19 Апр, 2023

Bluetooth с низким энергопотреблением (BLE): всесторонний обзор

Penetration Testing as a service (PTaaS)

Tests security measures and simulates attacks to identify weaknesses.

Обзор для BLE 

Bluetooth Low Energy (BLE) - это технология беспроводной связи, разработанная для маломощных устройств, которым требуется связь на короткие расстояния с минимальным потреблением заряда батареи. Это подмножество стандарта Bluetooth, которое было представлено вместе с Bluetooth 4.0 в 2010 году. BLE стала популярной технологией для широкого спектра применений, включая носимые устройства, медицинские приборы, промышленную автоматизацию и автоматизацию дома. 

Одним из главных преимуществ BLE является его низкое энергопотребление, что делает его идеальным для использования в небольших устройствах с низким энергопотреблением, которым требуется длительное время автономной работы. BLE использует архитектуру master /slave, где центральное устройство (master) взаимодействует с одним или несколькими периферийными устройствами (slave). Ведущий инициирует связь с подчиненными устройствами и управляет соединением. BLE также поддерживает широковещательную передачу, при которой устройство может отправлять данные на все близлежащие устройства без установления соединения. 

BLE работает в промышленном, научном и медицинском диапазоне 2,4 ГГц (ISM) и имеет радиус действия около 10 метров. Он использует технологию расширенного спектра с перестройкой частоты (FHSS), чтобы избежать помех от других беспроводных устройств, работающих в той же полосе частот. Стек протоколов, используемый BLE, аналогичен классическому Bluetooth, состоящий из физического уровня (PHY), канального уровня (LL), интерфейса хост-контроллера (HCI) и профиля универсального атрибута (GATT). 

BLE широко используется при разработке устройств Интернета вещей, которые требуют низкого энергопотребления и беспроводной связи малой дальности. Это стало важнейшей технологией в области носимых устройств, таких как фитнес-трекеры и умные часы. Медицинские устройства, такие как глюкометры и пульсометры, также используют BLE для обеспечения беспроводной связи со смартфонами и другими устройствами. 

История создания BLE   

Историю Bluetooth Low Energy (BLE) можно проследить с 2001 года, когда Ericsson представила Bluetooth 1.2, который включал поддержку режима низкого энергопотребления. Однако BLE начал обретать форму только в 2006 году, когда Nokia представила технологию Wibree. Wibree представляла собой технологию беспроводной связи ближнего действия, которая использовала малое энергопотребление и была разработана для работы аналогично Bluetooth. 

В 2007 году Nokia и несколько других компаний предложили Wibree Специальной группе интересов Bluetooth (SIG), которая контролирует разработку стандарта Bluetooth. Предложение было принято, и началась работа по разработке новой спецификации для Bluetooth с низким энергопотреблением. 

В 2009 году Bluetooth SIG объявила о разработке Bluetooth 4.0, которая включала поддержку устройств с низким энергопотреблением. Новая спецификация была разработана для обеспечения беспроводной связи с низким энергопотреблением для устройств, которым требуется длительное время автономной работы, таких как фитнес-трекеры и медицинские устройства. 

Первые устройства, использующие BLE, были представлены в 2010 году, с выпуском iPhone 4 и iPad. Эти устройства включали поддержку BLE, что позволяло им взаимодействовать с маломощными устройствами, такими как мониторы сердечного ритма и фитнес-трекеры. 

В 2011 году компания Bluetooth SIG объявила о внедрении фирменного стиля Bluetooth Smart для устройств BLE. Брендинг был разработан для того, чтобы помочь потребителям понять разницу между традиционным Bluetooth и Bluetooth с низким энергопотреблением. 

С тех пор BLE стала широко распространенной технологией беспроводной связи с низким энергопотреблением, и в настоящее время многие устройства используют эту технологию. В 2014 году Bluetooth SIG объявила о выпуске Bluetooth 4.2, который включал в себя несколько улучшений BLE, таких как повышенная безопасность и улучшенная скорость передачи данных. 

В 2016 году Bluetooth SIG выпустила Bluetooth 5, который включал дополнительные усовершенствования BLE. К ним относились больший радиус действия, более высокая скорость передачи данных и поддержка широковещательных сообщений. 

Сегодня BLE используется в широком спектре приложений, включая носимые устройства, медицинские приборы, промышленную автоматизацию и автоматизацию дома. Низкое энергопотребление и небольшие габариты делают его идеальным выбором для устройств Интернета вещей, которым требуется беспроводное подключение с минимальным энергопотреблением. Поскольку технология продолжает развиваться, BLE, вероятно, будет играть все более важную роль в разработке новых устройств и приложений Интернета вещей. 

Ключевые особенности BLE 

Bluetooth Low Energy (BLE) - это технология беспроводной связи, предназначенная для устройств с низким энергопотреблением, которым требуется связь на короткие расстояния с минимальным потреблением заряда батареи. Вот некоторые из ключевых особенностей BLE: 

• Низкое энергопотребление: BLE спроектирован таким образом, чтобы быть чрезвычайно энергоэффективным, позволяя устройствам длительное время работать от небольших батарей или даже источников сбора энергии. 

• Связь на короткие расстояния: BLE работает на небольшом расстоянии, обычно до 10 метров, что делает его идеальным для связи между близлежащими устройствами. 

• Быстрое подключение и передача данных: Устройства BLE могут быстро подключаться и передавать данные на высоких скоростях, что делает их пригодными для использования в приложениях реального времени. 

• Безопасность: BLE предоставляет ряд функций безопасности, включая шифрование и аутентификацию, для обеспечения безопасности данных, передаваемых между устройствами. 

• Функциональная совместимость: BLE - это стандартный протокол, который поддерживается широким спектром устройств, что упрощает взаимодействие различных устройств друг с другом. 

• Экономически эффективный: Требования BLE к низкому энергопотреблению означают, что внедрение устройств с ограниченной вычислительной мощностью и памятью является экономически эффективным. 

• Простой стек протоколов: Стек протоколов, используемый BLE, относительно прост и состоит из Физического уровня (PHY), Канального уровня (LL), интерфейса хост-контроллера (HCI) и профиля универсального атрибута (GATT). 

BLE - это идеальная коммуникационная технология для широкого спектра маломощных устройств Интернета вещей, включая носимые устройства, медицинские приборы, промышленную автоматизацию и автоматизацию дома. Его низкое энергопотребление, быстрое подключение и передача данных, а также надежные функции безопасности делают его популярным выбором для приложений Интернета вещей. 

Архитектура BLE 

Архитектура Bluetooth Low Energy (BLE) состоит из трех основных уровней: уровня контроллера, уровня хоста и уровня приложения. 

• Уровень контроллера: Этот уровень отвечает за обработку физического уровня (PHY) и канального уровня (LL) BLE. PHY отвечает за передачу и прием данных по радиоволнам, в то время как LL управляет связью между устройствами, включая установление соединений и управление пакетами данных. Уровень контроллера реализован аппаратно и отвечает за управление низкоуровневыми функциями BLE. 

• Уровень хоста: Этот уровень отвечает за обработку высокоуровневых функций BLE. Уровень хоста включает в себя интерфейс хост-контроллера (HCI) и протокол управления и адаптации канального уровня (L2CAP). HCI - это интерфейс, который позволяет хосту взаимодействовать с контроллером, в то время как L2CAP предоставляет набор сервисов для обмена данными между устройствами. 

• Прикладной Уровень: Этот уровень отвечает за реализацию специфической функциональности приложения поверх уровней BLE более низкого уровня. Прикладной уровень включает в себя профиль универсального атрибута (GATT), который определяет иерархическую структуру данных для организации обмена данными между устройствами. GATT включает в себя два основных компонента: Протокол атрибутов (ATT) и Протокол доступа к атрибутам (AAP). ATT отвечает за определение формата данных, в то время как AAP предоставляет набор процедур для доступа к данным и манипулирования ими. 

Архитектура BLE спроектирована так, чтобы быть модульной и гибкой, позволяя разработчикам внедрять пользовательские приложения поверх стандартизированных уровней нижнего уровня. Это делает его популярным выбором для широкого спектра приложений Интернета вещей, включая носимые устройства, медицинские приборы и устройства "умного дома". 

Как функционирует BLE? 

Bluetooth Low Energy (BLE) работает с использованием архитектуры master-slave, где одно устройство выступает в качестве ведущего и инициирует связь, в то время как другое устройство выступает в качестве ведомого и отвечает на запросы ведущего. Вот как функционирует BLE: 

Сканирование: Главное устройство сканирует близлежащие устройства BLE и собирает их рекламные пакеты. Рекламные пакеты содержат информацию о подчиненном устройстве, такую как его название, предлагаемые услуги и уникальный идентификатор. 

Соединение: Главное устройство инициирует запрос на подключение к ведомому устройству, используя информацию, собранную из рекламного пакета. Ведомое устройство отвечает на запрос, и между двумя устройствами устанавливается соединение. 

Обнаружение службы: После установления соединения главное устройство запрашивает список услуг, предлагаемых подчиненным устройством. Ведомое устройство отвечает списком служб и их уникальными идентификаторами. 

Характерное Открытие: Как только главное устройство определит услуги, предлагаемые подчиненным устройством, оно может запросить список характеристик для каждой услуги. Характеристика - это определенный фрагмент данных, связанный с услугой, такой как температура или частота сердечных сокращений. 

Передача данных: После того, как характеристики были обнаружены, главное устройство может считывать или записывать данные на ведомое устройство. Например, если характеристикой является датчик температуры, ведущее устройство может запросить текущую температуру у ведомого устройства. 

Разъединение: Когда обмен данными завершен, либо ведущее, либо ведомое устройство может разорвать соединение. 

На протяжении всего процесса связи BLE использует различные методы энергосбережения, чтобы минимизировать потребление энергии. Например, устройства могут переходить в спящий режим с низким энергопотреблением, когда они не используются, и периодически просыпаться, чтобы проверить наличие входящего сообщения. Это позволяет устройствам длительное время работать от небольших батарей, что делает их идеальными для использования в устройствах Интернета вещей. 

Как использовать этот протокол? 

Чтобы использовать протокол Bluetooth Low Energy (BLE), вам необходимо выполнить следующие основные шаги: 

1. Выберите свое оборудование: Чтобы использовать BLE, вам необходимо оборудование, поддерживающее этот протокол. Это может быть микроконтроллер с поддержкой BLE, модуль BLE или автономное устройство BLE. Вам также понадобится плата разработки или комплект для подключения вашего оборудования к компьютеру. 

2. Настройте свою среду разработки: Для написания вашего кода вам понадобится интегрированная среда разработки (IDE), такая как Eclipse или Visual Studio. Вам также необходимо будет установить соответствующие программные библиотеки и драйверы для вашего оборудования. 

3. Напишите свой код: Чтобы использовать BLE, вам необходимо написать код, реализующий протокол BLE. Это включает в себя настройку уровня контроллера, уровня хоста и уровня приложения. Вам нужно будет определить услуги и характеристики, которые будет предлагать ваше устройство, и написать код для обработки входящих и исходящих данных. 

4. Протестируйте свой код: После того как вы написали свой код, вам нужно протестировать его, чтобы убедиться, что он работает должным образом. Вы можете использовать приложение BLE scanner на своем смартфоне или компьютере для сканирования близлежащих устройств BLE и проверки, обнаружено ли ваше устройство. 

5. Разверните свой код: Как только ваш код будет протестирован и заработает должным образом, вы сможете развернуть его на своем оборудовании. Затем вы можете использовать свое устройство в желаемом приложении, таком как фитнес-трекер или устройство "умный дом". 

Использование протокола BLE требует сочетания аппаратного, программного обеспечения и навыков кодирования. Однако в Интернете доступно множество ресурсов, которые помогут вам начать работу, включая учебные пособия, форумы и документацию. 

Проблемы безопасности и их устранение 

Протокол Bluetooth Low Energy (BLE) предназначен для обеспечения беспроводной связи между устройствами с низким энергопотреблением, но он также создает проблемы безопасности. Вот некоторые распространенные проблемы безопасности с BLE и их устранение: 

Подслушивание: Передачи BLE могут быть перехвачены и записаны злоумышленниками, что позволяет им получить доступ к конфиденциальным данным, передаваемым между устройствами.Чтобы предотвратить подслушивание, данные, передаваемые по BLE, должны быть зашифрованы с использованием надежных алгоритмов шифрования, таких как AES-128 или AES-256. 

Атаки типа "Человек посередине" (MITM): Злоумышленники могут перехватывать сообщения BLE и изменять передаваемые данные, что приводит к несанкционированному доступу или модификации данных. Чтобы предотвратить MITM-атаки, устройства должны аутентифицировать друг друга перед установлением соединения. Этого можно достичь с помощью безопасного простого сопряжения (SSP) или числового сравнения. 

Атаки типа "отказ в обслуживании" (DoS): Злоумышленники могут отправлять большие объемы данных или непрерывные запросы на подключение к устройству BLE, в результате чего оно выходит из строя или перестает отвечать. Устройства BLE должны быть сконструированы таким образом, чтобы обнаруживать и предотвращать DoS-атаки. Этого можно достичь с помощью таких методов, как ограничение скорости и фильтрация трафика. 

Вредоносная прошивка: Злоумышленники могут устанавливать вредоносное микропрограммное обеспечение на устройства BLE, что позволяет им получить несанкционированный доступ или контроль над устройством. Устройства BLE должны использовать механизмы безопасной загрузки, чтобы гарантировать установку только авторизованного встроенного программного обеспечения. Обновления встроенного ПО также должны доставляться надежно и подписываться цифровыми подписями. 

Уязвимости сопряжения по Bluetooth: Сопряженные уязвимости могут позволить злоумышленникам обойти меры безопасности и получить доступ к устройству. Устройства BLE должны использовать новейшие методы сопряжения, такие как защищенные соединения файлов или числовое сравнение. Кроме того, пользователям следует избегать подключения к ненадежным устройствам или использования общедоступных устройств Bluetooth. 

Защита устройств BLE требует сочетания аппаратных и программных мер безопасности. Устройства BLE должны быть сконструированы таким образом, чтобы предотвращать несанкционированный доступ, шифровать передаваемые данные и проверять подлинность устройств перед установлением соединения. Регулярные обновления встроенного программного обеспечения и тестирование безопасности также могут помочь выявить и устранить уязвимости. 

Книги и ссылки 

Вот несколько книг и ссылок, которые могут быть полезны для получения дополнительной информации о Bluetooth Low Energy (BLE).: 

“Bluetooth с низким энергопотреблением: Руководство разработчика” автор: Робин Хейдон – Эта книга представляет собой всестороннее введение в технологию BLE, включая стек протоколов, профиль GATT и разработку приложений с использованием Bluetooth 4.0 и 5.0. 

“Начало работы с Bluetooth с низким энергопотреблением: инструменты и методы для сетей с низким энергопотреблением” Кевин Таунсенд, Карлес Куфи, Акиба и Роберт Дэвидсон – В этой книге рассматриваются основы BLE, включая архитектуру, стек протоколов и профили. В нем также приводятся практические примеры того, как разрабатывать приложения BLE. 

“Основы Bluetooth для программистов” Альберт С. Хуанг – Эта книга представляет собой практическое руководство по разработке приложений с поддержкой Bluetooth, включая BLE. Он охватывает стек протоколов Bluetooth, профили и функции безопасности. 

Эти ресурсы могут помочь вам узнать больше о BLE и предоставить практические рекомендации по разработке приложений с поддержкой BLE. 

Другие Услуги

Готовы к безопасности?

Связаться с нами