Figura 1: Cunoscându-se comportamentul la hrănire, bolile sunt recunoscute imediat – luetooth Mesh conectează senzorii eficient și economic. — (Sursă imagine: Shutterstock)
Grupul Bluetooth Special Interest (Bluetooth SIG) a lansat un standard pentru transferul wireless de date în anul 2000: Bluetooth Basic Rate (BR) / Enhanced Data Rate (EDR). În 2010, Bluetooth SIG și-a îmbunătățit în continuare standardul cu definiția tehnologiei de joasă energie (Bluetooth Low Energy), care a făcut posibil transferul de date cu un consum redus de energie.
Cererea pentru această tehnologie de comunicații fără fir este ridicată deoarece se așteaptă îmbunătățiri și dezvoltări ulterioare. Succesul BLE este în primul rând datorat consumului său foarte redus de energie. Dar protocolul BLE are și dezavantajele sale. Doar trei tipuri de comunicare sunt posibile (Figura 2): între două dispozitive individuale (comunicare punct-la-punct, bidirecțional, 1:1), între un dispozitiv și alte aparate (comunicare one-to-many, bidirecțională, 1:m) sau comunicare în care datele dintr-un dispozitiv sunt trimise în mod continuu către mediul înconjurător fără a avea un anumit destinatar (comunicare prin difuzare). Atunci când difuzează, toate dispozitivele BLE din mediu pot primi date, dar nu pot răspunde. Dezavantajul acestor topologii de rețea este acela că întreaga rețea se prăbușește dacă echipamentul master (configurație stea, rol central) care trebuie să transfere date, are o cădere.
Tehnologia de rețea perfectă
În iulie 2017, Bluetooth SIG a introdus Bluetooth Mesh, o tehnologie de comunicații fără fir îmbunătățită, bazată pe protocolul de comunicare Bluetooth Low Energy, care poate fi utilizată opțional. Cu Bluetooth Mesh, o rețea mare de conexiuni multiple (m:m, Figura 3) poate fi stabilită pe o suprafață de teren mare, cu până la 32,000 de participanți la rețea. Transferul funcționează chiar dacă dispozitivul care a trimis inițial mesajul nu se află în raza de acțiune radio directă. În plus, tehnologia de rețea Bluetooth Mesh 1.0 permite comunicarea între dispozitive de la diferiți furnizori, ceea ce nu a fost posibil cu soluțiile anterioare, cum ar fi CSRmeshTM. Alte avantaje sunt transferul robust și sigur de date, precum și eficiența energetică foarte ridicată.
Aceste caracteristici fac Bluetooth Mesh o tehnologie de rețea perfectă pentru multe domenii de aplicare, cum ar fi automatizarea clădirilor, rețelele de senzori, fabricarea industrială sau urmărirea bunurilor. În general, rețeaua Bluetooth este potrivită pentru toate aplicațiile care necesită comunicare între mai multe dispozitive cu un minim de date.
Figura 2: Opțiunile de comunicare convențională într-o rețea Bluetooth cu un dispozitiv. — (Sursă imagine: Rutronik)
Cum funcționează Bluetooth Mesh?
Rețeaua Bluetooth funcționează cu un sistem de mesagerie în care mesajele sunt distribuite în conformitate cu principiul de publicare și abonare. Trimiterea mesajelor către un dispozitiv cu o anumită adresă se numește publicare. Abonarea este configurația dispozitivelor pentru care o anumită adresă este atribuită dispozitivului. Acest dispozitiv poate primi mesaje numai dacă au fost trimise la adresa specifică. Un exemplu: iluminatul din hol este instalat cu o rețea Bluetooth Mesh. Toate becurile sunt configurate astfel încât să primească abonamentul “iluminare în hol”. Dacă mesajul “on” este trimis la adresa “iluminare în hol” printr-un întrerupător BT mesh, toate becurile înregistrate sub “iluminat în hol” sunt pornite.
Transferul de date în rețeaua Bluetooth este denumit “inundație”. Aceasta înseamnă că nu există un traseu special pentru mesaj prin întreaga rețea către receptor (de tip slave). Mesajul este trimis la toate dispozitivele din raza de acțiune și apoi redirecționat până când ajunge la dispozitivul slave corect.
Datorită unui număr foarte mare de participanți la rețea, este posibil să se depășească obstacolele care anterior necesitau utilizarea unei tehnologii sub-GHz standardizate care nu era globală și era mai lentă. Chiar dacă dispozitivul care a trimis inițial mesajul (master) nu se încadrează în raza de radio, mesajul atinge încă destinatarul (slave) corect.
Dacă rețeaua este îngustă din cauza densității participanților, conexiunile pot fi asigurate redundant, motiv pentru care datele ar găsi încă destinația lor, chiar dacă unul dintre participanți nu mai funcționează ca un releu. Această proprietate de auto-vindecare face Bluetooth Mesh una dintre cele mai fiabile rețele și asigură pentru prima oară utilizarea pe scară largă în industrie.
Dispozitivele dintr-o rețea Bluetooth sunt numite noduri. Există patru tipuri diferite de noduri care – pe lângă trimiterea și primirea de date – oferă funcții suplimentare:
• Noduri releu: Transmit mesajele recepționate către următorul dispozitiv. Funcțiile de transfer de mesaje utilizează așa-numitele “hopuri”, cu Bluetooth Mesh care suportă maxim 127 de hopuri.
• Noduri cu consum de energie scăzut: Unele dispozitive, precum senzorii trebuie să fie foarte eficienți energetic. Nodurile cu consum redus de energie lucrează în colaborare cu unul sau mai multe noduri numite “prieteni”
• Noduri prieten: Aici este o zonă cu energie suficientă, de exemplu, prin conexiune la rețeaua de alimentarea principală. Aceste noduri prieten lucrează împreună cu nodurile cu consum energetic scăzut. Nodurile prieten stochează mesajele și le redirecționează doar atunci când sunt cerute de către un nod cu consum energetic redus.
• Noduri proxy: Ele oferă interfața GATT (Generic Attribute Profile) pentru dispozitivele BLE fără stivă Bluetooth Mesh. Acestea permit comunicarea între un BLE Mesh și un BLE normal.
În stratul de acces al modelului OSI, se poate determina dacă un mesaj de confirmare (înștiințare) trebuie sau nu trimis înapoi către MASTER după ce a primit mesajul.
Este Bluetooth Mesh o tehnologie sigură?
Utilizând o rețea mare, cu multe dispozitive, se presupune un risc pentru siguranța transferului de date. Prin urmare, securitatea a fost prioritară când a fost dezvoltată Bluetooth Mesh. În cele din urmă, Bluetooth SIG a trasat câteva specificații stricte. Toate funcțiile de Securitate în rețeaua Bluetooth Mesh sunt obligatorii. Totuși, vulnerabilitatea securității identificate de către cercetătorii de la Institutul de tehnologie din Israel în cazul Bluetooth Secure Simple Paring și LE Secure Connections, afectează, de asemenea, Bluetooth Mesh, pentru că este bazat pe stiva BLE. Unii furnizori care au produse afectate oferă deja o actualizare a firmware-ului sau sunt în proces de reparare a problemei. Rutronik a realizat o privire de ansamblu asupra produselor Bluetooth afectate, de tip line card pentru a înregistra stadiul actualizărilor de firmware posibile: https://rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status/.
Figura 3: Cu Bluetooth Mesh, datele din rețea sunt trecute de la transmițător la receptor prin noduri individuale. — (Sursă imagine: Rutronik)
Principalele caracteristici de securitate sunt:
• Criptare și autentificare: Toate mesajele din rețeaua Bluetooth Mesh sunt criptate și autentificate.
• Separarea problemelor: Există trei aspecte de securitate diferite într-o rețea cu tehnologie Bluetooth Mesh: securitatea aplicației, a rețelei și a dispozitivului.
1. Cheia aplicației (AppKey): Aceasta asigură datele referitoare la anumite aplicații, de exemplu, iluminatul sau supravegherea video.
2. Cheia de rețea (NetKey): Cheile de rețea se aplică tuturor dispozitivelor din rețea, asigurând astfel transferul securizat de date.
3. Cheia dispozitiv (DevKey): Fiecare nod are o cheie dispozitiv unică. Această cheie de securitate poate fi utilizată pentru a adăuga dispozitive într-o rețea.
• Izolarea zonei: Rețeaua Bluetooth este împărțită în subrețele. Aceste subrețele sunt fiecare distincte criptografic și securizate unele de altele.
• Actualizare de cheie: Toate cheile de securitate pot fi modificate în rețeaua Bluetooth Mesh în timpul unei proceduri de actualizare a cheilor.
• Mesaje confuze: Acest mecanism de confidențialitate a datelor face extrem de dificilă urmărirea nodurilor dintr-o rețea. Prin urmare, este aproape imposibil să urmăriți mesajele trimise.
• Protecția contra atacurilor de răspuns: funcțiile de securitate protejează rețeaua împotriva atacurilor repetate (datele colectate anterior sunt folosite pentru autentificare și controlul accesului → furtul de identitate).
• Protecția împotriva atacurilor trashcan: Nodurile pot fi eliminate din rețea în siguranță într-un mod care împiedică atacurile trashcan (citirea informațiilor importante despre rețea din nodurile invalidate).
• Asigurarea securității dispozitivelor: Nodurile noi pot fi adăugate în rețeaua Bluetooth mesh într-un proces securizat.
Toate aceste caracteristici de securitate extinse fac din rețeaua Bluetooth Mesh o soluție interesantă pentru aplicațiile care necesită o comunicare cu viteză scăzută de transfer de date între mai multe dispozitive. În plus, rețeaua Bluetooth este ideală pentru noi domenii de aplicații, cum ar fi mentenanța predictivă sau agricultura inteligentă. Implementarea unei rețele wireless de senzori în liniile de asamblare poate avertiza personalul de întreținere în timp util înainte ca mașina să se defecteze. Sau, prin utilizarea rețelelor Bluetooth Mesh în agricultură, date precum umiditatea solului și a aerului sau temperatura pot fi transferate direct către un telefon inteligent fără un gateway. De asemenea, permite o utilizare mai eficientă a apei și îngrășămintelor și reduce utilizarea pesticidelor: sunt luate măsuri numai dacă valorile monitorizate scad sub o anumită limită. În sectorul de locuințe inteligente, luminile ar putea fi echipate cu senzori care să înregistreze atunci când cineva se află în apropiere, asigurând iluminarea numai în acest caz. Rețeaua Bluetooth Mesh poate fi utilizată chiar și pentru activitățile sportive: senzorii integrați în pantofii sportivului pot înregistra date despre performanța acestuia, care apoi pot fi transferate prin intermediul unui master Bluetooth Mesh de la un sportiv la altul până când ajung la antrenor, care poate evalua datele.
Un alt avantaj: mediul în care lucrează nu este important pentru tehnologia BLE de tip Mesh. Numeroase aplicații industriale sunt posibile datorită cerințelor îndeplinite de specificațiile rețelei mesh 1.0: în spitale, fabrici, birouri, universități sau case particulare. Bluetooth Mesh merită atenție pentru noile aplicații care necesită comunicare wireless, securitate și robustețe, între un număr mare de dispozitive.
Autor: Felix Graf, Product Sales Manager Wireless
Rutronik | www.rutronik.com
