Bluetooth. Fabio Henrique Nishihara Professor: Alfredo Goldman vel Lejbman. 13 de dezembro de Resumo

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1 Bluetooth Fabio Henrique Nishihara Professor: Alfredo Goldman vel Lejbman 13 de dezembro de 2004 Resumo Bluetooth é o nome dado a uma tecnologia de conexão sem fio (wireless) de curta distância que possibilita a conexão entre dispositivos como celulares, PDA s, fones de ouvido, microfones, computadores, teclados, entre outros. Neste trabalho apresentaremos uma introdução sobre o Bluetooth, citando suas características e alguns de seus possíveis usos. Descreveremos também a sua especificação e mostraremos algumas vantagens e desvantagens dessa nova tecnologia. 1

2 1. Introdução Um computador está conectado a diversos dispositivos, como teclado, mouse, monitor, impressora entre outros. Na maioria dos casos eles estão conectados por cabos, que acabam se tornando um problema para muitos escritórios e casas. Esses cabos acabam, freqüentemente, se transformando na famosa macarronada. Além disso, muitas pessoas já ficaram em dúvida para saber qual cabo será conectado em qual lugar. O Bluetooth basicamente resolve esse problema. A idéia original do Bluetooth surgiu em 1994, quando a empresa Ericsson iniciou um estudo que visava substituir os cabos que ligavam seus aparelhos celulares aos diversos acessórios existentes por meio de uma tecnologia sem fio acessível. Mas logo se percebeu que muito mais se podia fazer, como por exemplo, a transmissão de dados entre um celular e uma impressora ou a substituição dos cabos que transmitem dados entre um computador e seus dispositivos ou, ainda, uma geladeira que se comunica com um PDA (Personal Digital Assistant) informando que a comida e as bebidas estão acabando. Em 1998, a Ericsson ganhou suporte da Intel, IBM, Toshiba e Nokia para desenvolver o padrão que passaria a ser conhecido como Bluetooth. Essas 5 empresas vieram a formar o Bluetooth SIG (SIG é uma sigla para Special Interest Group, que é normalmente relacionado a uma organização ou uma tecnologia). Depois foram se juntando novas empresas, como Lucent, Motorola e Microsoft. Atualmente, o Bluetooth SIG conta com mais de 2000 empresas associadas no mundo inteiro. O nome Bluetooth é uma homenagem ao rei da Dinamarca, Harald Blatand, que viveu no final do século X. Em inglês, Harald Blatand significa Harold Bluetooth. Ele unificou e controlou os reinos nórdicos da Dinamarca e da Noruega. Por isso a escolha do nome Bluetooth, que une diferentes dispositivos de diferentes fabricantes. O trabalho está organizado da seguinte maneira. Na seção 2 apresentaremos uma introdução sobre o Bluetooth e suas características. Na seção 3 falaremos sobre o Bluetooth SIG. Na seção 4 descreveremos a especificação do Bluetooth, suas duas especificações e suas camadas. Na seção 5 comentamos algumas conclusões e apresentamos algumas vantagens e desvantagens sobre o uso do Bluetooth em comparação com outras tecnologias existentes e, por fim, na seção 6 está a lista das referências utilizadas neste trabalho. 2

3 2. O que é Bluetooth Bluetooth é uma tecnologia para conexão sem fio (wireless) de curta distância de dispositivos como celulares, PDA s, fones de ouvido, microfones, computadores, teclados, impressoras, alto falantes entre outros (veja a Figura 1). E a sua especificação descreve como esses dispositivos podem ser facilmente conectados uns aos outros. Figura 1 Dispositivos Bluetooth A proposta dessa nova tecnologia é permitir a substituição dos vários cabos proprietários existentes que são usados para a conexão destes dispositivos por uma solução padronizada que possa ser adotada mundialmente. Cada dispositivo Bluetooth tem um micro rádio transceptor (Bluetooth transceiver) que opera na banda ISM (Industrial, Scientific and Medical) na faixa de freqüências entre 2,4 GHz e 2,803 GHz. Opera nessa faixa de freqüência porque não precisa de nenhuma autorização para ser utilizada e está disponível na maioria dos países. O Bluetooth é padronizada pelo IEEE como uma Wireless Personal Area Network (WPAN). 3

4 Suas principais características são: Baixo custo do Bluetooth tranceiver; Baixo consumo de energia; Transmissão de dados e voz; Cobertura pequena, tipicamente 10 metros; Velocidade máxima de 721 Kbps; Pode ter até 8 dispositivos Bluetooth; Transmissão síncrona e assíncrona; Conexão ponto-a-ponto e ponto-a-multiponto; Full-duplex; Alguns usos do Bluetooth são: Falar no celular por um headset sem fio, como, por exemplo, o modelo V600 da Motorola; Falar no celular dentro de um carro usando o equipamento de som dele como viva-voz, como, por exemplo, o modelo Stilo da Fiat; Conectar o computador ao teclado, mouse, impressora, monitor, microfone e outros dispositivos sem a necessidade de cabos. Conectar seu computador, notebook ou PDA na Internet através do celular ou da rede da empresa. Sincronizar automaticamente seu computador, seu notebook, seu PDA e seu celular. Assim que uma pessoa entrar em seu escritório, sua agenda no seu PDA automaticamente atualizará a agenda no computador do seu escritório. Transferência de arquivos de um computador para outro, ou para um PDA. Por exemplo, transferência de músicas de um PDA para o som de casa ou do carro. A geladeira informa ao PDA que precisa comprar queijo, ovos e cervejas, pois estão acabando. Um flash sobre alguns dos possíveis usos do Bluetooth pode ser visto em: 4

5 3. Bluetooth SIG A arquitetura do Bluetooth e suas características técnicas estão definidas na especificação que é feita pelo Bluetooth SIG, que é uma associação comercial formada pelos lideres das indústrias automotivas, de telecomunicações, de computação, de automação industrial e de rede. O Bluetooth SIG foi criado em 1998 e era formado inicialmente pelas empresas Ericsson, IBM, Nokia, Toshiba e Intel. Depois, novas empresas, como a Microsoft, Motorola, Agere e 3Com, foram se associando. Atualmente, o Bluetooth SIG conta com mais de 2000 empresas associadas no mundo inteiro. Em julho de 1999, o Bluetooth SIG publicou a primeira especificação do Bluetooth. Desenvolver a especificação é uma das principais tarefas do grupo, mas existem outras tarefas incluindo o requerimento de interoperabilidade (interoperability requirements), harmonização da freqüência de banda e promover a tecnologia. Para um dispositivo ter a marca Bluetooth, o Bluetooth SIG realiza um teste no dispositivo para ver se ele está dentro das especificações. Assim, qualquer dispositivo com a marca Bluetooth funcionará corretamente. Esse teste é chamado de qualificação e os produtos qualificados podem ser encontrados no site do Bluetooth. 4. Especificação A especificação é dividida na especificação Bluetooth Core e na Bluetooth Profiles. A especificação Bluetooth Core descreve como a tecnologia funciona, isto é, a arquitetura do protocolo Bluetooth; A especificação Bluetooth Profiles descreve como a tecnologia é usada, isto é, como diferentes partes da especificação podem ser usadas para realizar a função desejada para o dispositivo. A idéia é que se todos seguirem essa especificação, todos os dispositivos Bluetooth se comunicarão uns com os outros. Ao contrário de outros padrões, a especificação compreende não apenas a camadas mais baixas da rede, mas também a camada da aplicação. Os elementos que definem a estrutura do Bluetooth são mostrados na Figura 2. 5

6 Figura 2 - Pilha de Protocolos do Bluetooth Figura 3 - Bluetooth Profiles Para que dois dispositivos (servidor e cliente) se comuniquem, suas aplicações devem rodar sobre a mesma pilha de protocolos, isto é, sobre um mesmo profile (veja na 6

7 Figura 3, nas linhas horizontais temos os protocolos e nas linhas verticais temos os profiles). Um exemplo de uma pilha de protocolos (top-to-bottom) é: vcard OBEX RFCOMM L2CAP Baseband Na parte mais baixa da pilha de protocolos está a camada de Radio. Esta camada lida com a transmissão de dados via RF (Radio Frequency) e sua modulação. Ela define os requisitos para que um transceptor Bluetooth opere na banda ISM 2,4 GHz. A camada a seguir, Baseband, descreve a especificação do Controlador de Enlace (LC Link Controller) do Bluetooth, sendo responsável pelo protocolo da baseband e por outras rotinas de enlace de baixo nível. Em seguida, o LMP (Link Manager Protocol - Protocolo de Gerenciamento de Enlace) é utilizado pelo LM (Link Manager - Gerenciador de Enlace) na configuração e no controle dos mesmos. HLC (Host Controller Interface Interface de Controle do Host) provê as camadas superiores, uma interface padrão de acesso ao LC e ao LMP. O próximo elemento, L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol Protocolo de Adaptação e Controle do Enlace Lógico), realiza a segmentação e montagem dos pacotes, a multiplexação e demultiplexação dos mesmos, e lida ainda com os requisitos de qualidade de serviço (QoS). Acima dele, o protocolo RFCOMM provê a emulação da porta serial sobre o protocolo L2CAP, permitindo que dispositivos já existentes possam ser facilmente incorporados ao sistema. Por fim, o SDP (Service Discovery Protocol Protocolo de Descoberta de Serviço) provê meios para aplicação descobrir quais serviços estão sendo fornecidos e disponíveis nos dispositivos Bluetooth. Ele também permite que aplicações determinem as características desses serviços. Nas próximas seções descreveremos as duas especificações. Na seção 4.1 descreveremos a especificação Bluetooth Core e na seção 4.2, a especificação Bluetooth Profile. 7

8 4.1. Especificação Bluetooth Core Bluetooth Radio Essa camada é a mais baixa definida na especificação. O Bluetooth opera na banda ISM (Industrial, Scientific and Medical). Opera nessa banda porque não precisa de nenhuma autorização para ser utilizada e está disponível na maioria dos países. Por não precisar de autorização e por sua disponibilidade, a banda ISM é uma faixa de freqüência compartilhada por muitos dispositivos, como o forno microondas e o WI- FI, e, portanto, existe uma grande interferência de ruído nessa faixa. Para tentar resolver esse problema, a transmissão de dados é realizada utilizando-se a técnica de espalhamento de espectro por saltos de freqüência (FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum). Esta técnica consiste em dividir a banda existente em canais independentes que mudam a freqüência de transmissão dos dados ao longo do tempo. Na maioria dos países, o Bluetooth opera na faixa de freqüências entre 2,4 GHz e 2,803 GHz. Mas existem poucos países, como a França, onde essa faixa de freqüência é reduzida. A especificação define 79 canais com faixas de 1 MHz cada, abrangendo a faixa de freqüência que vai de MHz a MHz. No caso da França e nos outros países que tem a faixa de freqüência reduzida, o número de canais é menor, mais especificamente 23 canais. Em ambos, as primeiras freqüências e as últimas atuam como guarda de banda. Cada dispositivo é classificado em 3 classes de potência: Classe 1: com potência máxima de transmissão de 100 mw, para dispositivos de longo alcance (até 100 metros). Classe 2: com potência máxima de transmissão de 2,5 mw, para dispositivos de médio alcance (até 10 metros). Classe 3: com potência máxima de transmissão de 1,0 mw, para dispositivos de curto alcance (até 10 centímetros). A transmissão dos dados é realizada utilizando-se a modulação GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), onde o bit 1 é representado por uma variação positiva da freqüência e o bit 0, por uma variação negativa da freqüência. 8

9 Baseband Baseband é a camada física do Bluetooth e está acima da camada de Radio. Ele gerencia os canais e links físicos, além de outros serviços como detecção e correção de erro, segurança, entre outros. A camada Baseband é implementada como um Controlador de Enlace, que trabalha com o Gerenciador de Enlace para realizar as rotinas de enlace de baixo nível. O Baseband também faz o gerenciamento de conexões síncronas e assíncronas, faz a manipulação de pacotes e faz paging e inquiry para acessar e buscar dispositivos Bluetooth na área. Nas seções seguintes descreveremos: Canal Físico Link Físico Pacotes Controle do Canal Canal Físico Conforme dito anteriormente, o Bluetooth utiliza a técnica de frequency hopping para evitar interferências externas. O canal é representado por uma seqüência pseudoaleatória de saltos entre os canais de RF existentes. A mudança de freqüência de transmissão ocorre a uma taxa de 1600 Hz, havendo, portanto, intervalos de tempo (time slots) de 625 µs entre uma freqüência e outra. A transferência de pacotes deve ocorrer dentro destes intervalos de tempo, não podendo ocorrer variação de freqüência durante o envio deles. A Figura 4 é um exemplo da técnica frequency hopping. A figura mostra dois canais, um vermelho e outro amarelo, com uma seqüência de freqüência de saltos diferentes de tamanho 4. 9

10 Figura 4 Frequency Hopping A especificação permite o envio de pacotes com duração de 1, 3 e 5 time slots, sendo que nestes dois últimos casos a freqüência de transmissão deve permanecer constante, igual a freqüência correspondente ao primeiro time slot utilizado (veja Figura 5). Figura 5 Pacotes ocupando vários slots O Bluetooth permite o envio de dados ponto-a-ponto, envolvendo dois dispositivos apenas, ou ponto-a-multiponto, envolvendo dois ou mais dispositivos. Dois ou mais dispositivos usando o mesmo canal formam um piconet. Em cada piconet existem um dispositivo que desempenha o papel de master (mestre) e os outros atuam como slaves (escravos) do master. 10

11 Quando duas ou mais piconet presentes em uma mesma área de atuação possuem dispositivos Bluetooth em comum, eles formam uma scatternet. As piconets de uma scatternet devem possuir seqüência de saltos em freqüências distintas. Um mesmo dispositivo pode atuar como slave em mais de uma piconet, mas poderá ser master em apenas uma delas. A Figura 6-a representa uma conexão do tipo ponto-a-ponto. A Figura 6-b representa uma conexão do tipo ponto-a-multiponto (piconet). A Figura 6-c representa uma scatternet. Figura 6 (a) Conexão ponto-a-ponto; (b) Conexão ponto-a-multiponto (Piconet); (c) Scatternet Em uma mesma piconet podem coexistir 7 dispositivos slaves ativos e até 255 dispositivos slaves não ativos, que são definidas na especificação como parked slave. É o papel do master controlar o acesso dos slaves no canal. Em uma piconet, toda comunicação ocorre entre o master e os slaves. Não existe comunicação direta entre os slaves. A seqüência de saltos de uma piconet é única e é determinada pelo endereço do dispositivo Bluetooth do master e a fase na seqüência de saltos é determinada pelo relógio do master. Os time slots são numerados de acordo com o relógio do master na piconet. O dispositivo master só pode transmitir seus dados nos time slots pares, enquanto que os slaves só podem transmitir nos time slots ímpares. A transmissão e recepção dos pacotes de forma alternada no tempo são conhecidas como TDD (Time 11

12 Division Duplex), resultando em uma comunicação full-duplex entre os dispositivos. A Figura 7 apresenta um exemplo de transmissão de pacotes através do TDD. Figura 7 Time Division Duplex (TDD) Link Físico A especificação do Bluetooth define dois tipos de links entre os dispositivos master e slave: SCO (Synchronous Connection-Oriented) e ACL (Asynchronous Connection- Less). O link SCO é um link ponto-a-ponto simétrico entre um master e um único slave em uma piconet, onde os time slots ficam reservados em intervalos de tempo fixo. A reserva destes slots faz com que o link se comporte como uma conexão comutada por circuito (circuit switching), sendo, portanto, ideal para a transferência de informações com restrições de tempo. O link SCO transmite principalmente áudio. De fato, cada canal SCO pode transmitir a uma taxa máxima de 64 Kbps, mesma taxa exigida para a transferência de voz PCM. Pacotes SCO nunca são retransmitidos. Uma vez que não existe retransmissão de dados no caso de erro, os dados de um pacote podem ser enviados com redundância para permitir a correção de uma parcela dos erros durante a transmissão dos dados. 12

13 Um master pode ter até 3 links deste tipo, que podem ser empregados para a comunicação com um único slave ou com slaves distintos. Um slave pode ter até 3 links deste tipo, caso a comunicação seja com um mesmo master, ou até 2 links, caso dois master estejam envolvidos. O link ALC é um link ponto-a-multiponto entre um master e todos seus slaves ativos participando de uma piconet. O link ACL transmite principalmente dados. Os links ACL, ao contrário dos links SCO, fazem retransmissão de pacotes, assegurando assim, a integridade dos dados enviados. O link ACL seria análogo a uma conexão comutada por pacotes (packet switching). Entre um master e um slave pode existir um único link ACL, independente de haver conexões SCO estabelecidas. Na Figura 8 apresenta um exemplo de transmissão de dados usando SCO e ACL. Figura 8 Link SCO e ACL O formato dos pacotes SCO e ACL é descrito a seguir. Pacotes Todos os dados no canal de uma piconet são transportados em pacotes. O formato geral de um pacote Bluetooth é mostrado na Figura 9. Conforme pode ser observado, o pacote é composto por três entidades: código de acesso (68/72 bits), cabeçalho do pacote (54 bits) e campo de payload ( bits). 13

14 Figura 9 Formato geral de um pacote do Bluetooth Código de Acesso (Access Code) Constitui a primeira parte do pacote, são usados para a sincronização de tempo dos dispositivos, compensação do offset, fazer paging e inquiry e fazer a identificação da piconet ou do dispositivo endereçado. Os tipos de código de acesso são CAC (Channel Access Code), DAC (Device Access Code) e IAC (Inquiry Access Code). O código de acesso ao canal (CAC), identifica a piconet de forma única, sendo incluído em todos os pacotes transmitidos através do canal. O código de acesso ao dispositivo (DAC) é o código de acesso para o procedimento de paging. O código de acesso de inquiry (IAC) é utilizado quando o master deseja descobrir quais dispositivos Bluetooth estão presentes em seu raio de ação. O inquiry pode ser GIAC (General Inquiry Access Code) ou DIAC (Dedicated Inquiry Access Code). GIAC é direcionado a todos os dispositivos e DIAC é direcionado a um subgrupo de dispositivos que possuem alguma característica em comum. Cabeçalho do Pacote (Header) O cabeçalho do pacote contém informações sobre o tipo do pacote, numeração do pacote para ordenação, fluxo de controle, endereço do slave e para checagem de erro do cabeçalho. O endereço do slave ativo em uma piconet é um rótulo de 3 bits únicos. Todos os bits for 0 é utilizado para mensagens de broadcast. É interessante observar que o master não possui rótulo próprio. No caso, o pacote trocado entre o master e um slave contém o endereço do slave. No cabeçalho há um campo que especifica qual é o tipo do pacote. São definidos 16 tipos, sendo que a interpretação do seu significado depende do tipo de link físico utilizado (SCO ou ACL). Existem pacotes específicos para o link SCO e para o link ACL. Também existem pacotes comuns para ambos tipos de links. 14

15 Campo de Payload O conteúdo desse campo depende do tipo de pacote enviado. De forma geral, quando o pacote em questão não é de controle, este campo pode ser composto por um campo de voz, um campo de dados ou por ambos. Se o campo é de dados, então o payload também conterá um cabeçalho. Controle do Canal Um dispositivo Bluetooth pode se encontrar em dois estados principais, denominados standby e connection. O estado de standby é o estado padrão de baixo consumo, onde apenas o relógio nativo do dispositivo permanece ativo. No estado de connection, o dispositivo pode interagir com os demais dispositivos presentes. Existem 7 sub-estados que são usados para adicionar slaves e para fazer conexões na piconet: inquiry, inquiry-reponse, inquiry-scan, page, page-scan, master-response, e slave-response. Na Figura 10 é mostrado o diagrama de estados do controlador do Bluetooth. Figura 10 Diagrama de estados do controlador do Bluetooth 15

16 A conexão entre dois dispositivos é estabelecida através da realização dos procedimentos de inquiry e paging. Quando nada é conhecido sobre o dispositivo remoto, ambos procedimentos serão necessários para que seja estabelecida a conexão. Porém, se alguns detalhes sobre o dispositivo remoto são conhecidos, somente o procedimento de paging é necessário. O procedimento de inquiry permite Figura 11 que sejam descobertos os dispositivos Bluetooth que se encontram ao alcance do dispositivo fonte (isto é, que inicia o procedimento) e determinar o endereço e relógio desses dispositivos. Este procedimento tem inicio com a fonte entrando no estado de inquiry, no qual ela difunde pacotes do tipo IAC. Isso é mostrado na Figura 11. Estes pacotes são Figura 12 enviados seguindo uma seqüência de freqüências denominada inquiry hopping sequence. Para receber este pacote, o dispositivo destino (isto é, que responde ao procedimento) deve se encontrar no estado de inquiry-scan. Ao receber o pacote IAC, ele passa para o estado de inquiry-response e envia um pacote de resposta contendo seu endereço e seu relógio. Isso é mostrado na Figura 12. Este pacote é enviado utilizando uma seqüência de freqüências denominada inquiry response hopping sequence. Após esse procedimento de inquiry, o fonte tem os endereços e relógios dos dispositivos a seu alcance (veja a Figura 13). E a conexão pode ser estabelecida usando o procedimento de paging. O dispositivo fonte passa a ser o master da conexão. Figura 13 16

17 Na Figura 14 é mostrado o procedimento de paging, onde o fonte envia pacotes do tipo DAC para os dispositivos desejados. Para que um dispositivo destino possa receber a mensagem de paging (pacote DAC), ele deverá se encontrar no estado de pagescan, na qual ele escuta o canal esperando por uma mensagem com o seu endereço. Ao Figura 14 receber essa mensagem, o dispositivo entra no estado de slave-response e envia uma mensagem de resposta contendo o seu endereço, utilizando para isso uma seqüência de freqüências denominada page response hopping sequence. Ao receber esta resposta, o fonte entra no estado de master-response e envia ao dispositivo destino um pacote com seu relógio e sua seqüência de saltos de freqüência (veja a Figura 15 Figura 15), utilizando uma seqüência de freqüências denominada page hopping sequence. Ao receber esse pacote, o dispositivo destino deve enviar um pacote de resposta com seu endereço. A partir daí está estabelecida à conexão e o dispositivo destino (slave) passa a utilizar o relógio e a seqüência de saltos de freqüência do canal do dispositivo Figura 16 fonte (master) veja a Figura 16. Os primeiros pacotes trocados no estado de connection contêm mensagens utilizadas no estabelecimento de links SCO ou ACL. Uma vez estabelecidos, a troca de informações entre os dispositivos pode ser realizada. Durante o estado de connection, o master envia pacotes para verificar sua ligação com os slaves. Caso não tenha resposta destes pacotes por um determinado time slots, então ambos os dispositivos deverão restabelecer a conexão. 17

18 LMP LMP significa Link Manager Protocol (Protocolo de Gerenciamento de Enlace). O LM (Link Manager - Gerenciador de Enlace) é responsável pela configuração do link, pela segurança que incluem aspectos como autenticação e fazer criptografia. Ele também faz o gerenciamento da piconet, como, por exemplo, controlando os estados de conexões de uma piconet (standby, connection, inquiry-reponse, inquiry-scan, page, page-scan, master-response, slave-response e inquiry-response) e os modos de energia de um dispositivo. O dispositivo Bluetooth pode estar em um dos seguintes modos de energia: Active Mode: modo no qual o dispositivo participa ativamente no canal. Sniff Mode: dentre os modos de economia de energia, é o que possui maior consumo. Neste modo, os dispositivos slaves escutam o canal a uma taxa reduzida. Eles escutam apenas durante alguns time slots (sniff slots) e começam a escutam de novo em intervalos de tempo (sniff interval) determinados, contando a partir do primeiro sniff slot. O intervalo de sniff é programável, sendo dependente da aplicação. Quando o slave está neste modo, o master só pode começar uma transmissão em um sniff slot. Figura 17 - Sniff Mode 18

19 Hold Mode: dentre os modos de economia de energia, é o que possui um consumo intermediário. O master pode colocar um slave ou um slave pode querer entrar neste modo por um intervalo de tempo especificado. Durante este intervalo nenhum pacote ACL será transmitido do master. Neste modo, somente o relógio interno esta rodando, economizando energia. Um dispositivo entra neste modo quando não existe necessidade de enviar ou receber dados por um tempo relativamente longo ou quando um dispositivo quer descobrir ou ser descoberto por outros dispositivos Bluetooth, ou quer se juntar a outros piconets. Figura 18 - Hold Mode Park Mode: dentre os modos de economia de energia, é o que possui menor consumo. Apesar de permanecer sincronizado com a piconet, os dispositivos slaves não participam do tráfego do canal. O único procedimento realizado por um slave é a manutenção do sincronismo com o master, onde ele acorda em alguns instantes (beacon instant) em intervalos de tempo prédeterminados (beacon interval) para escutar as mensagens. Os slaves que atuam neste modo de operação perdem seus endereços na piconet, devendo reobtê-los para participar novamente no canal. Um parked slave pode ser ativado de novo pelo master somente quando o slave está acordado (beacon instant). 19

20 Figura 19 - Park Mode O LM descobre outros LM s remotos e se comunica com eles através do LMP, consiste essencialmente em um número de mensagens (PDU protocols Data Unit) que são enviadas de um dispositivo para o outro. Os sinais de rádio podem ser facilmente interceptados, devido a isso dispositivos Bluetooth tem embutido segurança para prevenir que alguém leia ou altere a mensagem original. Como dito acima, a segurança inclui aspectos como autenticação e fazer criptografia. A autenticação restringe o acesso a dados e funções privados. O procedimento de autenticação é baseado em um esquema de challenge-response. O verificador envia uma mensagem LMP que contém um número aleatório (challenge) para o requisitor (claimant). O requisitor calcula uma resposta que é uma função do número aleatório enviado, do endereço do dispositivo do requisitor e de uma chave secreta. A resposta é enviada de volta para o verificador, que checa se a resposta é correta ou não. A criptografia dos dados previne que alguém leia a mensagem e mantém a privacidade do link. A criptografia pode ser usada uma vez que foi feita, pelo menos uma vez, a autenticação. 20

21 HLC HLC significa Host Controller Interface (Interface de Controle do Host). O HLC provê uma interface para o LC (Controlador de Enlace) e para o LM (Gerenciador de Enlace). Essencialmente essa interface provê um método de acesso uniforme das capacidades da camada Baseband L2CAP L2CAP significa Logical Link Control and Adaptation Protocol (Protocolo de Adaptação e Controle do Enlace Lógico). Essa camada está acima da camada Baseband e o protocolo provê serviços de dados orientado a conexão e sem conexão para os protocolos das camadas superiores como a segmentação e a montagem dos pacotes (para que seja possível a manipulação de pacotes de tamanhos maiores), a multiplexação e demultiplexação dos mesmos, lida ainda com os requisitos de qualidade de serviço (QoS) e provê abstrações de grupos. Na camada Baseband, existem dois tipos de links: SCO (Synchronous Connection-Oriented) e ACL (Asynchronous Connection-Less). Apesar disso, a especificação L2CAP é definido somente para links ACL e nenhum suporte para links SCO é especificado. Na seções seguintes, descreveremos alguns importantes serviços provido pelo L2CAP: Protocolo de Multiplexação Segmentação e Montagem Qualidade de Serviço (QoS) Grupos Protocolo de Multiplexação L2CAP deve suportar o protocolo de multiplexação, pois o protocolo Baseband não tem nenhum campo tipo identificando qual é o protocolo da camada superior sendo usado acima dele. L2CAP deve ser capaz de distinguir os protocolos das camadas superiores, tais como o SDP (Service Discovery Protocol), RFCOMM e TC (Telephony Control), e encaminhar o pacote para o tratador apropriado. 21

22 Segmentação e Montagem Esse serviço tem como objetivo esconder o tamanho dos pacotes dos outros protocolos das outras camadas. Comparados com outros meios físicos cabeados, os pacotes de dados definidos pelo protocolo Baseband são limitados em tamanho. O maior pacote do Baseband tem 341 bytes, e isso limita o uso de banda para protocolos das camadas superiores que são projetadas para pacotes de tamanho maiores. Pacotes L2CAP grandes devem ser segmentados em diversos pacotes do Baseband menores antes de sua transmissão. Similarmente, múltiplos pacotes do Baseband podem ser montados em um único pacote L2CAP maior, e faz com que ocorra uma redução no overhead da rede. Segmentação e montagem (SAR Segmentation and Reassembly) são absolutamente necessárias para suportar protocolos usando pacotes maiores que aqueles suportados pelo Baseband. Qualidade de Serviço O processo de estabelecimento de conexão permite a troca de informação respeitando a qualidade de serviço (QoS) esperada entre dispositivos Bluetooth. Cada implementação do L2CAP deve monitorar os recursos usados pelo protocolo e deve garantir que tenha qualidade d e serviço. Grupos Muitos protocolos têm o conceito de um grupo de endereços. A camada Baseband tem o conceito de uma piconet, onde um grupo de dispositivos têm saltos de freqüências sincronizadas e usam o mesmo relógio. O grupo de abstração no L2CAP permite mapear eficientemente o protocolo de grupos em piconets. Sem a abstração de grupo, protocolos de níveis superiores precisariam ser expostos para o Baseband e para as funcionalidades do LM (Gerenciador de Enlace) em ordem de gerenciar os grupos eficientemente. 22

23 RFCOMM RFCOMM é um protocolo de transporte simples, que provê a emulação de uma porta serial sobre o protocolo L2CAP e é baseada na especificação ETSI Standard TS Esse protocolo emula a porta serial RS-232 e os sinais de dados sobre o Baseband, provendo transporte para os serviços dos níveis superiores que usam uma porta serial SDP O SDP (Service Discovery Protocol Protocolo de Descoberta de Serviço) provê meios para aplicação descobrir quais serviços estão sendo fornecidos e disponíveis nos dispositivos Bluetooth. Ele também permite que aplicações determinem as características desses serviços disponíveis. O SDP usa o modelo de resquest/response onde cada transação consiste de uma requisição PDU (Protocol Data Unit) e uma resposta PDU (veja a Figura 20). Entretanto, as requisições podem ser enfileiradas e as respostas podem ser retornadas fora de ordem. No caso onde SDP é usado com o protocolo de transporte L2CAP, somente uma requisição PDU por conexão para um dado SDP servidor pode estar sem receber o ACK em um dado instante. Em outras palavras, o cliente deve receber a resposta de cada requisição antes de enviar outra requisição na conexão L2CAP. Um serviço é qualquer entidade que pode prover informação, executar uma ação ou controlar um recurso em apoio à outra entidade. Um serviço pode ser implementado como software, hardware ou uma combinação dos dois. Toda informação sobre um serviço, que esta mantida por um servidor SDP, está contido dentro de um único registro do serviço (service record). O registro do serviço consiste de uma lista de atributos do serviço (service attribute). Cada atributo do serviço descreve uma única característica dele. O objetivo do SDP é permitir que dispositivos Bluetooth descubram o que outros dispositivos podem oferecer (quais serviços). SDP permite isso fazendo searching e browsing. Searching significa buscar um especifico serviço e browsing significa olhar para ver quais serviços estão sendo oferecidos. 23

24 Figura 20 Modelo resquet/response do SDP 4.2. Especificação Bluetooth Profile A especificação Bluetooth Profiles descreve como a tecnologia é usada, isto é, como diferentes partes da especificação podem ser usadas para realizar a função desejada para o dispositivo Bluetooth. A idéia é que se todos seguirem essa especificação, todos os dispositivos se comunicarão uns com os outros. Um profile pode ser descrito como uma linha vertical na pilha de protocolos do Bluetooth. A estrutura de profiles do Bluetooth e as dependências dos profiles são mostradas na Figura 21. Um profile é dependente de outro profile se ele reusa partes daquele profile, referenciando ele implicitamente ou explicitamente. Dependência é ilustrada na figura: um profile é dependente de outro profile(s) se ele está contido naquele profile. Por exemplo, o profile Object Push é dependente dos profiles Generic Object Exchange, Serial Port e Generic Access. 24

25 Figura 21 Estrutura dos profiles do Bluetooth 5. Conclusões As principais aplicações disponíveis hoje para o Bluetooth são destinadas a celulares, PDA s e computadores, permitindo a comunicação entre eles e seus dispositivos, como mouses, teclados, impressoras, fones de ouvido e outros periféricos. Hoje existem inclusive pequenos dispositivos como adaptadores USB/Bluetooth que facilitam a conexão Bluetooth com os computadores. Um exemplo de aplicação do Bluetooth são os fones de ouvido (headset), que podem ser utilizados para ouvir vários dispositivos como televisão, rádio e celular. Veja Figura

26 Figura 22 Exemplo do Bluetooth usando fone de ouvido O Bluetooth apresenta algumas vantagens em relação a outras tecnologias existentes. Em relação a outras tecnologias de RF, dispositivos Bluetooth consomem menos energia e a tendência futura é que custem três vezes menos. Em relação à conexão usando infravermelho, o Bluetooth suporta vários dispositivos e não exige que o transmissor e o receptor fiquem posicionados frente a frente. Outra vantagem é que já existem muitos produtos no mercado com Bluetooth integrados. O Bluetooth apresenta também algumas desvantagens em relação a outras tecnologias existentes. A velocidade é de 4 a 10 vezes menor e a distância é de 5 a 10 vezes menor, em relação a outras tecnologias. 6. Referências