mobile systeme und drahtlose netzwerke vorlesung iii
Post on 05-Apr-2015
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Mobile Systeme und drahtlose Netzwerke
Vorlesung III
Gliederung
Ziele der Vorlesung
• Einführung in die Bluetooth-Details
Bluetooth• Konsortium: Ericsson, Intel, IBM, Nokia, Toshiba - viele
Mitglieder
• Anwendungen– Anbindung von Peripheriegeräten (Cable Replacement)
• Lautsprecher, Joystick, Kopfhörer
– Unterstützung von ad-hoc-Netzwerken (Personal Ad-hoc Network)• kleine, billige Geräte
– Verbindung von Netzwerken• e.g., GSM über Handy - Bluetooth – Laptop
– Übertragung von Sprache und Daten (Voice-Data)
• Einfacher, billiger Ersatz für IrDA, eingeschränkte Reichweite, niedrige Datenraten– 2.4 GHz, FHSS, TDD, CDMA
Bluetooth-Eigenschaften
ModulesModules
SoftwareSoftware
RFRF
BasebandBaseband
AudioAudioLink ManagerLink Manager LMP
L2CAPL2CAP
TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM
ApplicationsApplications
DataDataC
ontr
ol
Con
trol
Bluetooth- Architektur
RFRF
BasebandBaseband
AudioAudioLink ManagerLink Manager LMP
L2CAPL2CAP
TCP/IPTCP/IP HIDHID RFCOMMRFCOMM
ApplicationsApplications
DataDataC
ontr
ol
Con
trol
Application Framework and Support
Link Manager and L2CAP
Radio and Baseband
Host Controller Interface
Bluetooth- Architektur
Basisband Protokoll
• Frequenzsprung-Verfahren
• Spread spectrum frequency hopping– 79/23 one MHz channels
– Hops every packet• Packets are 1, 3, or 5 slots long
– Frame consists of two packets• Transmit followed by receive
– Nominally hops at 1600 times a second (1 slot packets)
Bluetooth – BitübertragungsschichtBasisband - Protokoll
• 2,4 GHz ISM-Band
• Kombiniertes Frequenzsprungverfahren mit 1600 Sprüngen pro Sekunde FHSS
• 79 Trägerfrequenzen (USA, Europa)
• 23 Trägerfrequenzen (Frankreich, Spanien, Japan)
• Modulationsverfahren GFSK
625µs
80MhzBandbreite
f
t
Basic Baseband Protocol
• Spread spectrum frequency hopping radio (FHSS)– 79/23 1-MHz Kanäle
– Springt mit jedem Paket• Packete sind 1, 3, or 5 Zeitschlitze lang
– Ein Rahmen besteht aus zwei Paketen• Einem Transmit folgt ein Receive
– Springt im Normalfall mit 1600 Hops/s
OneOneSlotSlot
PacketPacket
Three Slot PacketThree Slot Packet
FrameFrame
MasterMaster
SlavSlavee
625 us625 usOne SlotOne Slot
ffkk ffk+1k+1
OneOneSlotSlot
PacketPacket
FrameFrame
MasterMaster
SlaveSlave
625 us625 usOne SlotOne Slot
ffkk ffk+1k+1
OneOneSlotSlot
PacketPacket
Frequenzaufteilung des ISM-Bandes
FHSS
Bluetooth - Bitübertragungsschicht
625µs
80MhzBandbreite
f
t
Zustände eines Bluetooth-Geräts (PHY-Schicht)
STANDBY
inquiry page
connectedtransmit
PARK HOLD SNIFF
unverbunden
verbunden
aktiv
low power
7.48.1
Zustände eines Bluetooth - Gerätes
Standby• Alle Geräte, die sich in einem Pikonetz befinden, sind im
Standby-Mode• Gerät wartet alle 2.048 Zeitschlitze auf Rundnachrichten• Hört mit auf einer Untermenge von Trägerfrequenzen = Wakeup-
Carriers• Eine Verbindung kann von jedem Gerät initiiert werden• Wird dann automatisch Master• Das geschieht mit page-Nachricht, wenn Gerät Empfänger-
Adresse kennt• Wenn Empfänger nicht bekannt: inquiry-Nachricht gefolgt von
page-Nachricht
Zustände eines Bluetooth - Gerätes
HOLD• Höhere Leistungsaufnahme
• Gerät kann sofort wieder mit dem Senden beginnen, wenn es aus diesem Zustand herauskommt
• Behält MAC-Adresse
Zustände eines Bluetooth - Gerätes
PARK• Gerät ist nur selten aktiv
• Gerät hat geringe Leistungsaufnahme
• Gerät bleibt synchronisiert mit PICONETZ
• Ab und zu hört Gerät die aktuellen DÜ vom MASTER (Leitstation) ab Um sich zu synchronisieren
• Gerät gibt 3-Bit-MAC-Adresse frei – AMA Active Member Address
• Gerät erhält 8-Bit PMA– PMA Parked Member address
Zustände eines Bluetooth - Gerätes
SNIFF• HöchsteLeistungsaufnahme
• Slave hört MASTER noch ab, aber in größeren Abständen
• Intervalle, in denen mitgehört wird, sind frei programmierbar und anwendungsabhängig
Funktionsweise
• Standby– Wartet einem Piconetz beizutreten
• Inquire– Suche nach BT-Geräten
• Page– Verbindung mit einem bekannten
BT-Gerät aufnehmen
• Connected– Aktiv in einem Piconetz (Master oder
Slave)
• Park/Hold/Sniff– Low Power
connected states
Inquiry Page
ConnectedAMA
TransmitdataAMA
Ttypical=0.6s
Ttypical=2s
HOLDAMA
PARKPMA
Ttypical=2 ms
ReleasesAMA
Address
Low PowerStates
ActiveStates
Standby
ConnectingStates
UnconnectedStandby
Det
ach
SNIFFAMA
Ttypical=2 ms Ttypical=2 ms
Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-Schicht
• 1 MASTER und max 7 Slaves
• Alle Geräte in einem Piconetz springen gemeinsam
• MASTER bestimmt Frequenzsprungfolge (hopping sequenze)
Einmalige Parameter verhindern, dass zwei Pikonetze gleiche Sprungsequenzen haben
Piconets & Scatternets
• die anderen Knoten müssen auf die hopping sequence synchronisieren
• Teilnahme in einem Piconetz = Synchronisation auf die richtige hopping sequence
• Kommunikation zwischen Piconetzen = Knoten, die zwischen Piconetzen hin- und herspringen
Pikonetze
Bluetooth – Medienzugriffssteuerung MAC-SchichtDIENSTE
• Zwei verschiedene Dienste:– Synchrone verbindungsorientierte
– Asynchrone verbindungslose
• Synchronous Connection-Oriented link (SCO)– symmetrisch, leitungsvermittelt, Punkt-zu-Punkt
• Asynchronous Connectionless Link (ACL)– paketvermittelt, Punkt-zu-Mehrpunkt, Master fragt Stationen ab (polling)
• Zugangscode– Synchronisation, abgeleitet vom Master, einzigartig pro Kanal
Vernetzung
• Alle Nutzer eines Pikonetzes verwenden die gleiche Sprungfolge für die Trägerfrequenzen– Sie teilen sich folglich 1 MHz breiten Kanal
• Wenn mehrere Nutzer in einem Pikonetz, dann teilen diese sich die Bandbreite
Bandbreite sinkt
• Folgerung:
• Nutzung nur eines Pikonetze nicht sinnvoll
Scatternetz
Scatternets
• Gruppen von Pikonetzen
• Nur die Geräte, die aktiv Daten austauschen, teilen sich das Pikonetz
• Bis zu 200 passive Teilnehmer können sich in einem Pikonetz befinden
Pikonetze
Beispiel Scatternets
• 3 Pikonetze
• 2 Geräte sind in zwei Pikonetzen
• Alle 3 Pikonetze verwenden verschiedene Sprungfolgen
• Jedes Pikonetz benutzt 1 MHz Bandbreite
• Alle Pikonetze können die max. verfügbare Bandbreite von 80 MHz ausnutzen
Pikonetze
MMMM
SS
SS SS
SS
PP
sbsb
sbsb
PP
PP
Netzwerkverbindungen
• Bezeichnungen– Geräte können Master oder Slave in einem Netzwerk sein– Geräte sind symmetrisch (jedes Gerät kann sowohl Master als auch Slave sein)
• Piconet– Master kann sich mit 7 Slaves aktiv in einem Piconet verbinden.– Über 200+ Slaves sind in einem Piconetz möglich– Jedes Picone hat eine maximale Kapazität (1 MSPS)
• Unique hopping pattern/ID
• Scatternet– Geräte können gleichzeitig in mehreren Piconets teilnehmen– Systeme mit großer Kapazität
• Minimale gegenseitige Beeinflussung bei bis zu 10 Pikonetzen innnerhalb eines Bereiches.
Netzwerkverbindungen
• Befinden sich mehrer Pikonetze in einem Scatternetz sinkt die Leistungsfähigkeit eines vorhandenen Pikonetzes ab.– Zahl der Kollisionen steigt– Liegt daran, wenn 2 oder mehrere Pikonetze dieselbe Trägerfrequenz in
einem Zeitschlitz wählen
• Ein Gerät kann nur in einem Pikonetz aktiv sein• Wenn es an mehr als nur einem Pikonetz teilnehmen will, muss es
sich auf das Pikonetz synchronisieren an dem es teilnehmen will.• Wenn Gerät SLAVE in einem Pikonetz, dann muss es sich auf die
Folgefrequenz des Pikonetzes synchronisieren• Nach Synchronisierung ist SLAVE im Netz
– Im alten Netz im PARK oder HOLD bei ACL-Diensten bzw.– Periodisches Hin- und Herspringen der SCL-Dienste
HP
Netzwerkverbindungen
• Wenn das Gerät ein MASTER ist, kann dieses das Pikonetz ebenfalls verlassen
• Gerät kann nicht in mehreren Pikonetzen gleichzeitig Master sein– Würde gleiche Sprungfolge bedeuten
– Gleiches Verhalten würde beide Pikonetze zu einem machen
• Wenn Master sein Pikonetz verlässt, dann wird der Datenverkehr solange unterbrochen, bis er wieder zurückkehrt
• Kommunikation zwischen zwei Pikonetzen wird durch Geräte realisiert, die immer zwischen den Netzen hin- und herspringen
• Erfolgt das periodisch, dann können isochrone Datenströme weitergeleitet werden
Batterielebenszeit
• Stromverbrauch*– Standby Strom < 0.3 mA
• 3 Monate
– Voice mode 8-30 mA• 75 Stunden
– Data mode average 5 mA – (0.3-30mA, 20 kbit/s, 25%)
• Þ 120 hours
• Low Power Architecture– Programmable data length (else radio
sleeps)– Hold and Park modes 60 µA
• Devices connected but not participating• Hold retains AMA address, Park
releases AMA, gets PMA address• Device can participate within 2 ms
– *Estimates calculated with 600 mAh battery and internal amplifier, power will vary with implementation
Bluetooth Sicherheit
• Schnelles Frequenzspringen (79 Kanäle)
• Niedrige Übertragungsenergie (Bereich <= 10m)
• Authentication von Remote Geräten– Basiert auf einem Verbindungsschlüssel (128 Bit)
– Kann in beide Richtungen durchgeführt werden
• Verschlüsselung von Nutzdaten (Encryption of payload data)– Stream cipher algorithm ( 128 Bit)
– Beeinflusst den Gesamtverkehr einer Verbindung
• Initialisierung– PIN Eintrag durch Nutzer
Sicherheit auf Anwendungsebene
• Wird oberhalb der Sicherheit auf Verbindungsebene gebildet – Erzeugen von sich vertrauenden Gerätegruppen (trusted device groups)
• Sicherheitsebenen für Dienste– Autorisierung (Authorization) erforderlich
– Authentifizierung (Authentication) erforderlich
– Verschlüsselung (Encryption) erforderlich
• Hinzufügen anderer oder höhere Sicherheitsanforderungen können möglich:– Persönliche Authentifizierung
– Höhere Sicherheitsebenen
– Public key
Bluetooth Sicherheit
• Um sich mit einem Bluetooth Gerät zu verbinden ist eine PIN notwendig
• PIN ist pro Gerät und nicht pro Service– Das ist sehr gut und ausreichend für persönliche Geräte mit Einzelaufgaben– z.B. Schutz eines Telephones von Fremden genutzt zu werden.
• Problem für adhoc Geräte/Anwendungen– PIN für jedes Gerät erforderlich– Um Zugriff auf alle Dienste auf den Geräten zu erhalten
• Sicherheit auf höhere Ebene erforderlich und keine PIN– Adhoc FTP Nutzereingriff erforderlich. Wozu PIN?– Adhoc PAN möchten keine PIN, sonst können keine Roaming PANs
installiert werden– Austausch von Visitenkarten in eine spezielle Richtung.
Current 802.15 Project Activity
Project Data Rate Range Configuration Other Features
802.15.1(Bluetooth)
1 Mbps 10M (class 3)100M (class 1)
8 active devicePiconet/Scatternet
Authentication,Encryption, Voice
802.15.3High Rate
22, 33, 44,55 Mbps
10M 256 active devicePiconet/Scatternet
QoS, Fast JoinMulti-Media
802.15.4Low Rate
up to250Kbps
10M nominal1M-100Mbased onsettings
Master/Slave(256 Devices ormore)Peer to Peer
Battery Life:multi-month toinfinite
802.15.SG3aAlternate15.3 PHY
>100Mbps 10M nominal 256 active devicePiconet/Scatternet
802.15.2Coexistence
Develop a Coexistence Model and MechanismsDocument as a Recommended Practice
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