May 24, 2021 ‧ 12 min estimados ‧ #bluetooth #bluetooth-classic #sig
Intro a la tecnología Bluetooth
May 24, 2021 ‧ 12 min estimados ‧ #bluetooth #bluetooth-classic #sig |
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En este documento vas a entender de manera general cómo funciona la tecnología Bluetooth viendo los conceptos más abarcativos. Estos son los temas que veremos:
Bluetooth es ampliamente utilizado y conocido en la actualidad, ya que viene incluído en la mayoría de los smartphones y laptops modernos, y es soportado por una gran cantidad de dispositivos para múltiples aplicaciones.
Es un protocolo de comunicación que se usa para transmitir datos de manera inalámbrica entre dispositivos que se encuentren dentro del rango de cobertura. Fue diseñado por Bluetooth Special Interest Group (SIG) para crear redes de área personal y funciona en la banda de los 2.4 Ghz. Algunas de las ventajas que proporciona Bluetooth son:
Seguramente conocerás muchas aplicaciones y dispositivos que utilizan la tecnología, donde podés encontrar artefactos como mouses, teclados, teléfonos, computadoras, impresoras, parlantes, auriculares, joysticks y cámaras digitales. En esta imagen vemos algunas aplicaciones conocidas.
Veamos ahora un poco de historia relacionada con Bluetooth, de donde proviene el nombre y quienes lo crearon.
El nombre viene del rey danés y noruego Harald Bluetooth. El rey es conocido por unificar las tribus danesas y convertirlas al cristianismo hacia finales del siglo X. La elección de este nombre indica la importancia que tiene para las empresas de las regiones nórdicas la industria de las comunicaciones.
El logo de Bluetooth combina las runas (letras en el alfabeto nórdico) Hagall y Berkana que corresponden a las iniciales de Harald Bluetooth. Esta figura lo ilustra de mejor manera.
La utilidad Bluetooth fue desarrollada como reemplazo de los cables y la tecnología infrarroja en 1994 por Jaap Haartsen y Mattisson Sven, que trabajaban para la compañía Ericsson en Suecia.
En sus inicios, se podía transmitir datos a una velocidad de 720 kbps, que aunque frente a los 50 Mbps que se pueden lograr hoy en día parezca limitada, era realmente muy rápida para la década de los noventa. También el rango de cobertura mejoró mucho, pasando de cubrir distancias menores a 1 metro a los 100 metros que se pueden alcanzar actualmente.
La tecnología fue presentada por el SIG en 1998. Inicialmente conformaron el grupo de investigación empresas como Ericsson, IBM, Intel, Toshiba y Nokia, y luego se sumaron muchas otras compañías. Hoy cuenta con más de 20.000 miembros en todo el mundo.
Bluetooth está diseñado especialmente para la comunicación entre dispositivos de bajo consumo, que requieren corto alcance de emisión y transceptores de bajo costo.
Los dispositivos pueden comunicarse entre sí cuando se encuentran dentro del rango de cobertura, estableciendo una comunicación por radiofrecuencia en la banda de 2.4 Ghz. Dentro del protocolo, los dispositivos se clasifican como Clase 1, 2, 3 y 4 en referencia a su potencia de transmisión, que están representadas de la siguiente manera:
Para el establecimiento de una comunicación, los dispositivos pueden actuar como Masters o Slaves. La diferencia entre ellos es que un slave solo puede conectarse a un master, mientras que un master puede conectarse a varios slaves, y también permitir que ellos se comuniquen entre sí, arbitrando las transferencias de información hasta un máximo de 7 slaves. La figura siguiente te muestra cómo se establecen ambos tipos de comunicaciones.
La vinculación Bluetooth entre dispositivos se suele conocer bajo los nombres de pairing, emparejamiento o apareamiento. El objetivo del pairing es establecer una comunicación segura a través de claves que luego se pueden reutilizar en futuras conexiones. En general, hay tres fases que se realizan en el pairing.
Este diagrama representa de manera gráfica la secuencia de tres fases que ocurre al momento del pairing.
Como nombramos anteriormente, las redes Bluetooth transmiten datos en la banda de 2.4 Ghz y son capaces de establecer una comunicación full dúplex, es decir que se puede enviar y transmitir al mismo tiempo. La banda de frecuencia utilizada por Bluetooth es conocida como banda ICM (industriales, científicas y médicas) y puede ser accedida de manera libre por varios tipos de dispositivos.
Como puede haber varias transmisiones en el mismo tiempo y lugar, Bluetooth utiliza la técnica de espectro ensanchado de salto, que hace muy poco probable que más de un dispositivo pueda transmitir en la misma frecuencia al mismo tiempo. Con esta técnica, se utilizan 79 frecuencias individuales elegidas al azar dentro de un rango designado, cambiando de una a otra regularmente.
Para que tengas una idea, los transmisores cambian las frecuencias 1600 veces por segundo. Esto no sólo evita colisiones entre distintos dispositivos, sino que además permite que varios dispositivos transmitan al mismo tiempo por distintos canales de frecuencia, logrando así un mayor aprovechamiento del espectro radioeléctrico.
Una vez que los dispositivos se conectan entre sí forman una red de área personal conocida también como piconet. Cuando la piconet está establecida, los miembros saltan de frecuencia, al azar y de manera sincronizada. Así permanecen en contacto y evitan que otras piconets que puedan estar operando en el mismo rango de cobertura interfieran la comunicación.
El hardware que compone un dispositivo Bluetooth está compuesto por dos partes:
El Link Controller se encarga del procesamiento de la banda base y del manejo de los protocolos de la capa física; y además se encarga de las transferencias, la codificación y el cifrado de datos.
La CPU se encarga de las instrucciones relacionadas con la capa lógica de la comunicación a través de un firmware denominado Link Manager que cumple la función de comunicarse con otros dispositivos.
Bluetooth ofrece varios modos de seguridad, y los fabricantes de dispositivos determinan el modo de incluirla. En la mayoría de casos, los usuarios pueden establecer “dispositivos de confianza” con los que pueden intercambiar datos sin necesidad de autorización. Cuando cualquier dispositivo intenta establecer una conexión el usuario debe autorizarla.
Los mecanismos de seguridad incluyen procedimientos de autorización para aceptar la transferencia de datos, de manera tal que el envío de datos no permitidos resulta prácticamente imposible.
Hoy en día, la mayoría de los dispositivos implementan una conexión Bluetooth que requiere la autorización y autentificación antes de aceptar datos de un dispositivo desconocido. Si bien las comunicaciones resultan fiables y seguras en la actualidad, los hackers siempre encontraron agujeros de seguridad para infectar dispositivos con virus.
Aunque muchos han quedado atrás, veamos algunos de los virus para teléfonos móviles que proliferaron a través de Bluetooth.
Bluetooth fue evolucionando a lo largo del tiempo, y si bien la tecnología avanza, todas las versiones estándar están diseñadas para la retro compatibilidad, lo que permite que la última especificación cubra todas las versiones anteriores. Veamos brevemente las principales versiones del protocolo y sus características.
Bluetooth 1
Las primeras versiones que salieron fueron la v1.0 y v1.kb. Estas versiones presentaban problemas para vincular los dispositivos entre sí. En el año 2002 salió la versión v1.1 y fue ratificado como el estándar 802.15.1 por la IEEE. Se corrigieron algunos problemas de las versiones anteriores y se añadió el indicador RSSI que permite medir la intensidad de la señal recibida. En 2003 salió la versión v1.2 que entre otras características permitía la detección automática de dispositivos y una conexión más rápida. Con esta última mejora se logró una tasa de datos de aproximadamente 720 Kbps.
Bluetooth 2
En el año 2004 se lanzó la versión v2.0, que es compatible con la versión v1.2. La principal diferencia está en la introducción de una tasa de datos mejorada para acelerar la velocidad hasta 2 Mbps. Así mismo, en el año 2007 salió la versión v2.1, y su principal mejora estaba relacionada con un menor consumo de energía.
Bluetooth 3
En la versión 3.0 que fue presentada en el año 2009 se incorporó la características High Speed para transferencia de grandes paquetes de datos utilizando una capa PHY MAC 802.11 (asociada a WiFi) pudiendo llegar a transferencias de 24 Mbps.
La incorporación de la transmisión a alta velocidad no es obligatoria. Para diferenciar a los dispositivos que sí la incluían se incorporó el sufijo HS. Los dispositivos Bluetooth 3.0, sin el sufijo HS no soportan alta velocidad.
Bluetooth 4
Para la versión v4.0 el SIG incluyó dentro del core de Bluetooth características del Bluetooth Classic, Bluetooth HS y también una nueva especificación para dispositivos de bajo consumo.
Esta última especificación de baja energía es conocida como BLE (Bluetooth Low Energy) y es un stack completamente nuevo dentro del protocolo, orientado a dispositivos de bajo consumo que pueden funcionar a baterías, y lo que la hace ideal para aplicaciones de Internet de las Cosas, donde se permiten crear enlaces de comunicaciones más sencillos.
Debido a que hay dispositivos con la versión v4.0 que no poseen el stack de BLE, se decidió renombrar esta versión para distinguir los dispositivos compatibles con el protocolo LE.
Bluetooth 5
En 2016 se presentó la versión v5.0 del protocolo. En esta versión se pretende mejorar su funcionalidad para dispositivos IoT por medio de una doble tasa de transferencia de datos, mejor fiabilidad, mayor rango de cobertura y mayor capacidad, así como también la capacidad de soportar flujos de datos con varios dispositivos simultáneamente.
En 2019 se presentó la versión v5.1 del protocolo, que como principal novedad podrá determinar la ubicación de los dispositivos donde se encuentren conectados. Esto lo hace especialmente útil para escenarios indoor donde no se puede utilizar GPS.
En 2020 el SIG presentó la versión 5.2 con mejoras en las transmisiones para dispositivos de bajo consumo, presentando un nuevo perfil de comunicación que mejora las conexiones simultáneas, la seguridad de las comunicaciones y la reducción del consumo energético.
A lo largo de estos párrafos pudimos ver algunas de las generalidades de la tecnología Bluetooth. El panorama es realmente enorme y abarca gran cantidad de aplicaciones. Por un lado podemos encontrar una industria relacionada al consumo, con dispositivos bien conocidos como auriculares, parlantes y teclados. Por otro lado nos encontramos ante un terreno fértil para el desarrollo de aplicaciones IoT basadas en el stack BLE que resultan realmente interesante para investigar y crear. Para resumir un poco lo que vimos en este artículo podemos listar estos temas:
Esta es la punta del iceberg y realmente hay mucho más para investigar y aprender. Si te interesa la temática, en nuestra web vas a encontrar material relacionado, por lo que te recomendamos explorarla para ampliar tus horizontes. |
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