PAN Réseaux sans fil. Bluetooth IEEE

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1 PAN Réseaux sans fil Bluetooth IEEE

2 Introduction Pourquoi «Bluetooth»? (Les dents bleues) Harald Blåtand surnommé «les dents bleues», roi du Danemark de 940 à 981. Il réussit l'exploit d'unifier le Danemark et la Norvège, royaumes vikings, à une époque où l'europe était divisée par des guerres de religions et de territoires. Ericsson en 1994 s inspire de cette histoire pour nommer une technologie destinée à réunir des périphériques développés par des constructeurs différents. Licence Pro SIRI

3 Histoire Introduit par Ericsson en 1994 Special Interest Group (SIG) : Ericsson, IBM, Intel, Nokia et Toshiba en 2000 Adopté depuis par 3000 entreprises Version 1.1 disponible gratuitement sur Licence Pro SIRI

4 Présentation Principales utilisations Suppression des câble Clavier, souris, imprimante, scanner Personal Area Network (PAN) Home cinéma, Ordinateur personnel, portable, téléphone sans fil, GPS Le Réseau Ad-hoc (réseau qui peut être mis en place n'importe où, n'importe quand) Licence Pro SIRI

5 Challenges Utilisation d une bande de fréquence libre d utilisation et universelle. Dispositifs mobiles : nécessité de s adapter aux environnement changeant rapidement Implantation la plus petite possible : embarqué Puissance consommée : une faible fraction du dispositif hôte Établissement de la communication automatique Synchronisation des horloges. Licence Pro SIRI

6 Spécifications bande ISM (Industrial Scientific Medical) Communication utilisant les ondes radio contrairement à la technologie concurrente IrDA qui utilise des rayons lumineux. (pas de liaison visuelle pour communiquer) 2.4 gigahertz Classe Puissance Portée Débit: Théorique = 1 Mbps En pratique = 720 kbps (headers et handshaking consomment environ 20% de la capacité totale) La classe 2 est la principale classe utilisée par les fabricants d appareils électroniques I II III 100mW 2,5 mw 1 mw 100 mètres mètres 10 mètres Licence Pro SIRI

7 Normes Bluetooth IEEE définit les WPAN Wireless Personal Area Networks Faible portée, Faible consommation, Faible coût Réseaux réduits, Communication de périphériques dans un espace d opération personnel (Personal Operating Space) Le standard Bluetooth se décompose en différentes normes : IEEE définit le standard Bluetooth 1.x permettant d'obtenir un débit de 1 Mbit/sec ; Standardisation des couches physique et contrôle d accès. IEEE propose des recommandations pour l'utilisation de la bande de fréquence 2.4 GHz (fréquence utilisée également par le WiFi). Ce standard n'est toutefois pas encore validé ; IEEE est un standard en cours de développement visant à proposer du haut débit (20 Mbit/s) avec la technologie Bluetooth ; IEEE est un standard en cours de développement pour des applications Bluetooth à bas débit. Licence Pro SIRI

8 Fonctionnement : Piconet et Scatternet Les liaisons Bluetooth se font sur le principe maître-esclave(s), un maître pouvant contrôler jusqu'à sept esclaves. Ceux-ci forment un réseau, le piconet, où tous utilisent la même séquence de saut de fréquence et sont synchronisés sur l'horloge du maître. Un même appareil peut participer à plusieurs piconets. L'imbrication de ces piconets forme alors un Scatternet (littéralement réseau dispersé) qui peut comporter jusqu'à 80 appareils sans perte de débit. Licence Pro SIRI

9 Picoréseau ou piconet (anglicisme) Un picoréseau (piconet) Mini réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand plusieurs périphériques Bluetooth sont dans un même rayon. Organisé selon une topologie en étoile : il y a un maître et plusieurs esclaves. Un périphérique maître peut administrer jusqu'à : 7 esclaves actifs ; 255 esclaves en mode parked. La communication est directe entre le maître et un esclave. Les esclaves ne peuvent pas communiquer entre eux. Tous les esclaves du picoréseau sont synchronisés sur l'horloge défini par le maître. C'est le maître qui détermine la fréquence de saut pour tout le picoréseau Chaque piconet a un unique motif/id de saut Licence Pro SIRI

10 Scatternet Liaison de piconets colocalisés partageant des périphériques maîtres ou esclaves. Un périphérique peut être à la fois maître et esclave. Système haute capacité : chaque piconet a une capacité maximale (720 Kbps) Licence Pro SIRI

11 Positionnement du Wireless Licence Pro SIRI

12 Positionnement (suite) Licence Pro SIRI

13 Apports de Bluetooth Licence Pro SIRI

14 Liberté de mouvement Bénéfices pour l utilisateur : Accès à des périphériques multiples Téléphones sans fils Opérations mains-libres Facilité pour l handicape auditif (ex Siemens). Licence Pro SIRI

15 Synchronisation Partage de données communes : Synchronisation de proximité Maintenance aisée des bases de données Base de données d informations commune Licence Pro SIRI

16 Connexion à distance Point d accès : Plus de connecteurs Accès Internet aisé Partage de connexion Licence Pro SIRI

17 Architecture Licence Pro SIRI

18 Protocoles Licence Pro SIRI

19 Pile de protocoles - Les couches matérielles - La couche radio (RF) S'occupe de l'émission et de la réception des ondes radio Définit les caractéristiques telles que la bande de fréquence et l'arrangement des canaux, les caractéristiques du transmetteur, de la modulation, du récepteur, etc Opère dans la bandes de fréquences ISM* (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 GHz dont l'exploitation ne nécessite pas de licence. Les 79 canaux RF sont numérotés de 0 à 78 et séparés par 1 MHz en commençant par MHz. Le codage de l'information se fait par sauts de fréquence. La période est de 625 µs, ce qui permet sauts par seconde. Chaque paquet peut prendre 1, 3 ou 5 tranches de temps et peut avoir jusqu à bits de données Licence Pro SIRI

20 Pile de protocoles - Les couches matérielles - La bande de base (baseband) C'est au niveau de la bande de base que sont définies les adresses matérielles des périphériques (équivalentes à l'adresse MAC d'une carte réseau). Cette adresse est nommée BD_ADDR (Bluetooth Device Address) et est codée sur 48 bits. Synchronisation des sauts de fréquences et de l horloge du périphérique Correction d erreur des paquets Elle gère l inquisition (inquiry) des adresses des périphérique présents. Assure l établissement des connexions. C'est également la bande de base qui gère les différents types de communication entre les appareils. Les connexions établies entre deux appareils Bluetooth peuvent être synchrones ou asynchrones. Licence Pro SIRI

21 Bande de base (suite) 5 canaux différents : Information de contrôle, Information de gestion de la liaison, Données synchrones, Données asynchrones, Données isosynchrones La bande de base gére deux types de paquets : les paquets SCO (Synchronous Connection- Oriented) typiquement pour la voix les paquets ACL (Asynchronous Connection-Less) transfert de données ne nécessitant pas de liaison synchrone Licence Pro SIRI

22 Pile de protocoles - Les couches matérielles - Le contrôleur de liaisons (LC) Cette couche gère la configuration et le contrôle de la liaison physique entre deux appareils. Configuration de la liaison : Définition des paramètres de liaison Qualité de service (QoS : Quality of Service) Contrôle de la consommation Licence Pro SIRI

23 Pile de protocoles - Les couches matérielles - Le gestionnaire de liaisons (LM) Cette couche gère les liens entre les périphériques maîtres et esclaves ainsi que les types de liaisons (synchrones ou asynchrones). C'est le gestionnaire de liaisons qui implémente les mécanismes de sécurité comme : l'authentification, le pairage, la création et la modification des clés, et le chiffrement. Licence Pro SIRI

24 Pile de protocoles - L interface - L interface de contrôle de l hôte (HCI) Cette couche fournit une méthode uniforme pour accéder aux couches matérielles. Son rôle de séparation permet un développement indépendant du matériel et du logiciel. HCI permet un transfert de données à débit maximum, soit 720 kbit/s pour la norme 1.2, et un débit trois fois plus élevé pour la norme 2.0+EDR. Les protocoles de transport suivants sont supportés : Universal Serial Bus (USB) ; PC-Card ; RS-232 ; Licence Pro SIRI UART.

25 Couche HCI Module Bluetooth = carte séparée (PCI, USB) Intègre les couches basses : radio, bande de base, LMP Les données doivent traverser un bus physique : nécessité d introduire deux couches supplémentaires : 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 Licence Pro SIRI

26 Pile de protocoles - Couches logicielles - La couche L2CAP Logical Link Control & Adaptation Protocol. Protocole de contrôle du lien logique et de l adaptation Le multiplexage permet d'utiliser simultanément différents protocoles de niveaux supérieurs. Un mécanisme permet d'identifier le protocole de chaque paquet envoyé pour permettre à l'appareil distant de passer le paquet au bon protocole, une fois celui-ci récupéré. Plusieurs applications peuvent utiliser un même lien entre deux périphériques simultanément. La Segmentation et le réassemblage La couche L2CAP assure également la segmentation (et le réassemblage) des paquets de protocoles de niveaux supérieurs en paquets de liaison de 64 Ko. (Bande de Base = 2745 bits). Qualité de service : les applications peuvent demander de la QoS sur des paramètres tels que la bande passante, la latence et le retard. L2CAP vérifie si la liaison peut satisfaire la demande et l effectue dans le cas où c est possible. Licence Pro SIRI

27 Pile de protocoles Les services RFCOMM RFCOMM est un service basé sur les spécifications RS- 232, qui émule des liaisons séries. Il peut notamment servir à faire passer une communication IP par Bluetooth. RFCOMM est utilisé lorsque le débit des données n'atteint pas plus de 360 kbit/s (par exemple, téléphones mobiles). SDP SDP signifie Service Discovery Protocol. Ce protocole permet à un appareil Bluetooth de rechercher d'autres appareils et d'identifier les services disponibles. Il s'agit d'un élément particulièrement complexe de Bluetooth. OBEX OBEX signifie Object Exchange. Ce service permet de transférer des objets grâce à OBEX, protocole d'échange développé pour l'irda Licence Pro SIRI

28 GAP : Generic Access Profile SDAP : Service Discovery Application Profile SPP : Serial Port Profile HS Profile : Headset Profile DUN Profile : Dial-up Networking Profile LAN Access Profile : ce profil est maintenant obsolète ; il est remplacé par le profil PAN Fax Profile GOEP : Generic Object Exchange Profile SP : Synchronization Profile OPP : Object Push Profile FTP : File Transfer Profile CTP : Cordless Telephony Profile IP : Intercom Profile A2DP : Advanced Audio Distribution Profile (profil de distribution audio avancée) AVRCP : Audio Video Remote Control Profile (Commande à distance) HFP : HandsFree Profile PAN : Personal Area Network Profile VDP : Video Distribution Profile BIP : Basic Imaging Profile BPP : Basic Printing Profile SYNC : Synchronisation Profile SAP : SIM Access Profile PBAP : PhoneBook Access Profile HIDP : Human Interface Device Profile Le profil d'accès générique (GAP) Le profil d'accès générique est le profil de base dont les autres profils héritent. Il définit les procédures génériques de recherche d'appareils, de connexion et de sécurité. Pile de protocoles Les profils Un profil correspond à une spécification fonctionnelle d'un usage particulier. Les profils peuvent également correspondre à différents types de périphériques. Les profils ont pour but d'assurer une interopérabilité entre tous les appareils Bluetooth. Ils définissent : la manière d'implémenter un usage défini les protocoles spécifiques à utiliser les contraintes et les intervalles de valeurs de ces protocoles Licence Pro SIRI

29 Les profils Bluetooth Licence Pro SIRI

30 Les Profils (détail) 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) Licence Pro SIRI

31 Les Profils (détail) 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 talkiewalkie 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 lesdispositifs 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 téléphone 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) Licence Pro SIRI

32 Les Profils (détail) GAVDP (Generic Audio/Video Distribution Profile) Advanced Audio Distribution Profile Video Distribution 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) : Licence Pro SIRI

33 Couche application Les applications accèdent à la couche L2CAP directement ou à travers un protocole tel RFCOMM, TCS ou SDP Modèles 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 Licence Pro SIRI

34 Sécurité La sécurité est en partie assuré par la couche liaison. Authentification Cryptage 128 bits Contrôle de clé (NIP de 4 chiffres choisi par l utilisateur) Saut de fréquences et faible portée rendent difficile l interception du signal. eaking/securite_reseaux_sans_fil_bluetoot h.shtml Licence Pro SIRI

35 Établissement d une connexion Exemple d un connexion réseaux : récupération des mails Les 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 Licence Pro SIRI

36 Établissement d une connexion Inquisition (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 Licence Pro SIRI

37 Établissement d une connexion Canal 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 L2CAP Sécurité : appairage (pairing) à l aide d un code PIN : génération d une clef à partir du code PIN, et cryptage si nécessaire PPP : l application habituelle peut utiliser PPP au dessus de la couche RFCOMMM Les protocoles réseaux habituels : TCP/IP, etc. peuvent être utilisés pour envoyer des données via la liaison établie Licence Pro SIRI

38 Diagramme à états des modes Licence Pro SIRI

39 Utilisation pratique du Bluetooth Dans sa version actuelle, largement répandue, essentiellement dans les appareils mobiles, comme les téléphones portables, la liaison Bluetooth exploite les caractéristiques suivantes : très faible consommation d'énergie très faible portée (sur un rayon de l'ordre d'une dizaine de mètres) faible débit très bon marché et peu encombrant Licence Pro SIRI

40 Exemples d utilisation Présent sur des appareils fonctionnant souvent sur batterie, désirant échanger une faible quantité de données sur une courte distance : téléphones portables (presque généralisé), où il sert essentiellement à la liaison avec une oreillette ou à l'échange de fichiers ordinateurs portables, essentiellement pour communiquer avec les téléphones portables (pour servir de MODEM, pour sauvegarder les carnets d'adresses, pour l'envoi de SMS, etc.) périphériques divers, comme des claviers, pour faciliter la saisie sur les appareils qui en sont dépourvus périphériques spécialisés, comme des appareils à électrocardiogramme, qui peuvent communiquer sans fil avec l'ordinateur du médecin Les manettes sans-fil des consoles de type Nintendo Wii, Playstation 3 ou Xbox 360 utilisent le protocole Bluetooth. La compatibilité entre marques est assez bonne, mais pas parfaite : certains appareils ne parviennent pas à se raccorder à d'autres. Licence Pro SIRI