Bluetooth personnels les réseaux Bluetooth TMuv.utbm.free.fr/SM51/Cours_Bluetooth_C_Diou.pdf · GPRS UMTS Satellite WPAN Bluetooth ... d’attachement/détachement d’esclaves de

– Camille Diou – LICM – Université de Metz – [email protected] – http://www.licm.sciences.univ-metz.fr – 1

Camille DiouDocteur en microélectronique

PAN : PAN : les réseaux les réseaux personnels personnels et et BluetoothBluetooth

BluetoothTM

LABORATOIRE INTERFACESCAPTEURS & MICROÉLECTRONIQUE

UNIVERSITÉDE METZ


PAN : les réseaux personnels et PAN : les réseaux personnels et BluetoothBluetooth

Introduction au BluetoothPositionnement et usageArchitectureLes profilesÉtablissement d’une connexionLes états de fonctionnementLes modes de fonctionnementÉtablissement de la liaisonSécurité


IntroductionIntroduction

TM


Introduction : contexteStandard de liaison radio faible portéeMotivations : remplacement de toute la connectique nécessaire à l’interconnexion de matériels électroniques fixes ou portablesPossibilité d’accéder à des réseaux locaux (LANs) ou de réaliser des picoréseaux (piconets)Objectifs :� Faible consommation� Faible coût� Interopérabilité totale sans intervention de l’utilisateur


Introduction : histoireIntroduit par Ericsson en 1994Harald Blaatand « Bluetooth » II, roi du Danemark de 940 à 981. Sa pierre tombale indiquait :� Harald a christianisé la Scandinavie� Harald a contrôlé le Danemark et la Norvège� Harald pensait que les ordinateurs portables et les téléphones mobiles

devaient communiquer sans fils

Special Interest Group (SIG) : Ericsson, IBM, Intel, Nokia, et Toshiba, adopté par 3000 entreprisesVersion 1.1 disponible gratuitement à : http://www.bluetooth.comEn cours de normalisation : norme IEEE 802.15.1


Introduction : challengesUtilisation d’une bande de fréquences libre d’utilisation et universelleDispositifs mobiles : nécessité de s’adapter aux environnement changeant rapidementImplantation la plus petite possible : embarquéPuissance consommée : une faible fraction du dispositif hôteÉtablissement de la communication automatiqueSynchronisation des horloges


Introduction : spécificationsBande ISM (Industrial, Scientific & Medical) : 2,4 GHz� Plus qu’une radio : une solution end-to-end

Les spécifications Bluetooth comprennent :� La spécification des protocoles matériels et logiciels� Des profiles d’utilisation et des contraintes d’interopérabilité

IEEE 802.15.1 : standardisation des couches PHY et MAC (liaison physique et contrôle d’accès)


Introduction : spécifications

802.15 définit les WPANWireless Personal Area Networks

Faible portéeFaible consommationFaible coûtRéseaux réduitsCommunication de périphériques dans un espace d’opération personnel (Personal Operating Space)


Introduction : spécificationsOpère dans la bande 2.4 GHz à un débit de données maximal de 1 Mb/sÉtalement de spectre par saut de fréquence (FrequencyHopping Spread Spectrum) : divise la bande en n canaux (2.402 - 2.480 GHz = 79 canaux)Changement de canal de façon pseudo-aléatoire, déterminée par le maître8 périphériques par piconet (1 maître et 7 esclaves)Piconets combinés en scatternets


Positionnement et Positionnement et usageusage

TM


Positionnement du Wireless

TéléphonieCellulaire

Couverture globale

Wireless LAN

Bureau, Université,

Aéroport, Hôtel, Maison

WPAN et Bluetooth

Espace personnel : bureau, pièce, valise, poche, véhicule

Faible portée/faibleconso

Voix ET Données

Faible coût

Facteur de formeréduit

Nombreux réseauxco-localisés

Pont universel


Positionnement du Wireless

WLAN802.11 ou Wifi

HiperLAN HomeRF

WWANGPRS UMTS

Satellite

WPANBluetooth

Inftrarouge10m

100m10km


Usage : apports de Bluetooth

ConnectivitéConnectivité personnellepersonnelleadaptéeadaptée

RemplacementRemplacementdes des câblescâbles

Points Points d’accèsd’accèsvoix/donnéesvoix/données


Usage : casques sans filsBénéfices pour l’utilisateur : � Accès à des périphériques multiples � Téléphones sans fils� Opérations mains-libres

Liberté de mouvement …


Usage : casques sans filsBénéfices pour l’utilisateur : � Accès à des périphériques multiples � Téléphones sans fils� Opérations mains-libres

Liberté de mouvement …


Usage : synchronisationBénéfices pour l’utilisateur : � Synchronisation de proximité� Maintenance aisée des bases de données� Base de données d’informations commune

Partage de données communes …


Usage : points d’accès donnéesBénéfices pour l’utilisateur : � Plus de connecteurs� Accès Internet aisé� Partage de connection

Connexion à distance …


ArchitectureArchitecture

TM


RF

BB

Architecture

Application Framework& Support

LMP

HCL

L2CAP

Autres TCS RFCOMM

Data

SDP

Applications

Cont

rol

Audio

Host Controller Layer

Radio

Bande de base

Link Manager Protocol

Logical Link Control &Application Protocol


Architecture : couche radioOpère dans la bande 2,4 GHzCommunication en étalement de spectre � Saut de fréquence : frequency hopping� Sauts rapides : nombreux réseaux coexistants� Faible taille de paquets : bande bruitée, taux d’erreur élevé

Mode voix en CVSD : supporte des taux d’erreur élevéEn-têtes des paquets protégés : correction d’erreurSauts de fréquence : � 2402 + k MHz et k=0,1,…,78 � 1600 changements/s : hop slot de 625 µs

Modulation BFSK pré-filtrée :filtre gaussien BT=0,5Puissance d’émission 0dBm@10m, 20dBm@100m


Architecture : bande de baseContrôle la couche radioFournit les séquences de sauts de fréquenceGère le cryptage bas niveauDeux type de liaisons :� SCO : Synchronous Connection Oriented : synchrone orienté

connexion, typiquement pour la voix� ACL : Asynchronous Connection less : asynchrone sans connexion,

pour les applications de transfert de données ne nécessitant pas de liaison synchrone


Architecture : bande de baseFournit les fonctionnalités requises pour : � la synchronisation des horloges, � l’établissement des connexions, � l’inquisition (inquiry) des adresses des périphériques présents, � la correction d’erreur des paquets

5 canaux différents : � information de contrôle, � information de gestion de liaison, � données synchrones, � données asynchrones, � données isosynchrones


Architecture : couche LMPLink Manager Protocol : Protocole de gestion de liaison� Gestion des piconets� Configuration de la liaison� Fonctions de sécurité

Fournit les fonctionnalités de :� d’attachement/détachement d’esclaves� de basculement de rôle maître/esclave� d’établissement des liaisons ACL/SCO� de gestion des modes low-power : hold, sniff et park


Architecture : couche LMPConfiguration de la liaison :� Définition des paramètres de liaison� Qualité de service (QoS : Quality of Service)� Contrôle de la consommation

Authentification des périphériquesGestion des clefs de liaison


Architecture : piconetEnsemble de périphériques connectés de manière ad-hocUne unité se comporte en maître, les autres en esclaves, pour la durée de la connexion piconetLe maître définit l’horloge et le saut de fréquenceChaque piconet a un unique motif/ID de saut Chaque maître connecter jusqu’à 7 esclave simultanément ou 200+ esclaves inactifs (parqués)

M

SS

S

SB

P

P

M=MasterS=Slave

P=ParkedSB=Standby


Architecture : scatternetLiaison de piconets co-localisés partageant des périphériques maîtres ou esclavesUn périphérique peut être à la fois maître et esclaveRadios are symmetric (same radio can be master or slave)Système haute capacité : chaquepiconet a une capacité maximale (720 Kbps) M

M

SS

S

S

P

SB

SB

P

P

M=MasterS=Slave

P=ParkedSB=Standby


Architecture : couche L2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol :Protocole de contrôle du lien logique et de l’adaptationFonctions de base :� Multiplexage : plusieurs applications peuvent utiliser un même lien

entre deux périphériques simultanément� Segmentation et ré-assemblage : réduction de la taille des paquets

fournis par l’application à la taille acceptée par la bande de base ; L2CAP = 64 ko, BB = 2745 bits

� Qualité de service : les applications peuvent demander de la QoS sur des paramètres tels bande passante, latence et retard ; L2CAP vérifie si la liaison peut satisfaire la demande et l’effectue dans le cas où c’est possible


Architecture : couche HCIModule Bluetooth = carte séparée (PCI, USB) Intègre les couches basses : radio, bde base, LMPLes données doivent traverser un bus physique : nécessité d’introduire deux couches supp :� Driver HCI : driver pour le HCI, réside dans l’hôte (logiciel), formate les

données� Host Controller Interface : réside dans le matériel bluetooth, accepte

les communications sur le bus physique


Architecture : couche HCIHost Controller Interface : Interface contrôleur hôte

Hôte 1 Hôte 2Bluetooth hôte Bluetooth hôte

Drivers des couches

supérieures

Drivers des couches

supérieures

Drivers HCI Drivers HCI

Drivers de bus Drivers de busBus physique (USB, PCCard, etc.)

Bus matériel

Bus physique (USB, PCCard, etc.)

Bus matériel

Firmware HCI Firmware HCI

Firmware linkmanager

Firmware linkmanager

Contrôleur bande de base

Contrôleur bande de base

Wireless

Données utilisateur

HCI HCI

Physique Physique


Architecture : couche applicationLes applications accèdent à la couche L2CAP directement ou à travers un protocole tel RFCOMM, TCS ou SDPModèles d’utilisation :� Téléphone trois-en-un : un seul combiné fonctionne comme intercom,

téléphone, ou mobile selon les services disponibles� L’attaché-case : liaison portable / téléphone� Synchronisation automatique� Casques sans-fils� Kits mains libre pour véhicule� Domotique, partage de données lors de réunions, alarmes, systèmes

de sécurité, accès réseau en zones publiques


Les profilesLes profiles

TM


Les profiles BluetoothIl existe 13 profiles Bluetooth initiaux correspondant à autant de fonctions possibles dans une connexion : � K1 : GAP Generic Access Profile� K2 : SDAP Service Discovery Application Profile� K3 : CTP Cordless Telephony Profile� K4 : IP Intercom Profile� K5 : SPP Serial Port Profile� K6 : HS Headset Profile� K7 : DNP Dial-up Networking Profile� K8 : FP Fax Profile� K9 : LAP LAN (Local Area Network) Access Profile � K10 : GOEP Generic Object Exchange Profile� K11 : OPP Object Push Profile� K12 : FTP File Transfer Profile� K13 : SP Synchronization Profile


Les profiles BluetoothAux profiles précédents on peut ajouter 12 profiles en phase finale de développement :� ESDP Extended Service Discovery Profile (Universal Plug & Play)� A2DP Advanced Audio Distribution Profile � AVRCP Audio Video Remote Control Profile� BIP Basic Imaging Profile� BPP Basic Printing Profile� CIP Common ISDN Access Profile� GAVDP Generic Audio Video Distribution Profile� HFR Hands-Free Profile� HCRP Hardcopy Cable Replacement Profile� HID Human Interface Device Profile� PAN PAN (Personal Area Networking) Profile� SAP SIM Access Profile


Generic Access Profile

Serial Port Profile

Generic Object Exchange Profile

Generic Audio/Video Distribution Profile

Les profiles Bluetooth

Ext. Service Discovery Profile (1)

Service Discovery App. Profile

Common ISDN Access Profile

PAN ProfileESDP (2)

Audio/Video RemoteControl Profile Cordless Telephony Profile

Intercom Profile

Hardcopy Cable Replacement Profile

Adv. Audio Distribution Profile

Video Distribution Profile

SIM Access Profile

File Transfert Profile

Object Push Profile

Synchronization Profile

Basic Imaging Profile

Basic Printing Profile

Headset Profile

Hands-free Profile

Dial-up Networking Profile

Fax Profile

LAN ProfileESDP (3)

TCS-BIN Based Profiles


Les profiles BluetoothIl existe aujourd'hui 21 profiles Bluetooth, qui correspondent àautant de fonctions possibles dans une connexion Bluetooth :

GAP (Generic Access Profile) : assure le fonctionnement des couches de liaison basses. � AVRCP (A/V Remote Control Profile) � ESDP (Extended Service Discovery Profile)� CIP (Common ISDN Acces Profile)� SDAP (Service Discovery Application Profile) : permet à une

application au sein d'un équipement Bluetooth de découvrir les services Bluetooth d'autres équipements et d'acquérir les données nécessaires à l'établissement d'une connexion.

� PAN (Personal Area Network Profile)� HCRP (Hardcopy Cable Replacement Profile)



GAVDP (Generic Audio/Video Distribution Profile)� Advanced Audio Distribution Profile� Video Distribution Profile

TCS-BIN Based Profiles� CTP (Cordless Telephony Profile) : permet aux téléphones

cellulaires de fonctionner comme téléphones sans fil avec un PC ou une station de base.

� IP (Intercom Profile) : offre une utilisation en mode interphone ou talkie-walkie.



SPP (Serial Port Profile) : permet l'émulation d'un connecteur série. 3HS (Headset) : communication sur oreillette.� HP (Headset Profile) : permet l’utilisation de casques sans fil avec les

dispositifs audio (téléphones, lecteurs MP3)� HFP (Hands Free Profile) : permet l’utilisation en mode mains libres

de dispositifs audio (téléphones, interphones, etc.)� DNP (Dial-Up Networking Profile) : autorise la connexion à un

modem, ou l'utilisation d'un tél. mobile comme modem.� FP (Fax Profile) : service fax.� LAP (Local Area Network Profile) : donne accès au réseau local ou

permet le fonctionnement en mode réseau local.� SAP (SIM Access Profile)



GOEP (Generic Object Exchange Profile) : profile générique d'échange d'objets pour synchronisation, FTP, Push...� FTP (File Transfer Profile) : service situé du côté de l'application qui

provoque un transfert de fichiers vers un équipement Bluetooth.� OPP (Object Push Profile) : service situé du côté de l'application qui

fait du Push vers un appareil Bluetooth, typiquement pour l'expédition d'une carte de visite.

� SP (Synchronisation Profile) : service situé du côté de l'application qui lance une opération de synchronisation vers un équipement BT.

� BIP (Basic Imaging Profile) : � BPP (Basic Printing Profile) :


Établissement d’une Établissement d’une connexionconnexion

TM


Établissement d’une connexionExemple d’un connexion réseaux : récupération des mailsLes différentes étapes de la connexions :� Inquisition (Inquiry)� Paging� Établissement de la liaison (Link establishment)� Découverte de services (Service discovery)� Canal L2CAP� Canal RFCOMM� Sécurité� PPP� Protocoles réseaux


Établissement d’une connexionInquisition (Inquiry) : Le dispositif qui atteint un nouvel environnement initie une inquisition afin de trouver les points d’accès accessibles :

� Tous les points d’accès présents répondent par leur adresse� Le dispositif choisit l’un des points d’accès qui répondent

Paging� Procédure en bande de base� Synchronisation du dispositif avec le point d’accès� Offset et phase d’horloge du saut de fréquence

Établissement de la liaison� LMP, Liaison synchrone (SCO) ou asynchrone (ACL)

Découverte de services� Le LMP utilise le SDP (Service Discovery Protocol) afin de découvrir

les services disponibles sur ce point d’accès


Établissement d’une connexionCanal L2CAP� À partir des information du SDP, un canal L2CAP est créé vers le point

d’accès� Directement utilisé par l’application ou via un autre protocole (ex:

RFCOMM)

Canal RFCOMM : permet l’émulation d’un port série au-dessus de L2CAPSécurité : appairage (pairing) à l’aide d’un code PIN : génération d’une clef à partir du code PIN, et cryptage si nécessairePPP : l’application habituelle peut utiliser PPP au dessus de la couche RFCOMMMLes protocoles réseaux habituels : TCP/IP, etc. peuvent être utilisés pour envoyer des données via la liaison établie


Établissement d’une connexionDiagramme d’état des différents modes

standby

page scanpage

inquiry scan

inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response


Les états de Les états de fonctionnementfonctionnement

TM


Les états

inquiry

inquiry scan

page scan

page

Standby : repos� État par défaut d’un

périphérique Bluetooth� Seule l’horloge native est active :

la consommation est alors réduite au maximum

� Cet état conduit aux états suivants :� Inquiry� Inquiry scan� Page� Page scan

standby

page scanpageinquiry scan

inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response


Les états standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Inquiry : interrogation– Envoi d’un paquet inquiry

adressé soit au GIAC (General Inquiry Access Code), soit au DIAC (Dedicated InquiryAccess Code) qui concerne une classe particulière de périphériques

Maître Esclave

PAQUET INQUIRYPAQUET INQUIRY


Inquiry : interrogation– Répété à 16 fréquences

différentes : séquence de saut d’inquisition (inquiry hop sequence) appelé train. Un péri-phérique qui peut être interrogé écoute l’une de ces 16 fréquences

Les états

Écoute sur la fréquence 3

PAQUET INQUIRY 1

PAQUET INQUIRY 2

PAQUET INQUIRY 3

PAQUET INQUIRY 16

Fréquence 1

Fréquence 2

Fréquence 3

Fréquence 16

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave


réponse ?

réponse ?

réponse ?

réponse ?

Inquiry : interrogation– La transmission est effec-

tuée en alternance sur les différents slots, les slots inter-médiaires étant utilisés pour l’écoute de la réponse éventuelle

Les états

PAQUET INQUIRY 1Fréquence 1




standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave


Inquiry : interrogation– Deux trains de sauts de

fréquence : A et B ; chaque train est répété 256 fois pour récupérer toutes les réponses.

Les états

TRAIN A : 256 FOIS TRAIN B : 256 FOIS

réponse ?

réponse ?

réponse ?

réponse ?





réponse ?

réponse ?

réponse ?

réponse ?





standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave


Inquiry : interrogation– Le temps total requis pour

cette opération est de 10,24 secondes mais si un nombre suffisant de réponses est récolté dans un intervalle de temps plus faible, l’inquiry peut être interrompu.

Les états

Achèvement de l’interrogation

réponse ?

réponse ?

réponse ?




standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave


Inquiry scan : recherche d’ interrogation� cet état ne concerne que les

dispositifs qui s’autorisent à être découverts par la procédure d’inquiry

Les états

réponse ?

réponse ?

réponse ?

réponse ?





standby


inquiry

slave response

inquiry response

master response

connected


?Maître Esclave


Les étatsInquiry scan : recherche d’ interrogation� entrée dans l’état d’inquiry

scan : écoute sur une fréquence fixe dans l’attente de paquets d’inquiry.

� fréquence choisie parmi les 16 de la séquence de saut adéquate (dépend de l’adresse du dispositif)

réponse ?

réponse OK

réponse ?




réponse ?


standby


inquiry

slave response

inquiry response

master response

connected


?Maître Esclave


Les états

Maître

Esclave

travail travailInquiryscan

Inquiry scan : recherche d’ interrogation� attente pendant un temps

suffisant à la couverture de 16 fréquences

� l’entrée dans l’état inquiry scan a lieu depuis l’état standby ou l’état connected ; si elle se fait depuis l’état connecté, les liaisons SCO en opération sont maintenues alors que les liaisons ACL sont suspendues.

� la présence de liaisons SCO peut prolonger les procédures d’inquiry

standby


inquiry

slave response

inquiry response

master response

connected

Maître Esclave


Les étatsInquiry response :réponse à l’interrogation� un message d’inquiry est reçu

lors de l’état inquiry scan� un paquet de réponse doit être

envoyé après une attente correspondant à un nombre aléatoire de slots afin d’éviter une collision éventuelle

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

PAQUET INQUIRY RESPONSE

PAQUET INQUIRY

Inquiry scan

Fréquence 3

Fréquence 3

Fréquence 4

Maître Esclave


Les étatsInquiry response :réponse à l’interrogation� Le paquet FHS contient

l’adresse du dispositif, son horloge, et des informations concernant la façon dont il accède aux états page scan.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

AdresseHorlogeInformations

Fréquence 4PAQUET INQUIRY RESPONSE

Maître Esclave


Les étatsInquiry response :réponse à l’interrogation� Après avoir émis sa réponse,

il poursuit la phase d’inquiryscan sans attendre d’acquittement.

� Le dispositif en phase d’inquiry peut ensuite continuer cette procédure aussi longtemps qu’il le désire. Il pourra utiliser les informations contenues dans la réponse plus tard, pour passer à l’état page.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Inquiry scan

Maître Esclave


Les étatsPage : mise en page� Nécessite uniquement

l’adresse du dispositif cible, mais la connaissance de son horloge accélère la procédure

� Le dispositif initiant la mise en page(paging) est appelé « maître ». À partir de l’information sur l’horloge, il détermine à quel endroit de la séquence de sauts l’esclave est en train d’écouter en mode page scan. Cette estimation peut se révéler fausse.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave

Fréquence estimée

Écoute sur la fréquence 3Page


Les étatsPage : mise en page� Le maître détermine le Code

d’Accès au Dispositif (DAC) de l’esclave à partir de son adresse.

� Le maître envoie un message de page.� Il transmet ce message à un nombre de fréquences de la séquence de

sauts, à partir de la fréquence d’écoute estimée.

Fréquence d’écoute ?

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

PAQUET PAGE -nFréquence estimée - n

PAQUET PAGE -1Fréquence estimée - 1

PAQUET PAGE 0Fréquence estimée

PAQUET PAGE +nFréquence estimée + n

Maître Esclave

Page


Les étatsPage : mise en page� La séquence de sauts

consiste en 32 fréquences divisées en deux trains de 16.

� Le train A inclut les 16 fréquencesentourant la fré-quence prédite, et le train B les fréquences restantes.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

PAGE -n

PAGE -1

PAGE 0

PAGE +n

PAGE +1

Train A Train B

Maître


Esclave

Page


Les étatsPage : mise en page� Le maître ne sachant pas

si l’esclave est en mode page scan, il répète le train Npage fois, sauf s’il reçoit une réponse plus tôt.

� Si le train A échoue, la procédure est reprise avec le train B.� La mise en page dure 1,28 s si le train A aboutit, 2,56 s sinon.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître


Esclave

Page


Les étatsPage scan� Atteint depuis les états

standby ou connecté.� L’esclave écoute les paquets de

page adressés à son DAC pendant un intervalle Tw-page-scan à une fréquence sélectionnée parmi la séquence de page scan.

standby


inquiry

slave response

connected

inquiry response

master response

Maître Esclave

PAGE -1

PAGE 0

PAGE +1Page scan


slave response

Les états standby


inquiry

connected

inquiry response

master response

Page response :réponse à la mise en page� Lorsque l’esclave reçoit le

message de page, il répond par son paquet ID contenant son DAC à la fréquence du slot suivant le message de page

page scan

connected

Maître Esclave

PAGE

Page response

PAQUET ID


Les étatsPage response :réponse à la mise en page� Le maître entre dans l’état

master page response. � Il connaît la fréquence à laquelle

l’esclave est en train d’écouter� Il envoie son paquet FHS à l’esclave pour l’informer de son horloge, en

utilisant le DAC de l’esclave, à la fréquence d’écoute de celui-ci.

slave response

standby


inquiry

connected

inquiry response

master response

page scan

connected

Maître Esclave

FHS


Les étatsPage response :réponse à la mise en page� Le paquet FHS assigne à

l’esclave une adresse de membre actif sur 3 bits

� L’esclave acquitte de ce paquet en renvoyantson ID à sa fréquence de réponse.

� Il utilise utilise le paquet FHS pour déterminer le code d’accès au canal du nouveau piconet. Il calcule également l’offset de l’horloge à utiliser.

slave response

standby


inquiry

connected

inquiry response

master response

page scan

connected

Maître Esclave

PAQUET ID


Les étatsPage response :réponse à la mise en page� Le maître envoie le paquet

POLL à l’adresse de membre actif de l’esclave, en utilisant le saut de fréquence dépendant de l’horloge du maître et le code d’accès au canal.

� L’esclave doit acquitter avec n’importe quel paquet (ex. : NULL)� En cas de succès, la procédure est terminée et les dispositifs passent

en mode connectés.

slave response

standby


inquiry

connected

inquiry response

master response

page scan

connected

Maître Esclave

POLL

NULL


Les modes de Les modes de fonctionnementfonctionnement

TM


Les modes de fonctionnementActive mode� L’unité participe activement au canal� Maître et esclaves transmettent sur les différents slots en alternance� Le maître transmet sur les slots pairs, l’esclave adressé sur les impairs� Des transmissions régulières sont effectuées pour conserver la

synchronisation de l’esclave avec le canal� Amélioration pour l’économie d’énergie : le maître informe l’esclave sur

l’instant où il sera adressé : l’esclave peut donc passer en mode sleepd’ici là.

� Les esclaves actifs sont contactés par le maître par polling.

Maître Esclave


Les modes de fonctionnementSniff mode� Mode faible consommation : activité d’écoute limitée� Le LMP du maître fournit à l’esclave un intervalle Tsniff,un offset Dsniff, et

un nombre de tentatives Nsniff.� L’esclave écoute les transmissions à un intervalle fixe Tsniff, sur le slot

d’offset Dsniff, et un nombre Nsniff de fois.

Hold mode� Le lien ACL vers l’esclave est suspendu : l’esclave ne supporte donc

plus les paquets ACL sur le canal, mais les éventuelles liaisons SCO continuent d’être supportées

� L’esclave conserve son adresse de membre actif.� Le maître et l’esclave se mettent d’accord pour la durée du mode hold

après laquelle l’esclave revient en mode actif


Les modes de fonctionnementPark mode� Mode très basse consommation : l’activité est minimale� L’esclave rend son adresse de membre actif et reçoit une adresse de

membre parqué sur 8 bits ainsi qu’une adresse de requête d’accès sur 8 bits également

� L’adresse de membre parqué est utilisée par le maître pour déparquer l’esclave alors que l’adresse de requête d’accès est utilisée par l’esclave afin de demander au maître d’être déparqué

� En plus de permettre l’économie d’énergie, le mode park permet au maître d’avoir plus de 7 esclaves dans le piconet.


Établissement de la Établissement de la liaisonliaison

TM


Établissement de la liaisonDès l’état de connexion atteint� Le LMP démarre l’établissement de la liaison : il utilise ses paquets

LMP envoyés par la bande de base à la place des paquets L2CAP� Le paquet LMP consiste en un opcode, un ID de transaction, et un

contenu dépendant de l’opcode. � Les paquets sont envoyés aux LMP plutôt qu’au L2CAP et aux couches

hautes. � Les étapes d’établissement de la connexion peuvent résumées en :

� Les paquets POLL et leurs réponses sont utilisés pour échanger les informations de configuration sans interaction de l’hôte

� Envoi de LMP_host_connect_request� Réponse du disp. distant avec LMP_not_accepted ou LMP_accepted� L’esclave qui répond peut demander l’échange des rôles. Le premier

dispositif répond avec un paquet approprié pour accepter ou refuser la requête

� La liaison est maintenant établie au niveau du gestionnaire de liaison, mais l’application peut ne pas savoir quels sont les services disponibles


Service Discovery ProtocolProtocole de découverte des services� L’environnement Bluetooth change rapidement� Les services disponibles doivent être découvert � SDP : moyen pour les applications de découvrir les services

disponibles ainsi que leurs caractéristiques� Les périphériques proposant un service exécutent un serveur SDP, les

périphériques recherchant un service exécute un client SDP� Un client est exécuté par application, mais un périphérique exécute un

seul serveur SDP qui maintient un enregistrement pour chaque service proposé par le dispositif Bluetooth

� Un client peut demander à parcourir la liste des classes de services disponibles, ou chercher une classe de services particulière.

� Lorsqu’il y a peu de services, ils peuvent ne pas être divisés en classes et les handles sont directement envoyés à l’esclave, sinon des descripteurs de classes sont envoyés et le client peut effectuer une recherche détaillée au sein d’une classe.


Liaison L2CAPPermet d’accéder aux services� Ne permet d’établir que des liens ACL� Reposent sur le concept de canal, identifié par :

� l’adresse du périphérique � un identificateur de canal alloué au périphérique distant pour 1 connexion

� Chaque canal est full duplex, avec spécification de QoS dans les deux directions,

� Basée sur des datagrammes, sans streaming.� Un canal séparé est établi pour la demande de connexion, la

configuration, la déconnexion et l’écho� Paquet L2CAP : peu de surcharge, pas de CRC� S’appuie sur la bande de base pour la sécurité des données et la

livraison� Interaction avec les autres couches : évènements et actions


Liaison L2CAP� Évènements : messages reçus des couches inférieures (LMP ou HCI)

ou supérieures (applications)� Actions : réponses aux évènements renvoyées par la couche L2CAP

Séquence pour l’établissement d’une connexion� Évènement/Action 0 : demande de connexion d’une couche de plus

haut niveau, envoi d’un paquet de requête de connexion par le L2CAP au L2CAP distant. Paquet transporté par la bande de base.

� Évènement / Action 1 : réception du paquet précédent par le L2CAP distant, réponse par un paquet de réponse à la connexion. Le L2CAP aura interrogé l’application cible avant de prendre en charge le paquet.

� Évènement / Action 2 : réception du paquet de réponse et demande des paramètres de configuration (QoS)

� Évènement / Action 3 : demande de configuration et envoi de la réponse à la demande de configuration. Le L2CAP peut envoyer sa propre demande de configuration pour des paramètres additionnels

� Évènement / Action 4 : demande de configuration précédente et envoi de la configuration


Liaison L2CAPInitiator LP LP Target

LMPLP_ConnectReqL2CA_ConnectReq

LP_ConnectCfm

LP_ConnectInd

LP_ConnectRspL2CAP_ConnectReq

[W4_L2CA_ConnectRsp]

L2CAP_ConnectRsp

[W4_L2CAP_ConnectRsp]

L2CA_ConnectCfm

L2CA_ConfigReqL2CAP_ConfigReq

[CONFIG]

L2CA_ConnectInd

L2CA_ConnectRsp

L2CA_ConfigInd

L2CA_ConfigRsp

L2CA_ConfigReq

L2CAP_ConfigRsp

L2CAP_ConfigReq

[CONFIG]

L2CA_ConfigCfm

L2CA_ConfigIndL2CA_ConfigRsp

L2CAP_ConfigRsp

L2CA_ConfigCfm


Liaison L2CAPInitiator LP LP Target

L2CA_DisconnectReq

L2CA_DisconnectInd

[CLOSED]

L2CAP_DisconnectReq

L2CA_DisconnectRsp

[W4_L2CA_DisconnectRsp]

L2CA_DisconnectCfm

[W4_L2CAP_DisconnectRsp]

[CLOSED]

L2CAP_DisconnectRsp

Data

Data

Data

[OPEN]

[OPEN]


SécuritéSécurité

TM


SécuritéRéseau sans fil : accessible à tous� Les communications doivent être cryptées� L’accès aux périphériques doit être restreint aux dispositifs autorisés � Ces deux fonctions sont prises en charge par la bande de base,

l’application pouvant crypter elle-même les données pour augmenter la sécurité

� 4 valeurs sont utilisées :� L’adresse du dispositif, publique� Une clef d’authentification sur 128 bits, privée� Une clef de cryptage configurable de 8 à 128 bits, privée� Un nombre aléatoire

� La procédure nécessite de connaître un code PIN pour pouvoir accéder à un périphérique


SécuritéPrincipale étapes de la procédure� Une clef d’initialisation est générée à l’aide du code PIN, de la longueur

du code PIN, d’un nombre aléatoire et de l’adresse du périphérique� Une procédure d’authentification est engagée par le vérifieur en

utilisant une technique de réponse à un challenge :� Un nombre aléatoire est envoyé par le vérifieur� À partir de ce nombre, de la clef d’initialisation, et de l’adresse, le

demandeur peut générer une réponse connue par le point d’accès� Cette réponse est renvoyée et vérifiée par le vérifieur

� Le demandeur peut initier une procédure d’authentification du vérifieur équivalente


SécuritéPrincipale étapes de la procédure� Chaque unité Bluetooth possède une clef unit key stockée en ROM ;

celle-ci est cryptée à l’aide de la clef d’initialisation puis envoyée à l’autre unité qui la décrypte à l’aide de la clef échangée précédemment

� Le second dispositif combine cette clef avec sa propre unit key afin de générer un clef de liaison, si les deux périphériques gèrent cette technique ; sinon l’une des deux clefs sert de clef de liaison

� La clef de liaison est communiquée au premier dispositif et la clef d’initialisation est annulée

� Une clef de cryptage est générée à partir de la clef de liaison, d’un nombre aléatoire, et d’un nombre généré par une procédure prédéfinie.

� Cette clef de cryptage peut être générée indépendamment par les deux dispositifs sans échange d’information

� La clef d’authentification (de liaison) peut être conservée en mémoire pour une liaison ultérieure : toutes les étapes de génération etd’échange de clefs seront alors inutiles


Génération de la clef de liaisonGénération de la clef d’initialisation� Une clef d’initialisation est générée à l’aide du code PIN, de la longueur

du code PIN, d’un nombre aléatoire et de l’adresse du demandeur

E22

L’PIN

128

8L’

Mode 2

128

KINIT : clef d’initialisation

BD_ADDRB

IN_RANDA


Génération de la clef de liaisonAuthentification

E1BD_ADDRB

SRES’ =? SRES

AU_RANDA

VÉRIFIEUR (A)

KINIT

BD_ADDRB

AU_RANDA

DEMANDEUR (B)

KINIT

E1

AU_RANDA

SRES

SRESACO ACO

ACO : Authenticated Ciphering Offset


Génération de la clef de liaisonGénération de la clef d’unité� Une clef d’unité est génération lors de la première mise en service de

l’appareil, puis conservée dans une mémoire non volatile

E21

128 Mode 1

128

CLEF_UNITÉ

BD_ADDR

RAND48


Génération de la clef de liaison� la clef d’unité est utilisée pour générer la clef de liaison, en utilisant

l’une ou l’autre des deux méthodes suivantes :� si une des deux unités a une très faible mémoire, alors sa clef d’unité est

cryptée à l’aide de la clef d’initialisation, puis utilisée comme clef de liaison

- KBA = KA ⊕⊕⊕⊕ KINIT ⊕⊕⊕⊕ KINIT = KA

Génération de la clef de liaison

KINIT KINIT

KA

UNITÉ A UNITÉ B

KBA = KA


Génération de la clef de liaison� la clef d’unité est utilisée pour générer la clef de liaison, en utilisant

l’une ou l’autre des deux méthodes suivantes :� si les deux unités le supportent, une clef combinée dépendant des clefs

d’unité des deux dispositifs est utilisée :• Les deux unités génèrent deux clefs aléatoires LK_RANDA et LK_RANDB

• les clefs LK_KA et LK_KB sont créées à partir des clefs précédentes et de BD_ADDRA et BD_ADDRB, via l’algorithme E21.

- LK_KA = E21(LK_RANDA, BD_ADDRA)- LK_KB = E21(LK_RANDB, BD_ADDRB)

• Les nombres LK_RANDA et LK_RANDB sont échangés en leur appliquant un XOR avec la clef de liaison courante :

- A envoie K ⊕⊕⊕⊕ LK_RANDA

- B envoie K ⊕⊕⊕⊕ LK_RANDB

• Chaque unité peut donc reconstituer la clef LK_RANDx de l’autre unité, et créer la clef de liaison finale par simple XOR entre les deux clefs d’unité :

- KAB = LK_KA ⊕⊕⊕⊕ LK_KB

- KBA = LK_KB ⊕⊕⊕⊕ LK_KA

Génération de la clef de liaison


Générée pour chaque nouvelle liaison � Dérivée de la clef de liaison courante, de l’offset de chiffrement (COF :

Ciphering Offset) de 96 bits et d’un nombre aléatoire de 128 bits, à l’aide de l’algorithme E3 :

Génération de la clef de cryptage

E22

128 Mode 2

128

KC : clef de cryptage

COF

EN_RAND

�si la clef de liaison est celle du maître, le COF est dérivé du BD_ADDR du maître,

�sinon, le COF prend la valeur de l’ACO calculée lors de la procédure d’authentification

KAB

96

128


Générée pour chaque nouvelle liaison � Une nouvelle clef est générée

Génération de la clef de cryptage

E22

128 Mode 2

128

KC : clef de cryptage

COF

EN_RAND

KAB

96

128


BibliographieBluetooth Core Specification, Bluetooth Profiles Specification, http://www.bluetooth.com/dev/wpapers.aspBluetooth Primer, Aman KansalRenaud Bonnet, Les profiles Bluetooth, Décision Micro, 24/12/2002 : http://www.01net.com/article/199493.html

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