بلوتوث چیست و چگونه کار میکند؟
- فناوری بلوتوث یک استاندارد ارتباطی بیسیم است که به دستگاهها امکان میدهد تا در فواصل کوتاه به یکدیگر متصل و تبادل داده داشته باشند. بلوتوث یک فناوری محبوب در زمینه IoT (اینترنت اشیا) شده است و به طور گسترده در دستگاه های مختلف مانند تلفن های هوشمند، لپ تاپ ها، بلندگوها و بسیاری موارد دیگر مورد استفاده قرار گرفته است.
بلوتوث چیست؟
فناوری بی سیم ،ماوس و صفحه کلید را به رایانه های ما متصل می کند. این فناوری تلفنهای همراه ما را به ماشینهایمان متصل میکند تا از آخرین پادکستها در طول رفت و آمد صبحگاهی مطلع شویم . ساعتهای هوشمند و ردیابها نیز از دیگر تجهیزاتی هستند که توسط تکنولوژی های بیسیم فعالیت ما را به تلفنهای هوشمندمان ارسال میکند.
هنگامی که دو دستگاه نیاز به برقراری ارتباط با یکدیگر دارند، قبل از شروع برقرای ارتباط باید روی تعدادی از نکات به توافق برسند. اولین نقطه توافق فیزیکی است: آیا آنها از طریق سیم صحبت خواهند کرد یا سیگنال های بی سیم.؟ اگر از سیم استفاده می کنند، چند عدد مورد نیاز است – یک، دو، هشت یا 25.؟ هنگامی که در مورد ویژگی های فیزیکی تصمیم گیری شد، چندین سوال دیگر مطرح می شود:
-
- چه مقدار داده در یک زمان ارسال خواهد شد؟ به عنوان مثال، پورت های سریال داده ها را 1 بیت در هر زمان (کلاک) ارسال می کنند، در حالی که پورت های موازی میتوانند چندین بیت را همزمان ارسال می کنند.
- دستگاه ها چگونه با یکدیگر صحبت خواهند کرد؟ همه طرفین در یک تبادل دیتای الکترونیکی باید بدانند که بیت ها به چه معنا هستند و آیا پیامی که دریافت می کنند همان پیامی است که ارسال شده است. این سازوکار به معنای توسعه مجموعه ای از دستورات و پاسخ ها است که به عنوان پروتکل شناخته می شوند.
ارتباطات بلوتوث:
ارتباطات بی سیم در حال حاضر یک پدیده رایج است. بسیاری از ما در دفاتر و منازل خود به اینترنت وای فای دسترسی داریم. اما دستگاههای بلوتوث مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند، نه اینکه ترافیک را از طریق یک دستگاه مانند روتر بیسیم ارسال کنند. این نوع ارتباط باعث میشود دستگاه عمر مفید بیشتر و مصرف برق کمتری داشته باشد و عمر باتری را بهبود میبخشد.
دستگاه های بلوتوث با استفاده از امواج رادیویی کم مصرف در باند فرکانسی بین 2.400 گیگاهرتز و 2.4835 گیگاهرتز ارتباط برقرار می کنند .این باند یکی از معدود باندهایی است که طبق توافقات بین المللی برای استفاده از دستگاه های صنعتی، علمی و پزشکی (ISM) کنار گذاشته شده است.
بسیاری از دستگاههایی که ممکن است قبلاً از آنها استفاده کرده باشید از همین باند فرکانس رادیویی بهره میبرند. از جمله کیبورد و ماوس بیسیم ، هدست ها و جدیدترین نسل تلفنهای بیسیم. اطمینان از عدم تداخل دستگاه های بلوتوث و سایر فناوری های ارتباطی بی سیم با یکدیگر ضروری است.
دو نوع فناوری اصلی بلوتوث وجود دارد: بلوتوث کم انرژی (LE) و بلوتوث کلاسیک .هر دو با استفاده از یک باند فرکانس کار می کنند، اما بلوتوث LE محبوب ترین گزینه است. برای کار کردن به انرژی بسیار کمتری نیاز دارد و همچنین میتواند برای شبکههای پخش یا مش استفاده شود، علاوه بر اینکه امکان برقراری ارتباط از طریق اتصالات نقطه به نقطه بین دو دستگاه را فراهم میکند.
فناوری بلوتوث کلاسیک میتواند سرعت داده کمی بالاتر از بلوتوث LE (3 مگابایت در مقایسه با 1 مگابیت یا 2 مگابایت بر ثانیه) ارائه دهد، اما فقط میتواند برای ارتباط مستقیم بین دو دستگاه با استفاده از اتصالات نقطه به نقطه استفاده شود. هر یک از دو نوع فناوری بلوتوث نقاط قوت خاص خود را دارد و سازندگان نسخه ای را انتخاب می کنند که به بهترین وجه با نیازهای محصول آنها مطابقت دارد.
ریشه کلمه Bluetooth:
هارالد بلوتوث در اواخر دهه 900 پادشاه دانمارک بود. او موفق شد دانمارک و بخشی از نروژ را در یک پادشاهی واحد متحد کند، سپس مسیحیت را وارد دانمارک کرد. او بنای یادبود بزرگی به نام سنگ رون جلینگ به یاد والدینش به جا گذاشت. در سال 986 در جریان نبردی با پسرش اسوند فورکبرد کشته شد. انتخاب این نام برای استاندارد نشان میدهد که شرکتهای منطقه شمال اروپا (کشورهایی از جمله دانمارک، سوئد، نروژ و فنلاند) چقدر برای صنعت ارتباطات اهمیت قائل هستند، حتی اگر در مورد نحوه عملکرد فناوری اطلاعات کمی داشته باشد.
اصلا چرا پادشاه هارالد به “بلوتوث” معروف شد؟ ریشه این نام مستعار احتمالاً آنقدرها هم جذاب نیست. ظاهراً هارالد دندان پوسیده ای داشت که همانطور که از نام دانمارکی او نشان می دهد آبی یا سیاه به نظر می رسید: Harald Blatand Gormsen، در واقع bla به معنای دندان آبی و دندانه دار.
در یک شب طوفانی!!!، در یک بار در تورنتو، دو مهندس از اینتل و اریکسون که بر روی پروژه کار می کردند، مشغول نوشیدن نوشیدنی بودند. آنها به دنبال نام خوبی بودند تا برای فناوری جدید خود انتخاب کنند. در طول گفتگو، آنها در مورد عشق مشترک خود به تاریخ صحبت کردند. یکی از آنها به کتابی اشاره کرد که به تازگی در مورد وایکینگ ها خوانده بود، از جمله یکی از پادشاهان وایکینگ عجیب و غریب: هارالد بلوتوث.
در سال 1997، چندین شرکت بزرگ ارتباطی مانند آیبیام، اینتل، اریکسون، نوکیا و توشیبا فناوری جدیدی را برای اتصال دستگاهها توسعه دادند. نوکیا و اریکسون، دو شرکت نوردیک، این پروژه را رهبری کردند.
مهندسان یک ارتباط موازی بین هارالد بلوتوث، پادشاه متحد کننده، و ابزاری که برای اتصال دستگاه های مختلف در یک شبکه منحصر به فرد ایجاد کرده بودند، ایجاد کردند. یکی از آنها، جیم کارداچ، اسنادی را گردآوری کرد تا انتخاب نام را برای مافوق خود توضیح دهد. این اسناد شامل تصویری از هارالد حک شده روی سنگ بود که یک تلفن همراه و یک لپ تاپ در دست داشت.
بلوتوث برای چندین ماه به یک نام رمز تبدیل شد، اما قرار بود با نام “RadioWire” یا “PAN” (Personal Area Network) جایگزین شود. اما تیم ارتباطی قدرت معنای پشت “بلوتوث” را درک کردند و آن را به عنوان نام رسمی فناوری حفظ کردند. بلوتوث به طور رسمی در سال 1998 راه اندازی شد و اریکسون اولین تلفن بلوتوث را در سال 1999 ایجاد کرد. این فناوری هنوز هم امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد.
بلوتوث چگونه عمل میکند:
دستگاههای بلوتوث BR/EDR همیشه باید جفت شوند و این روش باعث میشود که هر یک از دو دستگاه به دیگری اعتماد کنند و بتوانند دادهها را به روشی امن با استفاده از رمزگذاری مبادله کنند.
هنگامی که دستگاههای بلوتوث BR/EDR در محدوده یکدیگر قرار میگیرند، یک مکالمه الکترونیکی انجام میشود تا مشخص شود آیا آنها به یکدیگر اعتماد دارند یا نه و دادههایی برای اشتراکگذاری موجود هست یا خیر. کاربر معمولاً مجبور نیست دکمه ای را فشار دهد یا دستور بدهد. مکالمه الکترونیکی به طور خودکار انجام می شود. هنگامی که مکالمه انجام شد، دستگاه ها – چه بخشی از یک سیستم کامپیوتری باشند یا یک سیستم صوتی استریو خانگی – یک شبکه را تشکیل می دهند.
بلوتوث LE اما متفاوت عمل می کند. ممکن است دستگاه ها برای ایجاد یک رابطه قابل اعتماد بین یکدیگر جفت شوند، اما همه محصولات به این روش نیاز ندارند. یک دستگاه بلوتوث LE که میخواهد کشف شود، پیامهای خاصی (Packets) را در فرآیندی به نام تبلیغات (Advertising) پخش میکند.
بسته های تبلیغاتی حاوی اطلاعات مفیدی در مورد دستگاه تبلیغاتی هستند. دستگاه مناسب دیگری با اسکن (listening) بسته های تبلیغاتی و انتخاب بسته هایی که از دستگاه های موردنظر هستند، دستگاه تبلیغاتی را پیدا می کند. معمولاً اسکن تنها زمانی اتفاق میافتد که کاربر با فشار دادن یک دکمه در یک برنامه تلفن هوشمند، آن را فعال کند.
معمولاً جزئیات دستگاه های مناسبی که کشف شده اند به کاربر ارائه می شود و سپس یکی را برای اتصال انتخاب می کند.
لوازم جانبی بلوتوث (به عنوان مثال، یک ردیاب فعالیت یا یک ساعت هوشمند) که به یک دستگاه مرکزی (مانند یک تلفن هوشمند) متصل هستند، یک شبکه منطقه ای شخصی (PAN) یا piconet را تشکیل می دهند که ممکن است کل فضای یک ساختمان را دربر بگیرند یا ممکن است مسافت زیادی را در بر نگیرد. مثلا فاصله بین گوشی هوشمند در جیب و ساعت روی مچ دست.
هنگامی که یک piconet ایجاد می شود، اعضای آن فرکانس های رادیویی را به صورت هماهنگ پرتاب می کنند تا با یکدیگر در تماس باشند و از تداخل با سایر piconet های بلوتوثی که ممکن است در همان اتاق یا دستگاه هایی با استفاده از فناوری های بی سیم دیگر مانند WiFi کار می کنند، جلوگیری کنند.
این تکنولوژی حتی یاد می گیرد که کدام کانال های رادیویی خوب کار می کنند و کدام یک با تداخل مواجه هستند تا بتواند به صورت پویا از کانال های نا مطلوب دوری کند و فقط از کانال هایی استفاده کند که تداخل ندارند. این فرآیند که پرش فرکانس تطبیقی (adaptive frequency hopping ) نامیده میشود به دستگاههای بلوتوث اجازه میدهد تا حتی در محیطهایی که تعداد بسیار زیادی دستگاه بیسیم کار میکنند، واقعاً خوب کار کنند.
شعاع عملیاتی بلوتوث :
اگرچه بسیاری از بلوتوث در درجه اول به عنوان یک فناوری کوتاه برد یاد می کنند، اما می توان از آن برای اتصال دستگاه های با فاصله بیش از یک کیلومتر (3280 فوت) از هم نیز استفاده کرد.
در واقع، بسیاری از انواع محصولات مانند هدفون های بی سیم، نیاز دارند که برد ارتباطی دستگاه ها بسیار کوتاه باشد. اما از آنجایی که فناوری بلوتوث بسیار انعطافپذیر است و میتوان آن را بر اساس نیازهای برنامه پیکربندی کرد، سازندگان میتوانند تنظیمات بلوتوث را روی دستگاههای خود تنظیم کنند تا به محدوده مورد نیاز خود دست یابند و در عین حال عمر باتری را به حداکثر برسانند و بهترین کیفیت سیگنال را به دست آورند.
چندین عامل بر دامنه دستگاه های بلوتوث تأثیر می گذارد:
-
- طیف رادیویی: باند فرکانسی فناوری بلوتوث آن را به انتخاب خوبی برای ارتباطات بی سیم تبدیل می کند.
- لایه فیزیکی (PHY): برخی از جنبههای کلیدی نحوه استفاده از رادیو برای ارسال و دریافت دادهها مانند نرخ داده، نحوه تشخیص و تصحیح خطا، حفاظت از تداخل و سایر تکنیکهایی که بر وضوح سیگنال در محدودههای مختلف تأثیر میگذارند را تعریف میکند.
- حساسیت گیرنده: اندازه گیری حداقل قدرت سیگنالی که گیرنده همچنان می تواند داده ها را دریافت کرده و به درستی رمزگشایی کند.
- قدرت انتقال: همانطور که ممکن است انتظار داشته باشید، هرچه قدرت سیگنال ارسالی بالاتر باشد، برد بیشتری را می توان بدست آورد. اما افزایش قدرت انتقال نیز باتری شما را سریعتر تخلیه می کند.
- بهره آنتن: در اصل، این تغییر سیگنال های الکتریکی از فرستنده به امواج رادیویی و بازگشت دوباره به انتهای گیرنده است.
- تلفات مسیر: عوامل متعددی ممکن است سیگنال را تضعیف کنند، از جمله مسافت، رطوبت، و کانالی که از طریق آن حرکت می کند (مانند چوب، بتن یا فلز).
یکی از جدیدترین بهروزرسانیهای فناوری بلوتوث، تکنیکی به نام تصحیح خطای رو به جلو (FEC) می باشد که برای بهبود حساسیت گیرنده معرفی شده است. FEC خطاهای دادهای را که در انتهای گیرنده شناسایی میشوند تصحیح میکند و محدوده مؤثر دستگاه را چهار بار یا بیشتر بدون نیاز به استفاده از توان انتقال بیشتر بهبود میبخشد.
این تکنولوژی بدان معناست که دستگاه زمانی که در فاصله بسیار طولانی تری از فرستنده قرار دارد، میتواند با موفقیت بیشتری داده ها را دریافت کند ، در جایی که سیگنال بسیار ضعیف تر خواهد بود.
امنیت بلوتوث :
فناوری بلوتوث شامل تعدادی از ملاحظات امنیتی است که می تواند حتی سخت ترین الزامات امنیتی مانند موارد مندرج در استانداردهای پردازش اطلاعات فدرال (FIPS) را برآورده کند.
هنگام اتصال به یک دستگاه جدید، کاربران معمولاً فرآیندی به نام جفت شدن را طی می کنند. جفت شدن هر دستگاه را به کلیدهای امنیتی ویژه مجهز می کند و باعث می شود که به یکدیگر اعتماد کنند. دستگاهی که نیاز به جفت شدن دارد به دستگاه دیگری که با آن جفت نشده است متصل نمی شود.
این کلیدهای امنیتی به فناوری بلوتوث اجازه می دهد تا از داده ها و کاربران به روش های مختلفی محافظت کند. به عنوان مثال، داده های مبادله شده بین دستگاه ها را می توان رمزگذاری کرد تا توسط دستگاه های دیگر قابل خواندن نباشد. همچنین میتواند به آدرسی که به عنوان هویت یک دستگاه عمل میکند و در مبادلات دادههای بیسیم گنجانده شده است اجازه دهد هر چند دقیقه یکبار پنهان و تغییر داده شود. این کار کاربران را از خطر ردیابی با استفاده از داده های ارسال شده توسط دستگاه های الکترونیکی شخصی محافظت می کند.
اگر صاحب دستگاههای دارای بلوتوث هستید، این فرایند را خودتان تجربه کردهاید. به عنوان مثال، اگر یک ماوس بی سیم بخرید، اولین بار که آن را روشن می کنید، با دستگاهی که قصد استفاده از آن را دارید جفت می کنید. ممکن است ماوس را روشن کنید، سپس به تنظیمات بلوتوث در لپتاپ خود بروید تا دستگاه را به محض مشاهده نام آن در لیست لوازم جانبی بلوتوث نزدیک، جفت کنید. یک کامپیوتر می تواند بسیاری از اتصالات بلوتوث را به طور همزمان مدیریت کند.
با این حال، سازندگان این لوازم جانبی، اتصالات را به حالت یک به یک ، در یک زمان محدود می کنند. میخواهید با صفحه کلیدتان فقط روی کامپیوتر شخصی خود تایپ کند یا هدفونتان بهطور خاص به تلفنتان متصل شود. برخی به کاربر اجازه میدهند دستگاه را با چندین کامپیوتر، تبلت یا تلفن جفت کند، اما ممکن است فقط به آنها اجازه داده شود که هر بار به یک دستگاه متصل شوند. همه چیز بستگی به این دارد که سازنده چه تصمیمی برای محصول خود گرفته باشد.
برخی از دستگاه ها برای امنیت بیشتر در حین جفت شدن با دستگاه دیگر به کد نیاز دارند. این نمونهای از روشهای احراز هویت است و تضمین میکند که دستگاهی که با آن جفت میشوید، همانی است که فکر میکنید، به جای متصل شدن به دستگاه دیگری در جای دیگری در محیط.
به عنوان مثال، بسیاری از خودروها این امکان را در اختیار شما قرار میدهند که بدون اینکه دست خود را از روی فرمان بردارید، تماس بگیرید. اولین باری که می خواهید از این امکانات استفاده کنید، باید گوشی خود و سیستم صوتی خودرو را با استفاده از نمایشگر خودرو و گوشی هوشمند خود با هم جفت کنید. ماشین شماره ای به شما می دهد تا آن را در تلفن همراهتان وارد کنید. جهان پردازش نوین.
تلفن شما به شما امکان می دهد تا بدانید که دستگاهی می خواهد با استفاده از یک کد عددی با تلفن شما جفت شود. شما کد را از روی صفحه نمایش سرگرمی وارد می کنید تا تأیید کنید که این جفت سازی مجاز است. پس از آن، می توانید از سیستم تلفن هندزفری بدون نیاز به جفت شدن مجدد استفاده کنید.
کاربر همچنین بر روی نشان داده شدن دستگاه به سایر دستگاه های بلوتوث کنترل دارد. برای مثال، در کامپیوتر یا تلفن هوشمند، میتوانید به سادگی حالت بلوتوث دستگاه را به حالت «غیر قابل کشف» تغییر دهید یا به سادگی بلوتوث را تا زمانی که دوباره به آن نیاز پیدا کنید، غیرفعال کنید.
بلوتوث کلاسیک :
بلوتوث کلاسیک نسخه اصلی فناوری بلوتوث است که برای اولین بار در سال 1999 معرفی شد. این بلوتوث برای برنامه های کاربردی با پهنای باند بالا مانند پخش صدا و تصویر طراحی شده است و از دستگاه هایی با نیاز انرژی بالاتر پشتیبانی می کند. بلوتوث کلاسیک از باند 2.4 گیگاهرتز ISM (صنعتی، علمی و پزشکی) استفاده می کند و حداکثر سرعت داده 3 مگابیت در ثانیه دارد.
برد آن تا 100 متر است که آن را برای استفاده در محیط های داخلی و خارجی مناسب می کند. دستگاه های بلوتوث کلاسیک می توانند با استفاده از پروتکل های مختلفی مانند A2DP (Advanced Audio Distribution Profile) برای پخش صدا و AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile) برای کنترل از راه دور دستگاه های صوتی و تصویری به دستگاه های دیگر متصل شوند.
بلوتوث Low Energy (BLE):
بلوتوث کم انرژی (BLE) نسخه جدیدتری از فناوری بلوتوث است که در سال 2010 معرفی شد. BLE که با نام Bluetooth Smart نیز شناخته میشود، برای برنامههای کم مصرف مانند ردیابهای تناسب اندام، دستگاههای خانه هوشمند و چراغها طراحی شده است. BLE از همان باند ISM 2.4 گیگاهرتزی بلوتوث کلاسیک استفاده می کند، اما مصرف انرژی کمتر و برد کمتری دارد.
دستگاه های BLE می توانند ماه ها یا حتی سال ها با باتری سکه ای کار کنند. BLE دارای حداکثر سرعت داده 1 مگابیت در ثانیه و برد تا 50 متر است. دستگاههای BLE میتوانند با استفاده از پروتکلهای مختلفی مانند GATT (Generic Attribute Profile) برای تبادل داده و GAP (Generic Access Profile) برای کشف و اتصال دستگاه به دستگاههای دیگر متصل شوند.
یکی از تفاوت های اصلی بلوتوث کلاسیک و BLE مصرف انرژی آنهاست. دستگاههای بلوتوث کلاسیک نسبت به دستگاههای BLE انرژی بیشتری مصرف میکنند، که باعث میشود برای کاربردهای قابل حمل و با باتری مناسب نباشند. دستگاههای BLE طوری طراحی شدهاند که انرژی بسیار کمی مصرف میکنند و برای برنامههایی که با باتریهای کوچک کار میکنند ایدهآل هستند. به همین دلیل است که BLE معمولاً در دستگاه های IoT مانند ردیاب های تناسب اندام، ساعت های هوشمند و سایر دستگاه های پوشیدنی استفاده می شود.
یکی دیگر از تفاوت های بلوتوث کلاسیک و BLE محدوده ارتباط آنهاست. بلوتوث کلاسیک برد طولانی تری نسبت به BLE دارد و برای برنامه هایی که به منطقه پوشش بیشتری نیاز دارند مناسب است. BLE دارای برد کوتاه تری است و آن را برای برنامه هایی مناسب تر می کند که به منطقه تحت پوشش کمتری مانند ناوبری داخلی یا خدمات مبتنی بر مکان نیاز دارند.جهان پردازش نوین
از نظر امنیت، هر دو بلوتوث کلاسیک و BLE ویژگی های امنیتی مشابهی مانند رمزگذاری و احراز هویت را ارائه می دهند. با این حال، دستگاههای BLE میتوانند از اتصالات امن نیز استفاده کنند، که با استفاده از پروتکل تبادل کلید امن برای برقراری ارتباط امن بین دستگاهها، لایه امنیتی بیشتری را فراهم میکند.
جدول مقایسه :
بلوتوث کم انرژی (BLE) در زمینه های مختلف قابل استفاده است. برخی از کاربردهای رایج BLE به شرح زیر می باشد:
-
- مکان یابی داخلی
- ردیابی دارایی ها و اشیاء متصل
- ردیابی تماس و کارمند
- لوازم هوشمند و ردیاب های سلامت یا تناسب اندام
- کنترل دسترسی
- مدیریت موجودی
- مسیریابی و ناوبری
- بازاریابی مجاورتی
- لوازم امنیتی و اتوماسیون خانگی
- پرداخت موبایلی
- دستگاه های صوتی
مزایای BLE :
مزایای اصلی بلوتوث کم انرژی (BLE) موارد زیر است.
-
- مصرف برق کم
- زمان آماده به کار طولانی
- هزینه توسعه کم
- بهبود در ردیابی
- باز کردن دسترسی به اسناد
- موجودی خودکار دقیق تر
- فراوانی در گوشی های هوشمند
معایب BLE :
موارد زیر معایب بلوتوث کم انرژی (BLE) است.
-
- منطقه تحت پوشش محدود
- نمی تواند از ارتباطات راه دور پشتیبانی کند (پشتیبانی تا 200 متر در خط دید)
- نمیتواند از نرخ داده بالاتری که توسط وایفای و ارتباطات سلولی ارائه میشود پشتیبانی کند (پشتیبانی از نرخ داده ۱ مگابیت بر ثانیه و ۲ مگابیت در ثانیه)
- به راحتی تحت تاثیر محیط اطراف (مانند دیوار، بدن انسان و غیره) قرار می گیرد.
کلام پایانی :
به طور خلاصه، بلوتوث کلاسیک و BLE هر دو فناوری های ارتباطی بی سیم هستند که از پروتکل بلوتوث استفاده می کنند، اما برای اهداف متفاوتی طراحی شده اند و ویژگی های متفاوتی دارند.
بلوتوث کلاسیک برای برنامه هایی که به سرعت انتقال داده بالا نیاز دارند و به برق دسترسی دارند، مناسب تر است، در حالی که BLE برای برنامه های کم مصرف و سرعت داده پایین که نیاز به کارکرد با باتری های کوچک مانند دستگاه های اینترنت اشیا دارند، بهتر است. هر دو مزایا و معایب خاص خود را دارند و انتخاب بین این دو بستگی به نیازهای خاص برنامه دارد.