Como Funciona: Bluetooth – Energia Inteligente
02/09/2017 - 08:2
Você com certeza já viu um "B" nas configurações do seu smartphone, talvez já o usou, mas não sabe exatamente como ele funciona… Continue conosco para saber tudo sobre essa tecnologia!
A história do Bluetooth começa em meados de 1994. Na época, a companhia Ericsson passou a estudar a viabilidade de desenvolver uma tecnologia que permitisse a comunicação entre telefones celulares e acessórios utilizando sinais de rádio de baixo custo, em vez dos tradicionais cabos. O estudo foi feito com base em um projeto que investigava o uso de mecanismos de comunicação em redes de telefones celulares, que resultou em um sistema de rádio de curto alcance que recebeu o nome MC-Link. Com a evolução do projeto, a Ericsson percebeu que o MC-Link poderia ser bem sucedido: seu principal atrativo era a implementação relativamente fácil e barata.
Em 1997, o projeto começou a despertar o interesse de outras empresas que logo passaram a fornecer apoio. Por conta disso, em 1998, foi criado o consórcio Bluetooth SIG (Bluetooth Special Interest Group), formado pelas companhias Ericsson, Intel, IBM, Toshiba e Nokia (dezenas de outras companhias aderiram ao consórcio com o passar do tempo).
Repare que o grupo envolvia inicialmente duas "gigantes" das telecomunicações (Ericsson e Nokia), dois nomes de peso na fabricação de PCs (IBM e Toshiba) e a líder no desenvolvimento de chips e processadores (Intel). Tamanha diversidade foi importante para permitir o desenvolvimento de padrões que garantissem o uso e a interoperabilidade da tecnologia nos mais variados dispositivos.
Mas, afinal de contas, o que é o Bluetooth? O Bluetooth é um padrão global de comunicação sem fio e de baixo consumo de energia que permite a transmissão de dados entre dispositivos, desde que um esteja próximo do outro. Uma combinação de hardware e software é utilizada para permitir que esse procedimento ocorra entre os mais variados tipos de aparelhos.
Esse índice sugere que um aparelho com Bluetooth classe 3 somente conseguirá se comunicar com outro se a distância entre ambos for inferior a 1 metro, por exemplo. Essa distância pode até parecer inutilizável, mas é suficiente para conectar um fone de ouvido a um telefone celular guardado no bolso da calça. É importante frisar, no entanto, que dispositivos de classes diferentes podem se comunicar sem nenhum problema, bastando respeitar o limite daquele que possui alcance menor.
A camada mais baixa da arquitetura do Bluetooth é a camada física. Ela define as especificações que um aparelho deve possuir para operar com a tecnologia Bluetooth. Dois aparelhos conectados via Bluetooth partilham um canal físico de comunicação, logo, para que haja transmissão, ambos aparelhos devem estar sintonizados na mesma frequência ao mesmo tempo, e também estarem próximos um do outro.
Em uma determinada região, a probabilidade de que inúmeros aparelhos estejam operando na mesma frequência é grande. Isto poderia resultar em uma colisão do canal físico (ar). Para atenuar os efeitos de tal colisão, cada transmissão é iniciada com um código de acesso, que serve para correlacionar os aparelhos sintonizados ao mesmo canal físico. Um código de acesso é sempre enviado no início de cada pacote de dados.
O Bluetooth permite a transmissão de dados sem fio através de piconets. Um aparelho dotado de tecnologia Bluetooth pode comunicar-se com um ou mais aparelhos simultaneamente. As piconets são formadas por um membro mestre (aquele que comanda a transferência de dados) e por diversos escravos (aqueles que recebem ordens do mestre sobre a transferência de dados), dos quais até 7 podem ocupar o espaço de ativos, enquanto que os restantes são caracterizados como escravos estacionados (podendo chegar até 255). Cada um destes ganha um "endereço de estacionamento" de 8 bits. Um escravo estacionado pode se tornar um ativo em apenas 2ms. Para o caso de a operação envolver somente dois aparelhos dá-se o nome de conexão ponto-a-ponto e conexão ponto-a-multiponto caso outros aparelhos também participem da transmissão.
Uma mesma unidade pode participar como escravo de várias piconets, mas pode atuar como mestre em somente uma delas. Para participar de mais de uma piconet, deve ser feita a multiplexação no tempo (TDM – Time Division Multiplex), ou seja, a unidade pode participar de uma segunda piconet nos intervalos de tempo em que não estiver ativa na piconet inicial (a unidade permanece ativa em uma piconet e em estado de Hold nas outras às quais pertence). O conjunto de várias piconets independentes e não-sincronizadas é chamado de Scatternet, como mostrado a seguir. Uma Scatternet pode conectar até 10 piconets.
Para haver sintonia entre as unidades de uma mesma piconet, os saltos em frequência (frequency hopping), relativamente aleatórios, ditados pela unidade mestre devem ser seguidos pelas unidades escravos.
É principalmente através dos saltos em frequência que o Bluetooth consegue evitar interferência entre os vários dispositivos operantes em uma mesma frequência. Depois de estabelecida a conexão entre o mestre e seus escravos, cabe ao mestre ditar os saltos que serão efetuados e seguidos pelos escravos. Existem 79 frequências que podem ser utilizadas dentro da faixa ISM, cada uma espaçada da outra por 1MHz. A cada segundo são feitos 1600 saltos. Desse jeito, mesmo que duas redes partilhem da mesma frequência, a interferência causada por isso será muito pequena porque ocorre somente durante uma pequena fração de segundo.
A transmissão de pacotes só pode ser feita dentro de slots, intervalos de 625 µs. Um pacote pode ocupar 1, 3 ou 5 slots consecutivos (chamados de pacotes multislot). No caso de pacotes multislot, não haverá salto em frequência durante sua transmissão. A transmissão é alternada entre mestre e escravo (método chamado de Time-Division Duplex), o aparelho mestre só pode transmitir em slots pares, e os escravos nos ímpares. A numeração dos slots (definição se serão pares ou ímpares) é dada pelo lsb (bit menos significativo) do clock do mestre.
Em qualquer rede sem fio, a vulnerabilidade das informações é evidente. Como o meio que propaga o sinal é o próprio ar, um dispositivo pode captar um sinal sendo enviado se este não for devidamente protegido. No caso da tecnologia Bluetooth, onde as conexões são feitas de forma automática, é especialmente importante definir formas de proteger os usuários para que não recebam dados de dispositivos que não desejam.
Para garantir a integridade das informações transmitidas em uma conexão, aplicam-se recursos de criptografia e autenticação. Desse jeito, um usuário pode definir dispositivos que classifica como "confiáveis". Para tais dispositivos, não será necessário pedir permissão antes da troca de dados.
Quando qualquer outro dispositivo desejar estabelecer uma conexão, um pedido de permissão deve ser enviado. Os dispositivos Bluetooth usam uma chave de acesso, também denominada número de identificação pessoal (PIN), para autenticação. Se a chave de acesso digitada pelo usuário corresponder à chave de acesso do dispositivo detectado, a autenticação será realizada com êxito. Se essa chave não corresponder, a autenticação falhará.
Existem várias formas de interferir com uma conexão Bluetooth. Ultimamente, as técnicas de Bluejacking, Bluebugging e Car Whisperer se tornaram populares entre os hackers. Especialmente preocupante é o Bluebugging, que permite a um usuário externo acessar e utilizar um telefone pessoal, chegando a realizar chamadas ou a enviar mensagens de texto.
Agora que já conhecemos o que é a tecnologia Bluetooth, além de como ela funciona e sua história, vamos descobrir quais são suas vantagens e desvantagens.
Segurança: o usuário do dispositivo mestre pode optar por introduzir um PIN, criando um ambiente seguro para transferência de dados.
Velocidade de partilha: a última versão do Bluetooth conta com até 50MBps, o que é bem distante das primeiras versões, que dispunham de apenas 1MBps. Levando em consideração outras formas de transferir arquivos, essa é uma boa velocidade.
Alcance: as primeiras versões dispunham de alcance curto, possibilitando apenas emparelhamentos locais. Já a versão 5 permite que dispositivos se comuniquem em distâncias de até 40 metros (o alcance varia com as chamadas "classes", e varia de 1 até 100m)
Simplicidade: não é necessário muito conhecimento sobre tecnologia para usar o Bluetooth, qualquer um pode usar facilmente.
Sem fio: pode parecer repetitivo, mas essa é uma das principais vantagens de se usar o Bluetooth.
Quantidade de emparelhamentos: o número de aparelhos que podem ser conectados é pequeno, normalmente 1 ou 2, no caso de celulares. Com a Internet das Coisas, esse número tende a crescer, possibilitando maior número de ligações.
Bateria: comum à muitas tecnologias, o uso do Bluetooth consome bateria, então recomenda-se desligá-lo após seu uso.
Perda de conexão: normalmente atrelada ao alcance, a perda de conexão pode ser comum durante transações, principalmente em versões mais antigas.
Interferência: a frequência do Bluetooth pode influenciar em outros equipamentos, causando interferência, apesar de ser um fenômeno raro.
As aplicações dessa tecnologia são diversas, e tendem a aumentar com a evolução da Internet das Coisas. Vamos ver aqui alguns exemplos:
Oakley & Bluetooth
Óculos com fone de ouvido Bluetooth acoplado:Viabiliza a prática de esportes, banho de sol e caminhadas sem perder nenhuma chamada. Possui compatibilidade universal.
BMW e Bluetooth
O motorista entra com o smartphone no carro, o carro se conecta automaticamente e, através de uma tela no painel, vê todas as informações do celular e executa tudo através de comando de voz e botões acoplados ao volante.
Travesseiro Bluetooth
A ideia é fazer com que as pessoas possam atender o celular ou fazer ligações sem sair da cama. O travesseiro vem com controle de volume e tem autonomia para oito horas de conversa e 300 horas em stand-by.
Este relógio está sempre conectado ao seu celular via Bluetooth e te avisa quando uma chamada está entrando, possibilitando que você rejeite ou tire o som do celular sem tirar o telefone do bolso. Se você se afastar do celular, ou seja, ser o relógio perder a comunicação com o telefone ele te avisa, evitando esquecê-lo em algum lugar.
O capacete é capaz de se conectar ao Ipod ou ao celular, permitindo que o usuário pratique esportes radicais como skate, mountain bike, snowboarding, etc.
Periféricos de pequeno porte podem se conectar a tablets e computadores por meio da tecnologia.
O Bluetooth é uma tecnologia em permanente evolução, o que faz suas especificações mudarem e novas versões surgirem com o tempo. Não é por menos: necessidades sempre aparecem. A seguir, as versões do Bluetooth disponíveis até a última atualização deste texto.
Bluetooth 1.0: Representa as primeiras especificações do Bluetooth. Justamente por isso, os fabricantes encontravam problemas que dificultavam a sua implementação e a interoperabilidade entre dispositivos via Bluetooth — nesta época, a tecnologia ainda estava "crua", por assim dizer. A velocidade padrão do Bluetooth 1.0 é de 721 Kb/s.
Bluetooth 1.1: marca o estabelecimento do Bluetooth como o padrão IEEE 802.15. Muitos problemas encontrados na versão 1.0 foram solucionados.
Bluetooth 1.2: conexões mais rápidas, melhor proteção contra interferências, suporte aperfeiçoado a scatternets e processamento de voz mais avançado.
Bluetooth 2.0 + EDR: diminuição do consumo de energia, aumento na velocidade de transmissão de dados para até 3 Mb/s (2.1 Mb/s efetivos), correção das falhas existentes na versão 1.2 e melhor comunicação entre os dispositivos.
Bluetooth 2.1 + EDR: acréscimo de mais informações nos sinais Inquiry (permitindo um processo de seleção apurado dos dispositivos antes de estabelecer uma conexão), melhorias nos procedimentos de segurança (inclusive nos recursos de criptografia) e melhor gerenciamento do consumo de energia.
Bluetooth 3.0 + HS: tem como principal atrativo taxas altas de velocidade de transferência de dados (até 24 Mb/s). Outra vantagem é o controle mais inteligente do gasto de energia exigido para as conexões.
Bluetooth 4.0: seu principal diferencial está no aspecto da economia: o padrão é capaz de exigir muito menos energia quando o dispositivo está ocioso.
Bluetooth Low Energy: trata-se de uma especificação que faz a tecnologia consumir uma quantidade muito pequena de energia elétrica — menos do que as versões "normais". Acessórios médicos portáteis, smartwatches e pulseiras inteligentes são exemplos de dispositivos que, por serem muito compactos, usam baterias de baixa capacidade. Assim, toda economia de energia é válida. O Bluetooth LE veio para atender justamente a essa necessidade.
Bluetooth 4.1: é tido como uma revisão do Bluetooth 4.0, incorporando recursos que tornam a tecnologia ainda mais receptiva a dispositivos móveis, especialmente aqueles que se enquadram na chamada internet das coisas.
Bluetooth 4.2: a versão tem pleno suporte ao IPv6 para tornar a tecnologia ainda mais relevante para a internet das coisas, como câmeras de segurança, lâmpadas inteligentes, termostatos e outros dispositivos domésticos podem usar a tecnologia de modo otimizado para comunicação no mesmo ambiente ou para acesso à internet.
Bluetooth 5.0: apresentado oficialmente no final de 2016, essa versão permite que dispositivos se comuniquem em distâncias de até 40 metros (relembrando, os padrões anteriores trabalham, em média, com até 10 metros, embora seja possível alcançar distâncias maiores neles). Além disso, aqui, a velocidade passou de 24 Mb/s para 50 Mb/s. Outros recursos do Bluetooth 5 incluem o uso de técnicas que diminuem o risco de interferências em redes Wi-Fi ou LTE, suporte a mais dispositivos conectados ao mesmo tempo (novamente, para corresponder às necessidades da internet das coisas), funções para facilitar a geolocalização dos equipamentos conectados e mais controle sobre o consumo de energia.
O nome Bluetooth tem origem no Rei Dinamarquês Harald Blatand, principal responsável pela união dos povos então inimigos da região onde hoje se situam Noruega, Suécia e Dinamarca. A tradução do nome Blatand para o inglês é Bluetooth. Como o propósito da tecnologia é promover a colaboração entre diferentes setores industriais, tais como computação, telefonia móvel e mercado automotivo, similar aos feitos do monarca, seu nome pareceu apropriado para a nova tecnologia. Seu logotipo também é em homenagem a Harald Blatand. A união das runas nórdicas (Hagall) e (Berkanan), equivalentes a H e B respectivamente, formam seu logotipo.
Bluetooth: Camada Física e Camada de Acesso ao Meio
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