooth, которые основываются друг на друге и различаются в основном максимальной скоростью передачи данных, а также диапазоном использования и применения.

В настоящее время существует более десяти различных версий Bluetooth, все они совместимы друг с другом, за исключением версии с низким уровнем энергии (LE) 4.0. Однако версии старше Bluetooth 3.0 используются редко.

В то время как многие пользователи и эксперты сравнивали Bluetooth с падающей звездой, версии LE 4.0 удалось оживить технологию. С помощью стека протоколов с низким энергопотреблением стало возможным экономить беспрецедентное количество энергии. Это также позволило использовать Bluetooth в небольших устройствах, таких как смарт-часы, электронные дверные замки и умные лампочки. С тех пор этот почти 20-летний стандарт беспроводной связи считается одной из важнейших движущих сил Интернета вещей (IoT).

Версия 4.1 теперь позволяет небольшим устройствам общаться с другими устройствами без «посредника». Например, браслет для фитнеса может напрямую обращаться к пульсометру, минуя смартфон. Еще одним новшеством является поддержка протокола IPv6, который дает каждому IoT-устройству с поддержкой Bluetooth свой собственный IP-адрес, позволяющий пользователю получить доступ к нему из Интернета. Однако версия 4.2 считается самой технологически продвинутой на сегодняшний день. Она известна своими меньшими пакетами данных, а также более высокой скоростью передачи данных, увеличенным временем автономной работы и повышенной безопасностью.

Но на этом ее преимущества не заканчиваются. В декабре 2016 года SIG выпустила долгожданный Bluetooth 5.0, который по-прежнему специализируется на устройствах IoT и очень сильно улучшил своего предшественника. Предполагается, что он увеличил пропускную способность передачи данных на 800% и расширил радиус действия до 200 метров (снаружи) или 40 метров (внутри), сохранив при этом низкое энергопотребление. Также ожидается, что он поможет дальнейшему развитию маячков. Маячки — это небольшие Bluetooth-передатчики, которые могут использоваться, например, в музеях для отправки дополнительной информации на смартфоны посетителей.

Хотя количество устройств, поддерживающих новую версию, пока довольно скромное, некоторые эксперты уже рассматривают Bluetooth 5.0 как «техническую веху», которая может даже обогнать WLAN (по крайней мере, в сфере IoT).

В настоящее время существует три класса максимальной дальности действия Bluetooth, каждый из которых основан на требованиях к устройству.

Следует отметить, что при использовании технологии Bluetooth всегда приходится искать компромисс между скоростью передачи данных/дальностью действия и энергопотреблением. Например, версия 4.0 требует очень мало энергии в режиме низкого энергопотребления, но при этом может обеспечить скорость передачи данных только 1 Мбит/с и максимальный радиус действия 10 метров. В обычном режиме она может достигать максимальной скорости 25 Мбит/с, что пропорционально увеличивает как радиус действия, так и потребление энергии. Поэтому производители устройств с поддержкой Bluetooth должны точно рассчитать, как настроить свои продукты, чтобы они подходили для использования по назначению. Только последняя версия Bluetooth 5.0 способна обеспечить радиус действия 200 метров на открытом воздухе и 40 метров в помещении благодаря усовершенствованным методам энергосбережения. Однако она также может использоваться в режиме LE или EDR.

В конечном итоге, максимальный радиус действия устройства с поддержкой Bluetooth всегда зависит от того, где оно используется — на улице или в помещении (например, в квартире). Это связано с тем, что препятствия, такие как стены, большая мебель или металлические конструкции, могут помешать соединению. Дополнительные факторы, которые могут оказать большое влияние на дальность Bluetooth-соединения, включают структуру передающей и приемной антенн, используемых для беспроводного канала связи, и тип отправляемых пакетов данных.

Различные методы, которые можно объединить под термином «скачкообразная перестройка частоты», смогли последовательно снизить восприимчивость Bluetooth к помехам от одной версии к другой. При скачкообразной перестройке частоты используемый частотный диапазон делится на отдельные каналы одинакового размера. Эти каналы быстро переключаются между собой несколько тысяч раз в секунду или по мере необходимости для обеспечения постоянной передачи данных без помех. Это гарантирует, что связь Bluetooth и другие беспроводные соединения, такие как WLAN, LTE и микроволны, не будут мешать друг другу.

Благодаря шифрованию и различным другим механизмам защиты, Bluetooth обычно считается относительно безопасным. Однако уже неоднократно было доказано, что даже самые новые версии этого беспроводного стандарта уязвимы (например, из-за неправильной реализации со стороны производителя).

Наиболее популярной целью почти всегда является распределение ключей в процессе сопряжения, во время которого злоумышленники пытаются получить PIN-код, используемый для авторизации. Поскольку его обычно нужно выделить только один раз при установлении соединения, окно для атаки такого типа обычно очень короткое.

Однако существует трюк, который не требует продвинутых компьютерных навыков или специальных технологий. Злоумышленник может использовать «атаку BlueSmack» для вмешательства в уже существующее соединение Bluetooth. Это заставляет ничего не подозревающих пользователей снова менять PIN-код, который злоумышленники затем перехватывают, чтобы получить доступ к устройству. В результате они могут перехватывать и подделывать потоки данных («bluesnarfing») и наносить финансовый ущерб, звоня на платные горячие линии и службы текстовых сообщений («bluebugging»). Однако для того, чтобы такая атака была успешной, злоумышленники должны находиться рядом с взламываемыми устройствами.

Как пользователь Bluetooth, вы можете принять некоторые меры предосторожности:

• Перед покупкой цифрового устройства поинтересуйтесь, можно ли вручную назначить PIN-код для Bluetooth-соединений (стандартные ключи, установленные производителями, такие как «0000» или «1234», не обеспечивают достаточной безопасности).
• Отключите опцию «Secure Simple Pairing» (автоматическое подключение к новым устройствам без PIN-кода, как, например, при использовании Bluetooth 2.1 + EDR), а затем настраивайте каждое Bluetooth-соединение вручную.
• Выберите длинный PIN-код, состоящий как минимум из восьми цифр, если это позволяет программное обеспечение.
• Используйте «невидимый режим», чтобы скрыть свое имя пользователя Bluetooth.
• Избегайте использования Bluetooth в людных местах, например, в общественных местах, где специализированный хакер, скорее всего, будет находиться в непосредственной близости от вас.
• Сохраняйте доверенные устройства в списке устройств Bluetooth. Таким образом, вам не придется повторно вводить PIN-код при последующем подключении, что устраняет важную точку атаки.
• Если для повторной авторизации существующего соединения вам необходимо снова ввести PIN-код, это должно стать тревожным сигналом. Если это произошло, прекратите на время попытки подключения и перейдите в другое место, чтобы оказаться вне зоны досягаемости возможного злоумышленника.
• Отключайте Bluetooth сразу после использования. Включайте Bluetooth только в том случае, если вы действительно хотите им воспользоваться. Это также помогает меньше расходовать заряд батареи вашего устройства.

Bluetooth много раз объявляли мертвым. Считалось, что эта беспроводная технология слишком сложна и медленна по сравнению с тем, как удивительно просто и быстро можно передавать данные по проводным соединениям. Однако это мнение уже давно устарело. Совсем недавно Bluetooth получил известность благодаря своей энергосберегающей версии 4.0. Он считается движущей силой революционного Интернета вещей. И если эксперты в чем-то и сходятся, так это в том, что за обычными «умными» продуктами, такими как фитнес-трекеры, устройства для умного дома и бортовые компьютеры в автомобилях, — будущее. Таким образом, можно предположить, что Bluetooth еще долгое время будет оставаться отраслевым стандартом.