Cos'è e come funziona il BLE (Bluetooth Low Energy)?

Che cos'è il BLE?

BLE è l'acronimo di Bluetooth Low Energy, che è stato introdotto come parte dello standard Bluetooth 4.0. Il suo scopo è quello di aiutare l'IoT (Internet of Things) a consumare poca energia e di aiutare i dispositivi a basso consumo. Applicazioni M2M entro un breve raggio. Questo è stato fondamentale per la realizzazione di molti moderni dispositivi IoT alimentati a batteria. Come i classici Tecnologia Bluetooth, BLE funziona in 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific, and Medical), ereditando alcune caratteristiche del suo predecessore e concentrandosi maggiormente sul basso consumo energetico. Il consumo massimo di energia di un'applicazione BLE si aggira tra 0,01 e 0,5 Watt, con la stessa velocità del Bluetooth classico.

Differenza tra BLE e Bluetooth classico

La differenza principale tra il Bluetooth classico e il BLE riguarda la potenza consumata. Tuttavia, ci sono altre differenze importanti dovute alle differenze architettoniche di ciascun caso. L'uso di indirizzi a 24 bit rispetto a quelli a 3 bit del Bluetooth classico consente a BLE di connettersi a 20 connessioni simultaneamente, mentre il Bluetooth classico ne supporta solo 7.

Inoltre, il BLE ha una marcia in più rispetto al Bluetooth classico per quanto riguarda la latenza consentita nelle connessioni. Il Bluetooth classico offre una latenza di soli 100 ms circa, mentre BLE offre una latenza migliorata di 6 ms. Nonostante la migliore latenza, BLE può offrire solo velocità da 125 kbps a 2 Mbps, mentre il Bluetooth classico può offrire velocità fino a 3 Mbps. Infine, BLE può offrire solo una comunicazione unidirezionale senza supporto vocale. Il Bluetooth classico è in grado di offrire sia la communicazione bidirezionale che il supporto vocale.

Come funziona BLE?

A differenza del Bluetooth classico, in cui le informazioni vengono inviate in modo continuo, BLE invia raffiche di informazioni, aumentando così il tempo di inattività. A questo scopo, BLE utilizza 40 canali separati da 2 MHz ciascuno. Di questi 40 canali, tre canali pubblicitari avviano inizialmente la connessione inviando pacchetti pubblicitari. I restanti 37 canali sono noti come canali pubblicitari secondari e gestiscono la communicazione dei dati.

Possiamo definire tre tipi principali di nodi in una rete BLE, ovvero:

• Inserzionista
• Scanner
• Iniziatore

Un advertiser è un dispositivo che trasmette pacchetti pubblicitari. Lo scanner è il dispositivo che riceve questi pacchetti, senza alcuna intenzione di stabilire una connessione. Se il dispositivo di scansione vuole stabilire una connessione, è noto come iniziatore. Una volta stabilita la connessione, l'inserzionista è noto come slave, mentre l'iniziatore è noto come master. In BLE, ogni master e uno slave sono noti come piconet. Tuttavia, un singolo master può formare molte piconet con diversi slave contemporaneamente. Inoltre, in modo equivalente, uno slave può avere molti collegamenti con più di un master.

Diagramma di stato

Il funzionamento di BLE è spiegato con precisione attraverso cinque stati di collegamento che definiscono le varie fasi di creazione della connessione. Questi stati sono i seguenti:

• Stato pubblicitario: In questa fase, i dispositivi trasmettono pacchetti pubblicitari sui canali pubblicitari.
• Stato di scansione: In questa fase i dispositivi ricevono pacchetti pubblicitari senza l'intenzione di stabilire una connessione.
• Stato iniziale: In questa fase, un dispositivo intende stabilire una connessione in risposta ai pacchetti pubblicitari in arrivo.
• Stato di standby: In questa fase, i dispositivi sono scollegati.
• Stato di connessione: In questa fase viene stabilita una connessione tra l'inserzionista (slave) e l'iniziatore (master). A questo punto, il master può essere visto come il dispositivo centrale, mentre lo slave è il dispositivo periferico.

Architettura BLE

L'architettura BLE è strutturalmente simile a quella del Bluetooth classico, come abbiamo discusso nel nostro precedente articolo. Tuttavia, la differenza principale è nel livello fisico dell'architettura, che può funzionare in due modalità, ossia:

• Modalità doppia
• Modalità singola

In modalità Dual, sia il BLE che il Bluetooth classico possono lavorare in armonia nel livello fisico. Mentre in modalità Single solo uno dei due può funzionare. La scelta tra le due modalità operative dipende esclusivamente dall'applicazione di interesse. In questo articolo ci concentreremo più sui profili dell'architettura BLE che sui suoi singoli componenti.

Profilo GAP

GAP è l'acronimo di Generic Access Profile. Questo profilo è importante per determinare il modo in cui i diversi dispositivi interagiscono tra loro. Queste interazioni si manifestano nei seguenti aspetti:

• Pubblicità
• Stabilire la connessione
• Sicurezza

Nella pubblicità, è essenziale che i dispositivi trasmettano messaggi, scoprano i dispositivi e inviino dati pubblicitari. Tutte queste operazioni sono trascurate dal profilo GAP. Inoltre, in relazione alla creazione di una connessione, gestisce anche l'accettazione di una connessione, la cessazione di una connessione e i parametri di connessione. Infine, è anche responsabile di avviare e facilitare le misure di sicurezza nei dispositivi.

Profilo ATT e GATT

ATT è l'acronimo di Attribute Protocol e si occupa di definire i ruoli dei dispositivi che partecipano alla connessione. Questi ruoli sono definiti in base alla loro funzionalità dopo la creazione di una connessione. Un server è un dispositivo che fornisce servizi o risorse, mentre il client è il dispositivo che attende risorse e servizi. È opportuno ricordare che uno slave non diventerà sempre un server, mentre il master sarà sempre un client. Ciò dipende dallo scopo della connessione tra i due nodi. Ad esempio, si consideri una situazione in cui viene stabilita una connessione BLE tra un tracker da polso e uno smartphone. Quando il tracker invia la frequenza del battito cardiaco, agisce come server mentre lo smartphone agisce come client. Ora, immaginiamo che sia necessario visualizzare l'ora sul braccialetto; a questo scopo, lo smartphone che ha accesso a Internet sarebbe il server mentre il braccialetto è il client. I gestori del profilo ATT forniscono al server i mezzi per memorizzare i dati in un formato che facilita diverse funzionalità. A tal fine, il profilo ATT utilizza un modello di database gerarchico.

È qui che entra in gioco il GATT (Generic Attribute Profile). È responsabile della definizione della gerarchia dei dati nel modello di database. A tal fine, utilizza una struttura ad albero con quattro livelli, dall'alto verso il basso:

• Profilo: Si riferisce al nodo principale
• Servizi: Vengono utilizzati per organizzare diversi tipi di dati.
• Caratteristiche: Sono l'unità di memorizzazione di base della struttura ad albero.
• Valore e Descrittori: Il valore è un singolo valore per definire una caratteristica, mentre i descrittori sono valori multipli utilizzati per definire le caratteristiche.

Il profilo GATT può essere compreso appieno con un esempio. Ad esempio, un tracker di battiti cardiaci può avere i seguenti profili:

• Profilo di misurazione della frequenza cardiaca
• Profilo informativo del dispositivo

Consideriamo ora il profilo di misurazione del battito cardiaco, che può avere i seguenti servizi:

• Servizio di frequenza cardiaca
• Servizio di misurazione del corpo

Quindi, ciascuno dei servizi sopra citati avrà caratteristiche diverse con valori e descrittori misurati dal tracker. Ad esempio, il servizio di frequenza cardiaca avrebbe caratteristiche di battito cardiaco con un valore di 69 bpm (battiti al minuto).

Sicurezza BLE

I principali tipi di attacchi a cui BLE e il Bluetooth classico sono vulnerabili sono l'intercettazione e gli attacchi man-in-the-middle. BLE presenta caratteristiche interessanti per ridurre al minimo i rischi dovuti a questi attacchi. Queste caratteristiche sono:

• Confronto numerico: In questo caso, due dispositivi finali generano un valore numerico che viene convalidato manualmente una volta visualizzato su entrambi i dispositivi.
• Inserimento della chiave di accesso: Qui il dispositivo non iniziante genera un seme casuale chiamato nonce per autenticare la connessione.
• Funziona e basta: In questo caso il dispositivo non iniziante genera un nonce con un valore di conferma che viene confermato dal valore di conferma dell'altro dispositivo finale dopo il passaggio del nonce.
• Fuori banda (OOB): in questo caso la communicazione è protetta da un canale secondario di communicazione come Wi-Fi e NFC (Near Field Communication).

Applicazioni di BLE

BLE è un buon candidato per le applicazioni IoT e M2M PAN (Personal Area Network) a basso consumo. Queste applicazioni variano dai semplici sistemi di automazione domestica alle applicazioni industriali su larga scala. Alcune delle applicazioni di BLE sono:

• Domotica: BLE è diventato una scelta popolare quando si tratta di applicazioni di automazione domestica. Queste applicazioni IoT e intelligenti includono prese intelligenti, serrature intelligenti, luci intelligenti e sensori di sicurezza intelligenti.
• Tracciamento della posizione interna: Nonostante la disponibilità di tecnologie come il GPRS, BLE è una tecnica di navigazione più affidabile grazie alle sue prestazioni contro le interferenze.
• Applicazioni di tracciamento: Il BLE è ampiamente utilizzato nelle applicazioni IoT che richiedono la trasmissione solo di brevi raffiche di informazioni. Questo aspetto è importante in applicazioni come il tracciamento dei beni e la gestione delle flotte.

In conclusione, possiamo utilizzare BLE per le applicazioni IoT nelle reti PAN che richiedono un basso consumo energetico e una bassa communicazione del carico utile.

Lampeggiatori BLE

I beacon BLE sono piccoli dispositivi di trasmissione che utilizzano la tecnologia di comunicazione BLE co1TP14 per trasmettere brevi raffiche di messaggi ai dispositivi in ascolto. Sono dispositivi unidirezionali alimentati a batteria e sono ampiamente utilizzati nelle applicazioni di marketing di prossimità e in altre applicazioni IoT di tracciamento. Attualmente esistono due famosi fornitori di beacon BLE, vale a dire:

• Eddystone di Google
• iBeacon di Apple

Conclusione

Il BLE è ampiamente utilizzato nelle applicazioni PAN IoT a basso consumo, principalmente per applicazioni di automazione domestica, dispositivi di tracciamento e applicazioni di marketing di prossimità. Con il crescente supporto di BLE, è un buon candidato per le applicazioni IoT e dovrebbe essere tra i primi posti nelle vostre scelte.