Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke Vorlesung III

Gliederung

Ziele der Vorlesung Einführung in die Bluetooth-Details

Bluetooth Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele Mitglieder Anwendungen Anbindung von Peripheriegeräten (Cable Replacement) Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer Unterstützung von ad-hoc-Netzwerken (Personal Ad-hoc Network) kleine, billige Geräte Verbindung von Netzwerken e.g., GSM über Handy - Bluetooth – Laptop Übertragung von Sprache und Daten (Voice-Data) Einfacher, billiger Ersatz für IrDA, eingeschränkte Reichweite, niedrige Datenraten 2.4 GHz, FHSS, TDD, CDMA

Bluetooth-Eigenschaften

Bluetooth- Architektur Software RF Baseband Audio Link Manager LMP L2CAP TCP/IP HID RFCOMM Applications Data Control Modules

Bluetooth- Architektur RF Baseband Audio Link Manager LMP L2CAP TCP/IP HID RFCOMM Applications Data Control Application Framework and Support Link Manager and L2CAP Radio and Baseband Host Controller Interface

Basisband Protokoll Frequenzsprung-Verfahren Spread spectrum frequency hopping 79/23 one MHz channels Hops every packet Packets are 1, 3, or 5 slots long Frame consists of two packets Transmit followed by receive Nominally hops at 1600 times a second (1 slot packets)

Bluetooth – Bitübertragungsschicht Basisband - Protokoll 2,4 GHz ISM-Band Kombiniertes Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen pro Sekunde FHSS 79 Trägerfrequenzen (USA, Europa) 23 Trägerfrequenzen (Frankreich, Spanien, Japan) Modulationsverfahren GFSK 625µs 80Mhz Bandbreite f t

Basic Baseband Protocol One Slot Packet Frame Master Slave 625 us One Slot f k k+1 One Slot Packet Three Slot Packet Frame Master Slave 625 us One Slot f k k+1 One Slot Packet Spread spectrum frequency hopping radio (FHSS) 79/23 1-MHz Kanäle Springt mit jedem Paket Packete sind 1, 3, or 5 Zeitschlitze lang Ein Rahmen besteht aus zwei Paketen Einem Transmit folgt ein Receive Springt im Normalfall mit 1600 Hops/s

Frequenzaufteilung des ISM-Bandes

FHSS

Bluetooth - Bitübertragungsschicht 80Mhz Bandbreite f t

Zustände eines Bluetooth-Geräts (PHY-Schicht) STANDBY unverbunden inquiry page verbunden transmit connected aktiv PARK HOLD SNIFF low power 7.48.1

Zustände eines Bluetooth - Gerätes Standby Alle Geräte, die sich in einem Pikonetz befinden, sind im Standby-Mode Gerät wartet alle 2.048 Zeitschlitze auf Rundnachrichten Hört mit auf einer Untermenge von Trägerfrequenzen = Wakeup-Carriers Eine Verbindung kann von jedem Gerät initiiert werden Wird dann automatisch Master Das geschieht mit page-Nachricht, wenn Gerät Empfänger-Adresse kennt Wenn Empfänger nicht bekannt: inquiry-Nachricht gefolgt von page-Nachricht

Zustände eines Bluetooth - Gerätes  HOLD Höhere Leistungsaufnahme Gerät kann sofort wieder mit dem Senden beginnen, wenn es aus diesem Zustand herauskommt Behält MAC-Adresse

Zustände eines Bluetooth - Gerätes PARK Gerät ist nur selten aktiv Gerät hat geringe Leistungsaufnahme Gerät bleibt synchronisiert mit PICONETZ Ab und zu hört Gerät die aktuellen DÜ vom MASTER (Leitstation) ab  Um sich zu synchronisieren Gerät gibt 3-Bit-MAC-Adresse frei AMA Active Member Address Gerät erhält 8-Bit PMA PMA Parked Member address

Zustände eines Bluetooth - Gerätes SNIFF HöchsteLeistungsaufnahme Slave hört MASTER noch ab, aber in größeren Abständen Intervalle, in denen mitgehört wird, sind frei programmierbar und anwendungsabhängig

Funktionsweise Standby Inquire Page Connected Park/Hold/Sniff Wartet einem Piconetz beizutreten Inquire Suche nach BT-Geräten Page Verbindung mit einem bekannten BT-Gerät aufnehmen Connected Aktiv in einem Piconetz (Master oder Slave) Park/Hold/Sniff Low Power connected states Unconnected Standby Standby Detach T typical=2s Connecting Inquiry Page States T typical=0.6s Transmit Active Connected data States AMA AMA T T T typical=2 ms typical=2 ms typical=2 ms Releases Low Power PARK SNIFF HOLD AMA States PMA AMA AMA Address

Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-Schicht 1 MASTER und max 7 Slaves Alle Geräte in einem Piconetz springen gemeinsam MASTER bestimmt Frequenzsprungfolge (hopping sequenze) Einmalige Parameter verhindern, dass zwei Pikonetze gleiche Sprungsequenzen haben

Piconets & Scatternets die anderen Knoten müssen auf die hopping sequence synchronisieren Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen Pikonetze

Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-Schicht DIENSTE Zwei verschiedene Dienste: Synchrone verbindungsorientierte Asynchrone verbindungslose Synchronous Connection-Oriented link (SCO) symmetrisch, leitungsvermittelt, Punkt-zu-Punkt Asynchronous Connectionless Link (ACL) paketvermittelt, Punkt-zu-Mehrpunkt, Master fragt Stationen ab (polling) Zugangscode Synchronisation, abgeleitet vom Master, einzigartig pro Kanal

Vernetzung  Scatternetz Alle Nutzer eines Pikonetzes verwenden die gleiche Sprungfolge für die Trägerfrequenzen Sie teilen sich folglich 1 MHz breiten Kanal Wenn mehrere Nutzer in einem Pikonetz, dann teilen diese sich die Bandbreite  Bandbreite sinkt Folgerung: Nutzung nur eines Pikonetze nicht sinnvoll  Scatternetz

Scatternets Gruppen von Pikonetzen Nur die Geräte, die aktiv Daten austauschen, teilen sich das Pikonetz Bis zu 200 passive Teilnehmer können sich in einem Pikonetz befinden Pikonetze

Beispiel Scatternets 3 Pikonetze 2 Geräte sind in zwei Pikonetzen Alle 3 Pikonetze verwenden verschiedene Sprungfolgen Jedes Pikonetz benutzt 1 MHz Bandbreite Alle Pikonetze können die max. verfügbare Bandbreite von 80 MHz ausnutzen Pikonetze

Netzwerkverbindungen Bezeichnungen Geräte können Master oder Slave in einem Netzwerk sein Geräte sind symmetrisch (jedes Gerät kann sowohl Master als auch Slave sein) Piconet Master kann sich mit 7 Slaves aktiv in einem Piconet verbinden. Über 200+ Slaves sind in einem Piconetz möglich Jedes Picone hat eine maximale Kapazität (1 MSPS) Unique hopping pattern/ID Scatternet Geräte können gleichzeitig in mehreren Piconets teilnehmen Systeme mit großer Kapazität Minimale gegenseitige Beeinflussung bei bis zu 10 Pikonetzen innnerhalb eines Bereiches. S P M M sb P S sb P S S

Netzwerkverbindungen Befinden sich mehrer Pikonetze in einem Scatternetz sinkt die Leistungsfähigkeit eines vorhandenen Pikonetzes ab. Zahl der Kollisionen steigt Liegt daran, wenn 2 oder mehrere Pikonetze dieselbe Trägerfrequenz in einem Zeitschlitz wählen Ein Gerät kann nur in einem Pikonetz aktiv sein Wenn es an mehr als nur einem Pikonetz teilnehmen will, muss es sich auf das Pikonetz synchronisieren an dem es teilnehmen will. Wenn Gerät SLAVE in einem Pikonetz, dann muss es sich auf die Folgefrequenz des Pikonetzes synchronisieren Nach Synchronisierung ist SLAVE im Netz Im alten Netz im PARK oder HOLD bei ACL-Diensten bzw. Periodisches Hin- und Herspringen der SCL-Dienste P H

Netzwerkverbindungen Wenn das Gerät ein MASTER ist, kann dieses das Pikonetz ebenfalls verlassen Gerät kann nicht in mehreren Pikonetzen gleichzeitig Master sein Würde gleiche Sprungfolge bedeuten Gleiches Verhalten  würde beide Pikonetze zu einem machen Wenn Master sein Pikonetz verlässt, dann wird der Datenverkehr solange unterbrochen, bis er wieder zurückkehrt Kommunikation zwischen zwei Pikonetzen wird durch Geräte realisiert, die immer zwischen den Netzen hin- und herspringen Erfolgt das periodisch, dann können isochrone Datenströme weitergeleitet werden

Batterielebenszeit Stromverbrauch* Low Power Architecture Standby Strom < 0.3 mA 3 Monate Voice mode 8-30 mA 75 Stunden Data mode average 5 mA (0.3-30mA, 20 kbit/s, 25%) Þ 120 hours Low Power Architecture Programmable data length (else radio sleeps) Hold and Park modes 60 µA Devices connected but not participating Hold retains AMA address, Park releases AMA, gets PMA address Device can participate within 2 ms *Estimates calculated with 600 mAh battery and internal amplifier, power will vary with implementation

Error Handling Forward-error correction (FEC) ARQ (ACL packets only) 72b 54b 0-2745b access code header payload Forward-error correction (FEC) Headers are protected with 1/3 rate FEC and HEC Payloads may be FEC protected 1/3 rate: simple bit repetition (SCO packets only) 2/3 rate: (10,15) shortened Hamming code 3/3 rate: no FEC ARQ (ACL packets only) 16-bit CRC (CRC-CCITT) and 1-bit ACK/NACK 1-bit sequence number

Bluetooth Sicherheit Schnelles Frequenzspringen (79 Kanäle) Niedrige Übertragungsenergie (Bereich <= 10m) Authentication von Remote Geräten Basiert auf einem Verbindungsschlüssel (128 Bit) Kann in beide Richtungen durchgeführt werden Verschlüsselung von Nutzdaten (Encryption of payload data) Stream cipher algorithm ( 128 Bit) Beeinflusst den Gesamtverkehr einer Verbindung Initialisierung PIN Eintrag durch Nutzer

Sicherheit auf Anwendungsebene Wird oberhalb der Sicherheit auf Verbindungsebene gebildet Erzeugen von sich vertrauenden Gerätegruppen (trusted device groups) Sicherheitsebenen für Dienste Autorisierung (Authorization) erforderlich Authentifizierung (Authentication) erforderlich Verschlüsselung (Encryption) erforderlich Hinzufügen anderer oder höhere Sicherheitsanforderungen können möglich: Persönliche Authentifizierung Höhere Sicherheitsebenen Public key

Bluetooth Sicherheit Um sich mit einem Bluetooth Gerät zu verbinden ist eine PIN notwendig PIN ist pro Gerät und nicht pro Service Das ist sehr gut und ausreichend für persönliche Geräte mit Einzelaufgaben z.B. Schutz eines Telephones von Fremden genutzt zu werden. Problem für adhoc Geräte/Anwendungen PIN für jedes Gerät erforderlich Um Zugriff auf alle Dienste auf den Geräten zu erhalten Sicherheit auf höhere Ebene erforderlich und keine PIN Adhoc FTP Nutzereingriff erforderlich. Wozu PIN? Adhoc PAN möchten keine PIN, sonst können keine Roaming PANs installiert werden Austausch von Visitenkarten in eine spezielle Richtung.

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