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Per saperne di più sul Bluetooth - by Maurizio Garatti - (settembre 2003)

Abbiamo visto negli scorsi anni un gran fermento ed un gran vociare su questa nuova tecnologia.... del resto riuscire a far comunicare molti dispositivi senza l'utilizzo di fastidiosi cavi.... scomodi anche da trasportare.... rappresenta un grosso vantaggio ed un potenziale mercato ancora tutto da definire.
Le stime ottimistiche... viva il bla bla.... prevedevano a fine 2001 una vendita di 14 milioni di chip Bluetooth con un trend capace di poterli rapidamente a 800 milioni nel 2005.
Naturalmente altre previsioni si sono succedute, immediatamente dopo, immaginando un potenziale di vendita di 4 milioni di unità nel 2001 e 36 milioni nel 2002.
Nel dicembre 2001 il colosso Texas Instrument annunciava la consegna di 1,5 milioni di chip Bluetooth su un mercato stimato di 10 milioni di pezzi.

Quello che vediamo oggi (settembre 2003).... o meglio.... quello che non vediamo è l'invasione di questi prodotti.

Le ragioni sono da imputare al percorso tortuoso che ha accompagnato lo sviluppo di questa tecnologia, compreso forse qualche tentativo di limitarne o ritardarne lo sviluppo. E' anche vero che la soluzione a singolo chip si è rilevata particolarmente costosa, più costosa di quella stimata dai produttori. Questo ha portato ad avere un prodotto con un costo elevato, andato via via diminuendo con il tempo. Le imperfezioni delle specifiche 1.0 ha inoltre causato ulteriori ritardi e costretto a nuove release. Vedremo più avanti il significato delle release!

Nell'agosto del 2001... un certo Sean Maloney, General Manager della Divisione Communications di Intel, disse che Bluetooth aveva perso la battaglia ed era destinato a rimanere confinato in prodotti di nicchia a tutto vantaggio del Wi-Fi.
Personalmente sostengo che ci troviamo di fronte ad un'idea unica, il wireless, scissa in due tronconi con caratteristiche diverse che non potranno mai essere in concorrenza. Bene!..... Mi sono giocato l'assunzione in Intel.

Le origini...

L'evoluzione della tecnologia Bluetooth ha inizio nel 1994, grazie alla lungimiranza di un'azienda di spicco, Ericsson Mobile Communications. Diventava importante promuovere lo sviluppo di un'interfaccia di collegamento wireless, (senza fili), fra telefoni cellulari ed i loro accessori. Molti immaginavano che la presenza in contemporanea di cuffie, microfoni, palmari o agende elettroniche avrebbe prodotto un proliferare di cavi, inadeguati alla mobilità personale. Ecco quindi l'idea di un sistema di comunicazione a corto raggio.

1. Il primo obiettivo era la bassa potenza e quindi un basso consumo, per evitare di ritrovarsi senza energia dopo pochi minuti di utilizzo. L'autonomia della batteria ricopre un'importanza primaria in questo settore.
2. Il secondo obiettivo era contenere il costo, per non incidere sul prezzo dei dispositivi, provocando un rallentamento della diffusione a causa dell'elevato prezzo del prodotto finale.

Innanzi tutto diamo un'occhiata alle potenze in gioco.

Il Bluetooth si attesta su una potenza di 0 dbm ovvero 1mW (milliwatt) permettendo un raggio operativo stimato di 10 metri, mentre il Wi-Fi (l'802.11b) è sui 30-40 mW consentendo un raggio operativo stimato di 100 metri. Quindi, già da questi dati, si evince come il mercato della telefonia o "microdispositivi" non potrà fare a meno del Bluetooth.
Il vantaggio di una bassa potenza di trasmissione non risiede solo nei bassi consumi ma permette ai progettisti di implementare i circuiti di trasmissione su singoli chip Cmos (Complementary Metal Oxide Semiconductor), riducendo i consumi, il costo e l'ingombro dei moduli.

A livello mondiale si è optato per una trasmissione su banda Ism (Industrial Scientifical and Medical), che va dai 2,40 GHz ai 2,48 GHz (Gigahertz) consentendo una banda effettiva di 79 MHz (Megahertz). Si è optato per una trasmissione a spettro espanso (spread spectrum), i dati non sono inviati su di un'unica frequenza ma sono distribuiti su più portanti al fine di ridurre le interferenze con altri dispositivi operanti sulla stessa banda.

Per poter trasmettere a spettro espanso bisogna scegliere due tipi di tecniche:

1. il metodo Dsss (Direct sequence spread spectrum) ovvero spettro espanso per frequenza diretta.
2. il metodo Fhss (Frequence hopping spread spectrum) ovvero spettro espanso per salti di frequenza.

Il metodo Dsss è utilizzato dallo standard Wireless Lan IEEE 802.11b (Wi-Fi) e consiste nella ripartizione dei dati lungo una sequenza ridondante trasmessa su frequenze diverse.
Il pregio principale di questa soluzione è la protezione dagli errori... infatti, in caso di interferenza su una precisa frequenza, la ridondanza consente comunque di ricostruire l'informazione originaria.

Lo standard Bluetooth si affida invece alla tecnica dei salti di frequenza, un metodo che garantisce una minore protezione dagli errori, ma aumenta la sicurezza della trasmissione.
La comunicazione Fhss divide lo spetto disponibile in un numero enne di sottobande, nel nostro caso i 79 Mhz sono ripartiti in 79 intervalli da 1 MHz ciascuno.
La sequenza di dati è divisa in pacchetti che vengono trasmessi lungo gli enne canali, saltando da una frequenza all'altra secondo uno schema prestabilito da un algoritmo pseudocasuale con un ritmo che può raggiungere i 1600 salti al secondo.
In queste condizioni la perdita di un pacchetto non può essere corretta poichè non vi è ridondanza a livello trasmissivo, ma i protocolli di trasporto possono richiedere la trasmissione dei pacchetti persi. La sequenza corretta dei salti è unica per ogni sessione ed è conosciuta solo dai dispositivi coinvolti nella comunicazione, (piconet o scatternet), questo rende più difficile l'intercettazione, volontaria o meno, da parte di soggetti non autorizzati.

Dopo tutto sto bla bla... si evince che si tratta apparentemente dello stesso mondo... il wireless... ma con tecniche talmente diverse che vengono considerate dagli addetti ai lavori due mondi diversi che non si potranno mai accavallare. Insomma... non sarà possibile che una tecnologia prevalga su un'altra a meno che non si voglia abbandonare il vantaggio di una a favore dell'altra che sarà sempre deficitaria in quanto non potrà "assorbire" le proprietà positive della tecnologia uccisa.

Diamo una guardata all'architettura software e hardware.

I dispositivi Bluetooth comunicano grazie ad un insieme di protocolli organizzati in una struttura a pila detta appunto stack. Sono suddivisi in più livelli disposti l uno sopra l altro a seconda del grado di astrazione. La spiegazione tecnica è alquanto complessa...... è comunque possibile esporre il metodo di comunicazione usando una terminologia semplice e chiara.

In linea teorica la comunicazione fra applicativi operanti su due dispositivi avviene nel seguente modo: l'applicazione che deve trasmettere lo fa consegnando una serie di parametri e dati ad un protocollo posto al di sotto di essa nella pila, tale protocollo elabora i dati ricevuti e li trasmette a sua volta al livello inferiore.
Più si scende verso il basso, lungo la pila, più il livello di astrazione diminuisce e ci si avvicina alla base che rappresenta la trasmissione fisica delle informazioni. Raggiunto il livello fisico i dati sono trasmessi tramite onde radio secondo la tecnica già esposta.
In ricezione vale il meccanismo inverso... si passa dal livello più basso, che corrisponde alla ricezione delle onde radio e si sale progressivamente fino a raggiungere il livello applicativo che corrisponde alla ricezione dei dati da parte del software.

Dalla figura sotto esposta sorge spontanea la domanda.... perché questa complicata struttura? La complicazione dello stack, (pila), è necessaria per rendere le metodologie di trasmissione a basso livello trasparenti alle applicazioni che quindi non devono preoccuparsi di come i dati inviati sono gestiti fisicamente.

Il livello più basso della pila protocollare Bluetooth è costituito dall' Interfaccia RF per la trasmissione analogica di onde radio. Il compito di quest'area è quello di gestire i vari meccanismi di modulazione a radiofrequenza e riportare il segnale ricevuto in banda base, cioè a bassa frequenza per poter trattare più comodamente il segnale.
Sopra l'interfaccia RF troviamo il livello Baseband che si occupa della conversione da analogico a digitale (o viceversa) e restituisce (o riceve) le informazioni alla sezione numerica del sistema Bluetooth.
Ancora sopra incontriamo l' LMP, il Link Manager Protocol, un protocollo la cui funzione è quella di stabilire il collegamento, fra le unità Bluetooth interessate alla comunicazione e di gestire aspetti importantissimi come il controllo di trasmissione e la sicurezza. Salendo troviamo un sub-strato che si occupa della gestione delle comunicazioni l' HCI ovvero Host Controller Interface. Non è un vero protocollo ma un'interfaccia che divide la parte host da quella core di una unità Bluetooth.

Al di sopra dell' HCI la pila si divide in due percorsi differenti:
Se trattiamo un segnale audio come la voce l' HCI comunica direttamente con l'applicazione inviando i dati che riceve direttamente dal LMP, (Link Manager Protocol).
Se si tratta di dati il livello successivo è rappresentato dall' L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) che permette la trasmissione multicanale su un unico collegamento Bluetooth. In questo modo è possibile trasmettere su un unico collegamento informazioni gestite da diversi protocolli di alto livello, come per esempio voce e dati.
Saliamo ancora e troviamo il TCS (Telephony Control protocol Specification) che gestisce il controllo trasmissioni e chiamate vocali, troviamo l' SDP (Service Discovery Protocol) che costituisce un sistema per condividere servizi fra le varie unità collegate e l' RFCOMM che emula il collegamento ottenibile tramite porta seriale.
Gli stack più alti della pila sono rappresentati dall' API (Application Programming Interface) ovvero livelli che a tutti gli effetti sono gestiti tramite il software.

Tornando a livello hardware.. per fare un paragone forse più chiaro... con il PC portatile.... la nostra scheda PC-Card Bluetooth rappresenta il core mentre il notebook ospita l'host.
Quindi l'host gestisce la sezione che va dal livello software all'A2CAP mentre il core si occupa dei livelli inferiori. In questo ambito l'HCI è rappresentato dal driver che consente alla scheda Bluetooth di comunicare con il notebook.

Da un'analisi della struttura si intuisce subito che le applicazioni non utilizzano tutti i protocolli, ci si limita alla metà delle routine disponibili e per questo è indispensabile un sistema semplice per identificare quali saranno i meccanismi da implementare per realizzare determinati servizi.

Per questo motivo si definiscono dei profili, ovvero degli standard applicativi in cui sono indicati i protocolli da utilizzare per ottenere le funzioni necessarie.
La versione 1.1 di Bluetooth prevede 13 profili, altri sono in via di definizione e saranno implementati nello standard 2.0.
Questo è un punto molto importante per non trovarsi di fronte a dispositivi equipaggiati di chip Bluetooth di versioni diverse non compatibili.

Questa situazione, diffusa oggi, porta a pensare che la tecnologia non sia valida, bacata ecc. ecc.
In realtà ci troviamo di fronte a dispositivi prodotti con i "vecchi" chip che devono per forza essere smaltiti e che devono quindi essere correttamente accoppiati in attesa di versioni retro-compatibili come la 2.0.
Un piccolo consiglio......... informatevi sulle caratteristiche del vostro cellulare e confrontatele con quelle del dispositivo Bluetooth prima di acquistarlo.

Veniamo ora alla tipologia della rete.

Molti sostengono che configurare una rete Bluetooth sia difficile... in realtà le cose sono molto più semplici se si comprende come si realizza una rete ed i meccanismi di sicurezza.
Più unità Bluetooth, poste all'interno del raggio massimo di comunicazione, possono stabilire un collegamento che può essere di tipo punto-punto o punto-multipunto secondo la seguente procedura:

1. nella prima fase, denominata "inquiry", un dispositivo Bluetooth ricerca la presenza di altri moduli e questi se sono posti in modalità scan, rispondono alla chiamata;
   
2. segue una fase denominata di "page" nella quale il dispositivo richiede la connessione con una o tutte quelle individuate durante la prima fase di "inquiry".

Seguendo questa tecnica è possibile collegare fino ad 8 dispositivi di cui il primo, quello che ha eseguito l'inquiry, funge da master. Il master avrà il compito di stabilire la sequenza di frequency hopping e le chiavi di cifratura.

La rete appena configurata, che potete vedere nell'immagine sotto, è chiamata piconet e costituisce la cella base di una connessione Bluetooth. E' possibile agganciare più piconet, (verde, rosa, giallo), per creare una scatternet in modo da creare una sorta di sottorete.

Per poter realizzare questa rete bisogna che un modulo sia configurato come slave e contemporaneamente faccia parte di due master differenti appartenenti a due diverse piconet, in questo modo si condivide la connessione (piconet 1 e 2), oppure, una periferica può svolgere il ruolo il master di una piconet e slave per l'altra piconet (piconet 2 e 3).

In questo modo possiamo far coesistere un numero elevato di piconet, per la precisione un massimo di 10 per un totale di 80 dispositivi Bluetooth connessi. E' evidente, ma meglio sottolinearlo, maggiore è il numero di dispositivi minore diventa la banda disponibile per la comunicazione.
Mi preme anche sottolineare che il numero massimo di 8 dispositivi per piconet va visto come 8 dispositivi attivi, possono invece appartenere alla rete un massimo di 255 slave posizionati in modalità stand-by.

Svisceriamo un po' di questa tanto decantata sicurezza.

Pensare ad un sistema di comunicazione privo di protezioni fa sorridere.... in effetti è importante garantire sotto ogni punto di vista, a qualsiasi livello, meccanismi di protezione. Nel caso del Bluetooth questa esigenza diventa fondamentale. Se è vero che un raggio operativo stimato di 10 metri possa costituire una sorta di pregaranzia, è anche vero che l'intercettazione delle comunicazioni è molto a rischio.

L'uso del frequency hopping, esposto precedentemente, aumenta la sicurezza della trasmissione poiché solo le unità interessate conoscono la corretta sequenza dei salti di frequenza.
Questo non basta... è necessario lavorare anche a livello di collegamento logico e di applicazioni software quindi lo standard Bluetooth prevede l'utilizzo di indirizzi pubblici, di chiavi di autenticazione e di cifratura.

Ogni dispositivo Bluetooth è dotato di un indirizzo pubblico, chiamato DB_ADDR ovvero Bluetooth Device ADDRess, che lo caratterizza. In sostanza è un po' come la targa... un dato che rimane invariato a prescindere dal tipo di operazioni, transizioni o dall'applicazione che utilizza il dispositivo.
Questa chiave è composta da 128 bit, rappresenta appunta la targa, è importante per capire e verificare l'identità del dispositivo con il quale si è connessi e quindi la corretta provenienza dei dati in ricezione.

Un dettaglio da non trascurare è l'ulteriore sicurezza implementata ovvero un meccanismo capace, dopo aver stabilito la chiave di autenticazione, di variarla. Questa operazione è affidata alle applicazioni in gioco.
Dalla chiave di autenticazione si estrapola una nuova chiave detta di cifratura che può variare dagli 8 ai 128 bit, il suo scopo è quello di codificare i vari pacchetti trasmessi.
Questa chiave viene generata ogni volta che si attiva il meccanismo di cifratura.

Lo standard prevede tre livelli di sicurezza:

1. Il primo esclude qualsiasi forma di autenticazione e cifratura, abbiamo in questo caso una comunicazione priva di protezione.
2. Il secondo attiva i meccanismi appena descritti solo dopo che viene stabilito un collegamento a livello di L2CAP garantendo politiche diverse alle varie applicazioni che utilizzano il collegamento.
3. Il terzo livello fornisce massima garanzia di protezione su tutti i livelli logici di connessione.

Un occhio alla velocità del Bluetooth!

La trasmissione consente di raggiungere un massimo di 1 Mbps, attenzione questi sono lordi e comprendono la trasmissione di sola voce, soli dati oppure dati e voce!

Nell'ipotesi di trasferimento del segnale vocale, la modulazione adottata è di tipo Cvsd (Continuous Variable Slope Delta), un sistema di campionamento e quantizzazione non lineare che viene utilizzato per convertire il segnale da digitale in analogico.
Cosa si nasconde dietro questa tecnica è presto detto.... l'informazione trasmessa non viene trasmessa come campione di segnale ma come differenza fra due campioni adiacenti. Questo stratagemma consente di occupare meno banda.... insomma un segnale digitale che pesa di meno.

Bluetooth supporta la trasmissione di un massimo di tre canali vocali a 64 Kbps cadauno.
Per quanto riguarda la trasmissione dati, questa può avvenire in modo "asimmetrico" oppure in modalità "full-duplex".
Nel primo caso la capacità di canale è divisa in 721 Kbps in una direzione e 57,6 Kbps nell'altra..... nel secondo abbiamo una velocità di 432 Kbps in ciascuna direzione.

In una comunicazione possono coesistere trasmissioni voce e dati, suddividendo la banda in canali distinti ognuno con le proprie modalità di trasmissione e di bilanciamento della banda disponibile. Per questo motivo è sempre estremamente difficile sul campo dare un vero peso valido per tutti.

Ma chi è questo Bluetooth?

Dopo questa lettura, un po' pesante, mi sembrava doverosa questa chicca sicuramente conosciuta da pochi. Chi è questo Bluetooth?
Quando iniziarono le ricerche per portare avanti questa tecnologia si pensò anche al nome da attribuirgli. Tutti pensarono ad un re vichingo del dodicesimo secolo passato alla storia per aver unificato e portato alla cristianità i regni di Norvegia e Danimarca.
Proprio come il Bluetooth capace di mettere in comunicazione tra loro dispositivi diversi ed altrimenti separati. Il suo nome era Harald Blatand, la traduzione in inglese diventa Bluetooth!