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Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2016
Fachgebiet Kommunikationsnetze 1
KAPITEL 5: BLUETOOTHPROTOKOLLE UND DIENSTE DER MOBILKOMMUNIKATION
KAPITEL 5: BLUETOOTH 141
1. Einleitung
BLUETOOTH
Standardisierung durch Bluetooth-SIG: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba, … – aktuell knapp 30.000 Mitglieder (laut www.bluetooth.com)
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
Sommersemester 2016
Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2016
Fachgebiet Kommunikationsnetze 2
1. Einleitung
WER WAR BLUETOOTH
Harald II, genannt Blätand, (ca. 910 – 986)
König von Dänemark (940—981)
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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 142
Quelle: https://s3.amazonaws.com/photos.geni.com/p6/4401/4063/53444836d0666b2f/350694_large.jpg
Sommersemester 2016
2. 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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 143
Transceiver
Baseband
LMP
L2CAP
RFCOMMAudio
HCI
PPP
IP
UDP / TCP
WAP
WAE
OBEX
vCard/vCal AT-
Commands
TCS BIN
SDP
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 3
KAPITEL 5: BLUETOOTH 144
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
Sommersemester 2016
KAPITEL 5: BLUETOOTH 145
3. 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
f1 f2 f3
625ms
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 4
KAPITEL 5: BLUETOOTH 146
3. Bluetooth – Physikalische Schnittstelle
PAKETFORMAT
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)
Access
Code
Packet
HeaderNutzdaten (0 — 2745 bit)
AM_Addr Type Flow ARQN SEQN HEC
3 4 1 1 1 8
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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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 147Sommersemester 2016
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 148
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 beibehaltenSommersemester 2016
3. Bluetooth – Physikalische Schnittstelle
FEHLERSCHUTZ
Vorwärtsfehlerkorrektur
Bit Repeat Code mit Rate 1/3
Shortened Hamming Code mit Rate 2/3
Generator-Polynom: g(D) = (D+1)(D4 + D + 1)
KAPITEL 5: BLUETOOTH 149
b0 b0 b0 b1 b1 b1 b2 b2 b2
+ ++
Daten
D0 D2 D4 D5
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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.
KAPITEL 5: BLUETOOTH 150
Master
Slave 1
Slave 2
A B B X C
G F H
Z Z
NAK ACKSommersemester 2016
KAPITEL 5: BLUETOOTH 151
4. 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
PiconetzeSommersemester 2016
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 152
Clock +
Offset
Phase
Sequenz
Master ID
Sprung
Sommersemester 2016
KAPITEL 5: BLUETOOTH 153
4. 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.
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 8
KAPITEL 5: BLUETOOTH 154
4. Bluetooth –Vernetzung
VERBINDUNGSAUFBAU – ABLAUF
Paging Unit Standby Unit
Daten
Inquiry
Paging
Verbindung
aufgebaut
Neue
Sprungsequenz
Sommersemester 2016
4. 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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 155
Handy LapTop
Geräte-ID
SchlüsselZuf.zahl
Algorithmus
Ergebnis
Vergleich
Geräte-IDSchlüssel
Algorithmus
Ergebnis
Challenge
Response
Sommersemester 2016
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 156Sommersemester 2016
5. 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 300 916
(GSM 07.07)
Zusätzlich Befehle für Fax-Dienste
Cable Replacement Protocol RFCOMM
Emulation einer seriellen Leitung gemäß
ETSI 07.10
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
KAPITEL 5: BLUETOOTH 157Sommersemester 2016
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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
…
Sommersemester 2016KAPITEL 5: BLUETOOTH 158
5. 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:
KAPITEL 5: BLUETOOTH 159
Filetransfer-Anwendung
OBEX
RFCOMM
SDP
L2CAP
Service
Discovery
Protocol
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 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.
KAPITEL 5: BLUETOOTH 160
Headset-Anwendung
AT-Commands
RFCOMM
SDP
L2CAP
Audio
Sommersemester 2016
6. 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 2.0 + EDR
etwa dreifache Datenübertragungs-
geschwindigkeit durch Enhanced Data Rate
(EDR) mit maximal 2,1 Mbit/s.
v2.0 + EDR ist abwärtskompatibel.
Spezifikation im November 2004 veröffentlicht.
Bluetooth 2.1 + EDR
neue Features wie Secure Simple Pairing, QoS.
Spezifikation im August 2007 verabschiedet.
Sommersemester 2016KAPITEL 5: BLUETOOTH 161
Protokolle und Dienste der Mobilkommunikation Sommersemester 2016
Fachgebiet Kommunikationsnetze 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 2014
2 Versionen:
Basic Rate (BR) und Low Energy (LE)
Sommersemester 2016KAPITEL 5: BLUETOOTH 162
6. Bluetooth –Versionen
BLUETOOTH LOW ENERGY (BLE)
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
Sommersemester 2016KAPITEL 5: BLUETOOTH 163
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Fachgebiet Kommunikationsnetze 13
7. VERGLEICH BLUETOOTH – IRDA – WIRELESS LAN
Bluetooth IrDA Wireless LAN
VerbindungsartPunkt 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 2 … 600 Mbit/s
Übertragungsdistanz (ca.) 10 (– 100) m 1 m 300 m
Übertragungsumkreis Omnidirektional 30°Winkel Omnidirektional
Anzahl unterstützter
Geräte8
2
(P2MP optional....)256
Sicherheitsmaßnahmen Hardwareebene Softwareebene Hardwareebene
HW/SW-Unterstützung Breit Abnehmend… Breit
KAPITEL 5: BLUETOOTH 164Sommersemester 2016
KAPITEL 5: BLUETOOTH 165
LITERATUR
IEEE (2005): Standard for Information Technology 802.15.1-2005: Wireless Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) specifications forWireless Personal Area Networks (WPAN).
Lee, Jin-Shyan; Su, Yu-Wei; Shen, Chung-Chou (2007): A Comparative Study of Wireless Protocols:Bluetooth,
UWB, ZigBee andWi-Fi. In: 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. IECON 2007. Taipei,
China, November 5-8. IEEE, S. 46–51.
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)
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