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27 Settembre 2020

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Tecnologie di rete : Bluetooth

6 min read
Bluetooth (spesso abbreviato in BT) è uno standard tecnico-industriale di trasmissione dati per reti personali senza fili (WPAN: Wireless  Personal Area Network). Fornisce un metodo standard, economico e sicuro per scambiare informazioni tra dispositivi diversi attraverso  una frequenza radio sicura a corto raggio in grado di ricercare i dispositivi coperti dal segnale radio entro un raggio di qualche decina di  metri mettendoli in comunicazione tra loro. Questi dispositivi possono essere a esempio palmari, telefoni cellulari, personal computer,  portatili, stampanti, fotocamere digitali, smartwatch, console per videogiochi, cuffie, purché provvisti delle specifiche hardware e  software richieste dallo standard stesso. Il BT si è diffuso da tempo anche nel settore industriale (strumenti di misura, lettori ottici, ecc)  per il dialogo con i relativi datalogger.

Bluetooth (spesso abbreviato in BT) è uno standard tecnico-industriale di trasmissione dati per reti personali senza fili (WPAN: Wireless  Personal Area Network). Fornisce un metodo standard, economico e sicuro per scambiare informazioni tra dispositivi diversi attraverso  una frequenza radio sicura a corto raggio in grado di ricercare i dispositivi coperti dal segnale radio entro un raggio di qualche decina di  metri mettendoli in comunicazione tra loro. Questi dispositivi possono essere a esempio palmari, telefoni cellulari, personal computer,  portatili, stampanti, fotocamere digitali, smartwatch, console per videogiochi, cuffie, purché provvisti delle specifiche hardware e  software richieste dallo standard stesso. Il BT si è diffuso da tempo anche nel settore industriale (strumenti di misura, lettori ottici, ecc)  per il dialogo con i relativi datalogger.

La specifica Bluetooth è stata sviluppata dalla Ericsson e in seguito formalizzata dalla Bluetooth Special Interest Group (SIG). La SIG, la  cui costituzione è stata formalmente annunciata il 20 maggio 1999, è un’associazione formata da Ericsson, Sony, IBM, Intel, Toshiba,  Nokia e altre società che si sono aggiunte come associate o come membri aggiunti.

Il nome è ispirato a Harald Blåtand (Harold Bluetooth in inglese), re Aroldo I di Danimarca[1], abile diplomatico che unì gli scandinavi  introducendo nella regione il cristianesimo. Gli inventori della tecnologia hanno ritenuto che fosse un nome adatto per un protocollo  capace di mettere in comunicazione dispositivi diversi (così come il re unì i popoli della penisola scandinava con la religione). Il logo  della tecnologia unisce infatti le rune nordiche Haghall e Berkanan.

Lo standard doveva consentire il collegamento wireless tra periferiche come stampanti,  tastiere, telefoni, microfoni, ecc. a computer o PDA o tra PDA e PDA. In data 4 gennaio 2007 è stato superato il miliardo di dispositivi  che utilizzano questa tecnologia.

Caratteristiche tecniche

Classi di dispositivi
Classe                Potenza ERP                Distanza(mW)              (dBm) (m)
1                                  100                                   20 ~100
2                                  2,5                                      4 ~10
3                                    1                                        0 ~1
4                                   0,5                                   3 ~0,5

I dispositivi dotati di Bluetooth si dividono in 4 classi di potenza di trasmissione: Potenza ERP: massima potenza trasmissiva in  radiofrequenza, comprendente l’incremento dovuto al guadagno in trasmissione dell’antenna del dispositivo.

Distanza: è il raggio massimo di copertura a portata ottica, cioè senza ostacoli, entro cui può avvenire il collegamento fra dispositivi BT.

Temporizzazione e clock
La tecnologia Bluetooth prevede di sincronizzare la maggior parte delle operazioni con un segnale di clock in tempo reale. Esso serve,  ad esempio, a sincronizzare gli scambi di dati tra i dispositivi, distinguere tra pacchetti ritrasmessi o persi, generare una sequenza  pseudo-casuale predicibile e riproducibile. Il clock Bluetooth è realizzato con un contatore a 28 bit che viene posto a 0 all’accensione del  dispositivo e subito dopo continua senza fermarsi mai, incrementandosi ogni 312,5 µs (metà slot quindi). Il ciclo del contatore copre  approssimativamente la durata di un giorno (312,5 µs × 228 ≅ 23,3 ore).

Ogni dispositivo Bluetooth ha il suo native clock (CLKN) che controlla la temporizzazione di quel dispositivo. Oltre a questo valore,  proprio di ogni dispositivo, Bluetooth definisce altri due clock:

CLK: questo è il clock della piconet, coincide con il CLKN dell’unità master della piconet. Tutte le unità attive nella piconet devono  sincronizzare il proprio CLKN con il CLK. La sincronizzazione avviene aggiungendo un offset al CLKN dello slave per farlo coincidere  con il CLK della piconet.

CLKE: anche questo clock è derivato tramite un offset dal CLKN ed è usato dal master nel caso specifico della creazione di una  connessione verso uno slave, e prima che tale slave si sia sincronizzato con il master (ovvero quando si tratta di un nuovo slave). I primi 2 bit del contatore vengono usati direttamente per delimitare gli slot e i cosiddetti “mezzi slot”, per la trasmissione e ricezione dei  pacchetti; essi servono anche a stabilire nel tempo gli slot Tx (trasmissione) o Rx (ricezione) a seconda se il dispositivo in questione stia  funzionando da master o da slave. Una trasmissione da parte del master comincerà sempre quando CLK[1:0] = 00 (slot di indice pari),  mentre una trasmissione da parte di uno slave comincerà sempre quando CLK[1:0] = 10 (slot di indice dispari).

Connessioni

Ogni dispositivo, quando si connette ad una rete Bluetooth, identifica tramite un codice di 24 bit (COD) gli altri dispositivi attivando i  servizi corretti, i collegamenti che possono essere stabiliti tra i diversi dispositivi definisce due tipi di collegamento a supporto delle  applicazioni voce e trasferimento dati:

Senza connessione (Connectionless) o Servizio asincrono senza connessione (ACL, Asynchronous ConnectionLess), non richiede  alcuna connessione prima di inviare i pacchetti, dove il trasmettitore può in qualsiasi momento iniziare ad inviare i propri pacchetti purché  conosca l’indirizzo del destinatario orientati alla connessione (Connection Oriented) o servizio sincrono orientato alla connessione (SCO,  Synchronous Connection Oriented), dove richiede di stabilire una connessione tra i dispositivi prima di inviare i dati ACL supporta traffico  di tipo dati e si basa su un servizio di tipo best effort, dove l’informazione trasportata può essere di tipo utente o di controllo, questa  comunicazione supporta connessioni a commutazione di pacchetto, connessioni punto-multipunto e connessioni simmetriche o  asimmetriche. Nel caso di connessioni simmetriche il data rate massimo è di 433,9 kbit/s in entrambe le direzioni; mentre, per  connessioni asimmetriche si raggiungono 723,2 kbit/s in una direzione e 57,6 kbit/s in quella opposta. Uno slave può trasmettere  solamente se nello slot precedente aveva ricevuto un pacchetto dal master, inoltre in questi tipi di collegamenti, in genere, viene  applicata la ritrasmissione dei pacchetti.

SCO è un collegamento che supporta connessioni con un traffico di tipo real-time e multimediale, questa comunicazione prevede  connessioni a commutazione di circuito, connessioni punto-punto e connessioni simmetriche. Questo tipo di connessione è  generalmente utilizzata per il trasporto della voce in canali da 64 kbit/s. Il master può supportare fino a tre collegamenti SCO verso lo  stesso slave o verso slave differenti appartenenti alla stessa piconet. Uno slave, invece, può supportare fino a tre connessioni SCO  verso lo stesso master, o due se i collegamenti sono stati creati da diversi master. A causa della sensibilità al ritardo di questi pacchetti  (trasportano dati di natura real-time), non è prevista alcuna ritrasmissione in caso di errore o perdita.

Tipologia della rete

Topologie di rete piconet e scatternet
Due o più dispositivi collegati tra loro formano una piconet ed i dispositivi all’interno di una piconet possono essere di due tipi:

master, è il dispositivo che all’interno di una piconet si occupa di tutto ciò che concerne la sincronizzazione del clock degli altri dispositivi
(slave) e la sequenza dei salti di frequenza, inoltre nel caso di connessioni con altre piconet, esso può essere solo uno slave.

slave, sono unità della piconet sincronizzate al clock del master e al canale di frequenza, inoltre possono appartenere a più piconet  contemporaneamente come slave attraverso l’uso di tecniche TDM (Time Division Multiplexing), ma può essere master solo in una.

Le specifiche Bluetooth prevedono 3 topologie di rete:

punto-punto, dove la comunicazione avviene tra un master ed uno slave,

-punto-multipunto, dove la comunicazione avviene tra un master  e molti slave scatternet,

due o più piconet sono connesse tra loro, creando una rete più grande. I limiti dei master e slave nelle scatternet sta nel fatto che all’aumentare del numero di piconet aumentano anche il numero di collisioni  dei pacchetti e di conseguenza degradano le prestazioni del collegamento, con questo sistema si riducono le piconet ridondanti. Ogni  piconet lavora indipendentemente dalle altre sia a livello di clock che a livello di salti di frequenza, in quanto ogni piconet ha un proprio  master.

Con i dispositivi Bluetooth di classe 1 e quindi per comunicazioni a lunga distanza tra dispositivi (circa 100m), risulta possibile realizzare  delle LAN wireless, dove il master è in grado di gestire simultaneamente la comunicazione con altri 7 dispositivi slave sebbene, essendo  un collegamento di tipo master-slave, solo un dispositivo per volta possa comunicare con il master, inoltre ogni dispositivo Bluetooth è  configurabile per cercare costantemente altri dispositivi e per collegarsi a questi. Qualora fosse necessario aumentare la sicurezza, è  possibile impostare un codice PIN, per mezzo della quale si permette l’accesso alle periferiche solo a chi è autorizzato.

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