A Tecnologia Bluetooth e aplicações

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1 1. Introdução A Tecnologia Bluetooth e aplicações Carlos Yassunori Kobayashi ( ) Computação Móvel BCC - IME USP Bluetooth é uma especificação industrial para a comunicação em curta distância de redes sem fio com um baixo custo e alta operabilidade. A tecnologia de Bluetooth foi projetada inicialmente para suportar redes simples de dispositivos e periféricos pessoais como celulares, PDAs, computadores e mouses. Tudo começou em 1998, quando cinco empresas (a Ericsson, a Nokia, a IBM, a Intel e a Toshiba) formaram um consórcio chamado Bluetooth SIG (Special Interest Group) com o objetivo de expandir e promover o conceito Bluetooth e estabelecer um novo padrão industrial. Atualmente, já fazem parte deste consórcio empresas como 3Com, Compaq, Dell, HP, Lucent, Motorola, NTT DoCoMo, Philips, Samsung, Siemens e Texas. Como o Wi-Fi e outras tecnologias wireless atuais, as preocupações com o Bluetooth incluem a segurança e a interoperabilidade com outros padrões de networking. 2. Características Tecnológicas Cada "equipamento Bluetooth" trará embutido dentro dele um chip que nada mais é que um micro rádio transceptor ("Bluetooth Radio"). O protocolo opera na faixa de licença-livre ISM (Industrial, Scientific, and Medical) em 2,45 gigahertz. Alcança velocidades de até 723,1 kbit/s. A fim evitar interferência com outros protocolos que podem estar usando a faixa de 2,45 gigahertz, o protocolo do Bluetooth divide a faixa em 79 canais e muda de canal até 1600 vezes por o segundo. Embora o Bluetooth utilize a mesma banda de 2,45 gigahertz do b e g, a tecnologia de Bluetooth não é um substituto Wi-Fi apropriado. Comparado ao Wi-Fi, uma rede Bluetooth é muito mais lenta e suporta poucos dispositivos. As redes Bluetooth se caracterizam por formarem uma topologia dinâmica chamada piconet ou PAN (bandeja de) piconets que contem no mínimo dois e no máximo oito dispositivos em rede. Os dispositivos comunicam-se usando protocolos que são parte da especificação do Bluetooth. A versão 1.1 é a especificação mais difundida hoje em dia, tendo as versões 1.2 e 2.0 sob desenvolvimento. O documento de especificação do Bluetooth tem mais de mil páginas e cobre aspectos desde do rádio transceptor até a implementação dos profiles para fabricantes externos ao SIG. Inclui, também, as descrições de todas as camadas, dos detalhes da tecnologia no silicone, no hardware e no software. Os sinais wireless transmitidos em Bluetooth alcançam distâncias curtas, tipicamente de até 10 metros. 1

2 3. Como ele funciona Os dispositivos Bluetooth conectam-se em piconets - pequenas redes compreendidas de um dispositivo mestre conectado em qualquer lugar com um a sete dispositivos escravos (slaves) ativos. Quando os piconets múltiplos são interconectados, criam redes wireless chamadas scatternets. A figura abaixo ilustra um piconet formado pelos nós A, D, K, L, M, e G, que interage com um outro piconet formado pelos nós H, E, C, K e L. Estes dois piconets compartilham os nós K e L, e juntos formam um scatternet.. Os dispositivos de Bluetooth têm quatro estados básicos de operação: 1. Mestre (Master) - No controle de um piconet (nós A e H); 2. Escravo Ativo (Active slave) - Conectado e participando ativamente de uma rede piconet, monitorando ou participando; 3. Escravo Passivo (Passive slave) Continua logicamente parte de uma piconet, mas em modo de baixa prioridade; ocasionalmente monitorando a rede, permanece sincronizado; 4. Em espera (Standby) - Não está conectado a um piconet, aguardando ocasionais pedidos de outros dispositivos, não sincronizado com o resto da rede (nós B, J, I, e F). Em Espera. Inicialmente, todos os dispositivos não estão sincronizados, nem coordenados de alguma maneira. Todos ficam monitorando a rede em diferentes momentos e freqüências. Os dispositivos Bluetooth tem inicialmente conhecimento somente sobre eles próprios e que seu estado é em espera. A espera é um estado passivo onde um dispositivo Bluetooth monitora uma ocasional base, respondendo a pedidos feitos e as paginações (durante 10 milisegundos a cada 1,28 segundos) para ver se algum outro dispositivo de Bluetooth está tentando se comunicar. O comportamento passivo é inerente à metade dos estados de um Bluetooth (escravo em espera e passivo) e é um mecanismo chave para se conseguir um baixo consumo de energia. No estado em espera, as varreduras ocasionais de outros dispositivos Bluetooth reduzem o consumo de potência por volta de 98%. A paginação é a maneira que um dispositivo Bluetooth fica sabendo sobre os outros dispositivos que estão dentro de sua área de alcance. O nó A da figura executa um comando na área e recebe as respostas dos outros dispositivos que estão dentro da área. Com estas respostas, o dispositivo A fica sabendo da identidade explícita destes outros dispositivos (tais como o ID único dos produtos Bluetooth). Piconets no seu formato padrão, um comando de paginação estabelece um link formal entre os dispositivos mestres e escravos. As conexões entre o mestre e escravo no Bluetooth são definidas como sendo um piconet. Para criar um piconet, o dispositivo A transmite um comando de paginação com ID explícito do escravo alvo (dispositivo D em figura 3). Todos os dispositivos Bluetooth que não sejam o dispositivo D ignoram o comando, porque não foram a eles endereçados. Quando o dispositivo D responde ao pedido, o dispositivo A irá atribuir a ele um endereço como membro ativo do piconet. Um escravo ativo, o dispositivo D começará a monitorar continuamente a rede para comandos adicionais do dispositivo A, como dados para a sincronização com o dispositivo A e o intervalo de clock de transmição. Além disso, uma das atividades padrão do piconet é continuamente atualizar o intervalo de clock, mantendo a sincronização extremamente acurada. Com comandos de paginação sucessivos, um mestre de um piconet conseguirá reunir até sete escravos ativos. Scatternets cada nó de uma rede Bluetooth é capaz de manter múltiplos estados simultaneamente. Isto permite que vários piconets se combinem em uma estrutura chamada scatternet. Na figura, dois piconets combinamse em um scatternet através dos escravos K e L. Scatternets pode evoluir em estruturas extremamente complexas. Perceba que um nó pode potencial ser um mestre, um escravo ativo, e um escravo em espera em três piconets diferentes, tudo ao mesmo tempo. A única limitação severa em configurações scatternet é que cada nó pode somente ser o mestre de um piconet em um dado momento. Uma característica essencial que faz tais configurações serem práticas é o suporte para a qualidade do serviço (QoS) no L2CAP. Através deste mecanismo L2CAP, os dispositivos de Bluetooth podem determinar que as conexões que estão estabelecendo serão praticáveis e sustentáveis. Assim, um nó não 2

3 concordaria com uma conexão adicional se ela exigir uma largura de banda que ele é incapaz de suportar. Entretanto, ele pode negociar para estabelecer uma outra conexão, mas em uma taxa de dados mais modesta que ele possa suportar. 4. Arquitetura do Protocolo O núcleo do protocolo é uma pilha de cinco camadas que consiste dos seguintes elementos: Rádio: Especifica os detalhes da interface de aérea, incluindo a freqüência, o uso do hopping (salto de canais), esquema de modulação e o alcance de transmissão; Baseband: Preocupa-se com o estabelecimento da conexão dentro de uma piconet, endereçamento, formato do pacote, sincronismo e controle de energia; Link manager protocol (LMP): Responsável pelo setup entre os dispositivos Bluetooth e gerência de requisições externas. Isto inclui aspectos de segurança como a autenticação e criptografia, mais o controle do tamanho do pacote do baseband; Logical link control and adaptation protocol (L2CAP). Adapta os protocolos da camada superior à camada do baseband. Service discovery protocol (SDP): a informação do dispositivo, os serviços e as características dos serviços requeridos podem ser fornecidos para permitir a conexão entre dois ou mais dispositivos Bluetooth. tecnologia IrDA (Infrared Data Association) perderá importância, evitando-se desta maneira a desvantagem de sua pequena largura de banda, além do fato de precisarem manter os dispositivos alinhados. Hoje em dia o problema não é exatamente o "cabo de conexão", mas sim o "cabo de conexão proprietário": cada fabricante tem sua especificação, dificultando a interligação dos equipamentos. A tecnologia Bluetooth visa a conectividade num sentido mais geral, envolvendo todos os equipamentos de uma mesma área (pequena), particularmente entre os "móveis" que entram e saem, interagindo entre si e com os "fixos". Dentro do limite de 10 metros de distância, o consumo de cada transmissor Bluetooth é de aproximadamente 50mÅ, algo em torno de 3% do que um celular atual consome e um valor bem menor comparado a outras tecnologias sem fio atuais. O baixo consumo de energia permitirá que os notebooks, celulares e handhelds já saiam de fábrica com a tecnologia acoplada sem o comprometimento da autonomia das baterias. Esta foi a idéia original, mas os criadores logo perceberam que muito mais era possível. Se você puder transmitir a informação entre um computador e uma impressora, porque não transmitir dados de um telefone móvel a uma impressora, ou mesmo uma impressora a uma impressora? O baixo custo projetado de um chip Bluetooth (~$5) e seu baixo consumo de energia, permitem que você literalmente possa colocá-lo em qualquer lugar. 5. Limitações de Segurança Devido ao fato do bluetooth utilizar ondas de rádio, muitos especialistas temem a sua segurança. Tal fato pode ser explicado por três aspectos: (1) a seqüência específica do hopping de canais é conhecida somente à emissão e aos dispositivos de recepção (2) rotina de autentificação do tipo desafio-resposta para verificar a validade da unidade de recepção (3) a chave de criptografia com tamanho 128-bits para estabelecer a transmissão entre dispositivos. Vulnerabilidades do Bluetooth (Nov/2003) em: 6. Vantagens do BlueTooth Com o Bluetooth as conexões através de cabos tenderão a desaparecer. Da mesma maneira que a 7. Aplicações O Bluetooth é flexível o suficiente para ser usado em quase tudo. Tendo em mãos tanto um notebook quanto um celular equipado com transmissores Bluetooth, será possível acessar a Internet pelo celular, editar a lista de telefones do aparelho, baixar recados, fazer ligações, 3

4 enviar mensagens de texto, etc. sem precisar ligar fios ou mesmo tirar o celular do bolso, já que os dois estarão em comunicação permanente. Você também poderia, por exemplo, usar o notebook para gravar as suas chamadas de voz. Qualquer pessoa pode criar uma rede pessoal em casa ou na rua com dispositivos compatíveis com o Bluetooth - tais como o teclado, o mouse, o scanner, o PDA, o laptop, o celular, etc. Esta rede pode automaticamente ajudar sincronizar notas, calendário, livro de endereço e para imprimir também retratos, receber s, mensagens de telefones do celular, etc. Outra aplicação útil poderia ser nas câmeras fotográficas digitais. Conforme a resolução das fotos vem crescendo, a quantidade de memória vem se tornando um problema cada vez maior. Algumas câmeras estão vindo com 64 MB de memória flash (que custam uma fortuna). Através do Bluetooth a câmera poderia transmitir as fotos tiradas diretamente para um notebook próximo, ou mesmo postá-las na Internet usando o celular como meio de acesso. As possibilidades são inúmeras. Falando em possibilidades, já existe até uma caneta Bluetooth, da Anoto, que transmite tudo o que você escreve, de forma digitalizada, para o PC mais próximo. Outra aplicação que poderá se tornar popular são as redes sem fio. Apesar da velocidade de transmissão do Bluetooth ser mais baixa que permitida pelas redes Ethernet (10 ou 100 Mbps), caso os desktops e notebooks passassem a vir com os transmissores Bluetooth embutidos, muita gente poderá preferir utilizar o Bluetooth pela praticidade de conexão, já que 1 Mbps já são suficientes para compartilhar uma conexão com a Internet via ADSL ou cabo, e transmitir pequenos arquivos. Com essa largura de banda aplicações de vídeo digital ainda não estão no escopo do Bluetooth. Por fim, um dispositivo Bluetooth pode funcionar como um identificador pessoal que pode se comunicar com outros dispositivos Bluetooth em sua residência. Após chegar em casa, a porta automaticamente se destrava para você e as luzes são acesas. Além disso, um dispositivo Bluetooth contendo suas informações pessoais pode funcionar com uma carteira eletrônica de dinheiro. Ao se fazer compras, uma registradora desconta o valor da mercadoria adquirida. O esforço contínuo para definir novos profiles garante que o Bluetooth continuará competitivo. E os profiles, definidos pelo SIG, pretendem assegurar a interoperabilidade entre as aplicações Bluetooth e dispositivos de diferentes fabricantes. Estes perfis definem as características específicas de cada aparelho. Todos os dispositivos de Bluetooth devem dar suportar no mínimo ao Generic Access Profile. Este perfil define os procedimentos de conexão e para vários níveis da segurança. 9. Conclusão Embora a tecnologia Bluetooth seja sem fio, o seu modelo de uso e aplicações são completamente diferentes das redes wireless. Os produtos compatíveis com o Bluetooth fornecem uma ligação sem fios entre vários dispositivos com a interface e criam redes pessoais móveis que enriquecem o estilo de vida digital. A tecnologia de Bluetooth não suporta taxas de dados elevadas com as de LANs wireless, mas suporta transmissões de dados e voz com qualidade igual a dos wireless, por exemplo, um canal assíncrono para dados e até três canais síncronos para voz. Essa capacidade de voz e dados junto com seu baixo preço, padronização mundial (automatic service discovery) e possibilidade de redes que podem ser formadas em qualquer lugar (ad hoc device connection) oferecem soluções superiores e são bons presságios para o sucesso do Bluetooth no mercado. 10. Referências The Official Bluetooth Site - Bluetooth from Wikipedia - Bluetooth Wireless Technology and Personal Area Networking - /bluetooth.htm 8. Futuro do Bluetooth O SIG está trabalhando em um ritmo acelerado para prover melhorias e atender ao feedback dos fabricantes de aparelhos Bluetooth. Além de pesquisa com a velocidade, segurança, ruído no sinal, o SIG continua a desenvolver novos profiles. 4

5 Table 1 - Bluetooth specifications compared to competing wireless local area network technologies Technology Bluetooth HomeRF b HiperLAN a HiperLAN2 Frequency Band 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 5GHz 5GHz Technology Frequency Hopping Spread Spectrum Frequency Hopping Spread Spectrum Direct Sequence Spread Spectrum Guassian Minimum Shift Keying Orthogonal Freq. Division Multiplexing Orthogonal Freq. Division Multiplexing 720 Kbps 1.6 Mbps 11 Mbps 23 Mbps ~50 Mbps ~50 Mbps Range <10 meters 50 meters 150 meters 150 meters 50 meters 50 meters Power Very Low Medium Medium Medium Medium High? Medium High? Relative Cost Low/ Very Low Medium/Low Medium Medium High High Target Applications Fixed N/W Support Key Features Cable Replacement Wireless Data Wireless Voice Personal Networks Wireless Data Wireless Voice PPP, Ethernet DECT, Ethernet Ethernet Ethernet Very Low Power Voice and Data Roaming Low Cost Good noise immunity Voice and Data Moderate Cost Wireless Data Wireless Data Wireless Data Wireless Data Good Good Ethernet, PPP, 1394, UMTS High Ethernet, IP, ATM High Promoters <50 ~100 <50 ~100 <50 Regional Support Worldwide US US/Asia Europe US Europe 5