ما هو BLE (بلوتوث منخفض الطاقة) وكيف يعمل؟

ما هو BLE؟

يرمز BLE إلى تقنية Bluetooth منخفضة الطاقة، والتي تم تقديمها كجزء من معيار Bluetooth 4.0. وهو يهدف إلى مساعدة إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء) التي تستهلك طاقة منخفضة و تطبيقات الاتصال من آلة إلى آلة ضمن نطاق قصير. كان هذا الأمر بالغ الأهمية في تحقيق العديد من أجهزة إنترنت الأشياء الحديثة التي تعمل بالبطارية. مثل الكلاسيكية تقنية البلوتوث، يعمل BLE في 2.4 GHz ISM (النطاقات الصناعية والعلمية والطبية) بينما ورثت بعض الميزات من سابقتها مع التركيز بشكل أكبر على انخفاض استهلاك الطاقة. سيكون الحد الأقصى لاستهلاك الطاقة في تطبيق BLE حوالي 0.01 واط إلى 0.5 واط، بنفس سرعة البلوتوث الكلاسيكي.

الفرق بين BLE وBLE والبلوتوث الكلاسيكي

يكمن الاختلاف الرئيسي بين تقنية Bluetooth الكلاسيكية وتقنية BLE في الطاقة المستهلكة. ومع ذلك، هناك اختلافات رئيسية أخرى بسبب الاختلافات المعمارية في كل حالة. يسمح استخدام عناوين 24 بت مقارنةً بالعناوين 3 بت في البلوتوث الكلاسيكي لـ BLE بالاتصال بـ 20 اتصالاً في وقت واحد، بينما يدعم البلوتوث الكلاسيكي 7 اتصالات فقط.

أيضًا، يتمتع BLE باليد العليا عند مقارنته بالبلوتوث الكلاسيكي عندما يتعلق الأمر بزمن الاستجابة المسموح به في الاتصالات. يوفر البلوتوث الكلاسيكي زمن انتقال يبلغ حوالي 100 مللي ثانية فقط، بينما يوفر BLE زمن انتقال محسّن يبلغ 6 مللي ثانية. على الرغم من زمن الاستجابة المحسّن، يمكن أن يوفر BLE سرعات تصل إلى 125 كيلوبت في الثانية إلى 2 ميجابت في الثانية، بينما يمكن أن يوفر البلوتوث الكلاسيكي سرعات تصل إلى 3 ميجابت في الثانية. أخيرًا، يمكن أن يوفر BLE اتصالاً أحادي الاتجاه فقط بدون دعم صوتي. بينما تتمتع تقنية Bluetooth الكلاسيكية بإمكانية الاتصال ثنائي الاتجاه مع دعم الصوت.

كيف يعمل BLE؟

على عكس البلوتوث الكلاسيكي، حيث يتم إرسال المعلومات بشكل مستمر، يرسل BLE دفعات من المعلومات، وبالتالي يزيد من الوقت الذي يقضيه في حالة الخمول. لهذا الغرض، يستخدم BLE 40 قناة يفصل بين كل منها 2 MHz. من بين هذه القنوات الـ 40، هناك ثلاث قنوات إعلانية تبدأ الاتصال في البداية بإرسال حزم إعلانية. تُعرف باقي القنوات الـ 37 بقنوات الإعلانات الـ 37 كقنوات إعلانية ثانوية وتتعامل مع اتصالات البيانات.

يمكننا تحديد الأنواع الثلاثة الرئيسية للعقد في شبكة BLE، وهي

• المعلن
• الماسح الضوئي
• البادئ

المعلن هو الجهاز الذي يرسل حزم المعلن. الماسح الضوئي هو الجهاز الذي يستقبل هذه الحزم، دون أي نية لإعداد اتصال. الآن إذا أراد جهاز المسح الضوئي إعداد اتصال، فإنه يُعرف باسم البادئ. بمجرد إعداد الاتصال، يُعرف المعلن باسم العبد بينما يُعرف البادئ باسم السيد. في BLE، يُعرف كل سيد وعبد واحد باسم شبكة بيكونيت. ومع ذلك، يمكن للسيد الواحد تشكيل العديد من شبكات بيكونيت مع عبيد مختلفين في وقت واحد. أيضًا، وبطريقة مكافئة، يمكن أن يكون للعبد العديد من الروابط مع أكثر من سيد واحد.

مخطط الحالة

يتم شرح عملية BLE بدقة باستخدام خمس حالات ارتباط تحدد المراحل المختلفة لإنشاء الاتصال. هذه الحالات هي كما يلي:

• حالة الإعلان: في هذه المرحلة، ترسل الأجهزة حزم الإعلانات على القنوات الإعلانية.
• حالة المسح: في هذه المرحلة، تستقبل الأجهزة حزم الإعلانات دون أي نية لإعداد اتصال.
• حالة البدء: في هذه المرحلة، ينوي الجهاز إعداد اتصال استجابةً لحزم الإعلانات الواردة.
• حالة الاستعداد: في هذه المرحلة، تكون الأجهزة غير متصلة.
• حالة الاتصال: خلال هذه المرحلة، يتم إعداد اتصال بين المعلن (العبد) والمبادر (السيد). الآن، يمكن اعتبار السيد هو الجهاز المركزي بينما العبد هو الجهاز الطرفي.

بنية BLE

تشبه بنية BLE من الناحية الهيكلية بنية البلوتوث الكلاسيكية، كما ناقشنا في مقالنا السابق. ومع ذلك، يكمن الاختلاف الرئيسي في الطبقة المادية للبنية حيث يمكن أن تعمل في وضعين، وهما

• الوضع المزدوج
• الوضع الفردي

في الوضع المزدوج، يمكن أن يعمل كل من BLE وBluetooth الكلاسيكي بتناغم في الطبقة المادية. بينما في الوضع الفردي يمكن أن يعمل أحدهما فقط. يعتمد الاختيار بين وضعي التشغيل فقط على التطبيق محل الاهتمام. سنركز في هذه المقالة على الملفات الشخصية في بنية BLE أكثر من التركيز على مكوناتها الفردية.

الملف الشخصي ل GAP

يرمز GAP إلى ملف تعريف الوصول العام. هذا الملف الشخصي مهم في تحديد كيفية تفاعل الأجهزة المختلفة مع بعضها البعض. تأتي هذه التفاعلات في الجوانب التالية:

• الدعاية والإعلان
• إنشاء الاتصال
• الأمن

في الإعلان، من الضروري للأجهزة بث الرسائل واكتشاف الأجهزة وإرسال البيانات الإعلانية. يتم التغاضي عن كل هذه العمليات بواسطة ملف تعريف GAP. وعلاوة على ذلك، فيما يتعلق بإنشاء الاتصال، فإنه يتعامل أيضاً مع قبول الاتصال وإنهاء الاتصال ومعلمات الاتصال. وأخيراً، فهو مسؤول أيضاً عن بدء وتسهيل إجراءات الأمان ذات الصلة في الأجهزة.

ملف تعريف ATT وGATT

يرمز ATT إلى بروتوكول السمات ويتعامل مع تحديد الأدوار للأجهزة المشاركة في الاتصال. يتم تعريف هذه الأدوار بناءً على وظائفها بعد إعداد الاتصال. الخادم هو الجهاز الذي من شأنه أن يوفر الخدمات أو الموارد، بينما العميل هو الجهاز الذي يتوقع الموارد والخدمات. تجدر الإشارة إلى أن العبد لن يصبح في الأساس خادمًا دائمًا بينما يكون السيد عميلًا دائمًا. هذا يعتمد على الغرض من الاتصال بين العقدتين. على سبيل المثال، ضع في اعتبارك حالة يتم فيها إنشاء اتصال BLE بين جهاز تعقب سوار معصم وهاتف ذكي. عندما يرسل جهاز التعقب معدل ضربات القلب، فإنه يعمل كخادم بينما يعمل الهاتف الذكي كعميل. والآن، تخيل أن هناك حاجة إلى عرض الوقت على سوار المعصم، لهذا الغرض، سيكون الهاتف الذكي الذي لديه إمكانية الوصول إلى الإنترنت هو الخادم بينما يكون سوار المعصم هو العميل. توفر معالجات ملف تعريف ATT وسائل للخادم لتخزين البيانات بتنسيق يسهل الوظائف المختلفة. لهذا الغرض، يستخدم ملف تعريف ATT نموذج قاعدة بيانات هرمي.

هنا يأتي دور GATT (ملف تعريف السمة العامة). وهو مسؤول عن تحديد التسلسل الهرمي للبيانات في نموذج قاعدة البيانات. لهذا الغرض، فإنه يستخدم إطار عمل يشبه الشجرة بأربعة مستويات وهي من الأعلى إلى الأسفل:

• الملف الشخصي: يشير هذا إلى العقدة الجذر
• الخدمات: تُستخدم هذه لتنظيم أنواع مختلفة من البيانات
• الخصائص: هذه هي وحدة التخزين الأساسية في الإطار الشجري
• القيمة والواصفات: القيمة هي قيمة واحدة لتعريف الخاصية، بينما الواصفات هي قيم متعددة تستخدم لتعريف الخصائص.

يمكن فهم ملف تعريف GATT بشكل كامل من خلال مثال. على سبيل المثال، يمكن أن يكون لجهاز تعقب نبضات القلب ملفات التعريف التالية:

• ملف قياس معدل ضربات القلب
• ملف تعريف معلومات الجهاز

لننظر الآن إلى ملف تعريف قياس معدل ضربات القلب، يمكن أن يحتوي هذا الملف الشخصي على الخدمات التالية:

• خدمة معدل ضربات القلب
• خدمة قياس الجسم

لذا، فإن كل خدمة من الخدمات المذكورة أعلاه سيكون لها خصائص مختلفة بقيم وأوصاف مختلفة كما تم قياسها بواسطة المتعقب. على سبيل المثال، سيكون لخدمة معدل ضربات القلب خصائص نبضات القلب بقيمة 69 نبضة في الدقيقة (نبضة في الدقيقة).

أمان BLE

الأنواع الرئيسية للهجمات التي يتعرض لها BLE والبلوتوث الكلاسيكي هي هجمات التنصت وهجمات الرجل في الوسط. لدى BLE ميزات مثيرة للاهتمام لتقليل المخاطر الناجمة عن هذه الهجمات. هذه الميزات هي:

• مقارنة رقمية: هنا يقوم جهازان طرفيان بإنشاء قيمة رقمية يتم التحقق من صحتها يدوياً بمجرد عرضها على كلا الجهازين.
• إدخال مفتاح المرور: هنا يقوم الجهاز غير البادئ بإنشاء بذرة عشوائية تسمى nonce لمصادقة الاتصال.
• يعمل فقط: هنا ينشئ الجهاز غير البادئ جهازًا غير صوري مع قيمة تأكيد يتم تأكيدها مقابل قيمة تأكيد الأجهزة الطرفية الأخرى بعد تمرير قيمة عدم الصك.
• خارج النطاق (OOB): هنا يتم تأمين الاتصال عبر قناة ثانوية للاتصال مثل Wi-Fi و NFC (الاتصال قريب المدى).

تطبيقات BLE

يعد BLE مرشحًا جيدًا لتطبيقات إنترنت الأشياء وتطبيقات M2M (شبكة المنطقة الشخصية) منخفضة الطاقة PAN (شبكة المنطقة الشخصية). تتنوع هذه التطبيقات من أنظمة الأتمتة المنزلية البسيطة إلى التطبيقات الصناعية واسعة النطاق. بعض تطبيقات BLE هي:

• الأتمتة المنزلية: أصبحت BLE خيارًا شائعًا عندما يتعلق الأمر بتطبيقات الأتمتة المنزلية. تشمل تطبيقات إنترنت الأشياء والتطبيقات الذكية هذه المقابس الذكية والأقفال الذكية والأضواء الذكية ومستشعرات الأمان الذكية.
• تتبع الموقع الداخلي: على الرغم من توفر تقنيات مثل GPRS، إلا أن تقنية BLE هي تقنية ملاحة أكثر موثوقية بسبب أدائها ضد التداخل.
• تطبيقات التتبع: تُستخدم تقنية BLE على نطاق واسع في تطبيقات إنترنت الأشياء التي لا تتطلب سوى دفعات قصيرة من المعلومات ليتم بثها. وهذا أمر مهم في تطبيقات مثل تتبع الأصول وإدارة الأساطيل.

في الختام، يمكننا استخدام BLE لتطبيقات إنترنت الأشياء في شبكات PAN التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة واتصالات منخفضة الحمولة.

منارات BLE Beacons

منارات BLE عبارة عن أجهزة إرسال صغيرة تستخدم تقنية اتصالات BLE لبث دفعات قصيرة من الرسائل إلى أجهزة الاستماع. وهي أجهزة أحادية الاتجاه تعمل بالبطارية وتستخدم على نطاق واسع في تطبيقات التسويق عن قرب وغيرها من تطبيقات إنترنت الأشياء. يوجد حاليًا اثنان من أشهر بائعي منارات BLE، وهما:

• إيديستون من جوجل
• منارة iBeacon من Apple

الخاتمة

يُستخدم BLE على نطاق واسع في تطبيقات إنترنت الأشياء PAN منخفضة الطاقة التي تركز بشكل أساسي على تطبيقات الأتمتة المنزلية وأجهزة التتبع وتطبيقات التسويق عن قرب. مع الدعم المتزايد لـ BLE، فهو مرشح جيد لتطبيقات إنترنت الأشياء التي يجب أن تحتل مرتبة عالية في اختياراتك.