深入淺出 Bluetooth 技術核心概念與架構解析

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藍牙技術作為短距離無線通訊的關鍵技術，廣泛應用於各種裝置。本文旨在提供一個關於藍牙技術的全面概述，從基礎架構到進階應用，涵蓋藍牙核心規格、BLE 的運作方式、藍牙 5.0 的特性，以及藍牙 Mesh 網路技術的應用。透過深入淺出的方式，讓讀者瞭解藍牙技術的發展脈絡與未來趨勢。

Bluetooth 架構

Bluetooth 的架構包括以下幾個部分：

  • 物理層（PHY）：負責資料的傳輸和接收。
  • 鏈路層（Link Layer）：負責資料的鏈路控制和錯誤糾正。
  • L2CAP：是一種邏輯鏈路控制和適配協議。
  • SDP：是一種服務發現協議。
  • RFCOMM：是一種遠端序列埠通訊協議。
  • ATT：是一種屬性協議。
  • GATT：是一種通用屬性表格。
  • GAP：是一種通用存取協議。

Bluetooth 5.0

Bluetooth 5.0是一種新的Bluetooth版本，具有更高的傳輸速率和更長的傳輸距離。它包括以下幾個特點：

  • 更高的傳輸速率：最高可達2 Mbps。
  • 更長的傳輸距離：最高可達400米。
  • 更低的功耗：可降低功耗，延長電池壽命。
  • 更好的抗幹擾能力：可提高抗幹擾能力，減少幹擾的影響。

BLE（Bluetooth Low Energy）

BLE是一種低功耗的Bluetooth技術，適用於低功耗的應用。它包括以下幾個特點：

  • 低功耗：可降低功耗，延長電池壽命。
  • 低成本：可降低成本，提高競爭力。
  • 簡單的硬體：可簡化硬體設計，降低成本。
  • 簡單的軟體：可簡化軟體設計，降低成本。

Bluetooth 通訊協議

Bluetooth 通訊協議包括以下幾個：

  • L2CAP：是一種邏輯鏈路控制和適配協議。
  • SDP：是一種服務發現協議。
  • RFCOMM：是一種遠端序列埠通訊協議。
  • ATT：是一種屬性協議。
  • GATT：是一種通用屬性表格。
  • GAP：是一種通用存取協議。

Bluetooth 安全性

Bluetooth 安全性包括以下幾個方面：

  • 加密：可保護資料的安全。
  • 認證：可驗證使用者的身份。
  • 授權：可控制使用者的許可權。
  • 防火牆：可防止未經授權的訪問。

藍牙技術概述

藍牙（Bluetooth）是一種無線個人區域網路（WPAN）技術，允許不同裝置之間進行通訊。藍牙技術可以分為兩種模式：經典藍牙（BR/EDR）和低功耗藍牙（BLE）。

經典藍牙（BR/EDR）

經典藍牙是一種連線導向的模式，當兩個裝置連線後，即使沒有資料傳輸，連線仍然保持。要建立連線，裝置必須先進入可發現模式，然後才能響應其他裝置的掃描請求。連線過程分為三個階段：

  1. 查詢：兩個裝置尚未建立連線，需要透過查詢請求來發現彼此。
  2. 分頁：分頁或連線階段是建立兩個裝置之間的連線。在這個階段，兩個裝置都知道彼此的裝置地址。
  3. 連線：連線階段有四個子模式，包括：
  • 主動模式：正常的傳輸和接收模式。
  • 嗅探模式：節能模式，裝置在特定時間間隔內監聽傳輸。
  • 保持模式：暫時的低功耗模式，裝置不監聽傳輸。
  • 停車模式：已棄用的模式，裝置不監聽傳輸。

低功耗藍牙（BLE）

低功耗藍牙是一種低功耗的藍牙技術，適合於物聯網（IoT）應用。BLE有兩種角色：

  • 主機：通常是負責掃描周圍環境的裝置。
  • 從機：通常是嘗試連線到主機的裝置。

BLE的連線過程包括查詢、分頁和連線階段。當兩個裝置連線後，可以自動連線當它們在範圍內。裝置之間共享了一個鑰匙，用於驗證過程。

安全性

藍牙安全性是透過鑰匙和驗證過程來實現的。更多關於安全性的內容將在後面的章節中介紹。

BLE 通訊協定概述

在 Bluetooth Low Energy（BLE）中，裝置之間的通訊是透過特定的角色和狀態進行的。這些角色和狀態定義了裝置如何發現、連線和交換資料。

GAP 層角色

GAP（Generic Access Profile）層定義了裝置之間的初步連線和發現過程。GAP 層中有兩個主要角色：

  • 中央（Central）：這是唯一可以傳送連線請求和建立固定連線的裝置。
  • 外圍（Peripheral）：這是一種可以廣播 Bluetooth 訊息給其他 Bluetooth 裝置的裝置。

GATT 層角色

GATT（Generic Attribute Profile）層定義了連線後的資料交換過程。GATT 層中有兩個主要角色：

  • 客戶端（Client）：訪問遠端伺服器上的資訊，發起讀取或寫入請求。
  • 伺服器（Server）：維護本地資料庫，響應客戶端的讀取或寫入請求。

BLE 狀態

BLE 裝置之間的通訊過程涉及五個狀態：

  1. 廣播（Advertising）：裝置傳輸廣播封包以便被其他裝置發現。
  2. 掃描（Scanning）：裝置接收廣播封包但不連線。
  3. 啟動（Initiating）：裝置嘗試與其他裝置建立連線。
  4. 連線（Connected）：裝置之間建立了主從關係。
  5. 待機（Standby）：裝置未連線的狀態。

廣播模式

廣播模式有幾種：

  • 一般廣播（General Advertisement）：裝置廣播給所有其他裝置的邀請。
  • 定向廣播（Directed Advertisement）：裝置向特定對等裝置傳送邀請，以便快速建立連線。
  • 非連線廣播（Non-Connectable Advertisement）：裝置傳送不需要接收者的廣播，類似於一個信標（Beacon）。

BLE 連線過程

當裝置發現對方的廣播封包時，會立即傳送連線請求。定向廣播用於快速吸引對方的注意力，廣播速度為每 3.75 毫秒一次，持續 1.28 秒。當裝置尚未與主機配對時，會透過廣播發起通訊。

藍牙技術概述

藍牙是一種無線個人區域網路（WPAN）技術，允許裝置之間進行短距離的無線通訊。藍牙技術可以用於各種應用，包括音訊傳輸、檔案傳輸和物聯網（IoT）裝置的通訊。

藍牙配對過程

藍牙配對過程包括以下幾個步驟：

  1. 廣告: 藍牙裝置傳送廣告訊號，以宣告其存在和可用性。
  2. 掃描: 藍牙裝置掃描周圍的環境，以發現可用的裝置。
  3. 連線: 藍牙裝置之間建立連線，以便進行通訊。
  4. 服務發現: 藍牙裝置發現彼此提供的服務和特性。
  5. 資料傳輸: 藍牙裝置之間進行資料傳輸。

藍牙配置檔案

藍牙配置檔案（Profile）定義了藍牙裝置之間的通訊協議和資料格式。配置檔案包括以下幾個部分：

  1. 服務: 服務是藍牙裝置提供的功能或特性。
  2. 特性: 特性是服務的最低層級，包含原始資料。
  3. UUID: UUID是唯一識別符號，用於區分服務和特性。

藍牙安全性

藍牙安全性是指保護藍牙通訊的安全性和保密性。藍牙安全性包括以下幾個方面：

  1. 配對: 藍牙裝置之間的配對過程需要進行安全性驗證。
  2. 加密: 藍牙通訊需要進行加密，以保護資料的保密性。
  3. 身份驗證: 藍牙裝置需要進行身份驗證，以確保通訊的安全性。
圖表翻譯

上述圖表描述了藍牙配對過程的各個步驟，包括廣告、掃描、連線、服務發現和資料傳輸。這個圖表可以幫助我們瞭解藍牙技術的工作原理和安全性措施。

內容解密

藍牙技術的安全性措施包括配對、加密和身份驗證。配對過程需要進行安全性驗證，以確保通訊的安全性。加密可以保護資料的保密性，身份驗證可以確保通訊的安全性。透過瞭解藍牙技術的安全性措施，可以更好地應用藍牙技術於各種場景。

BLE 安全性與隨機地址

BLE 安全性是根據四種不同的方法，包括數字比較、密碼輸入、Just Works 和 Out-of-band。這些方法確保了 BLE 裝置之間的連線是安全的，並且可以防止中間人攻擊。

BLE 安全性方法

  • 數字比較：這種方法需要兩個裝置都顯示一個確認值，讓使用者驗證是否匹配。
  • 密碼輸入：這種方法需要使用者輸入一個密碼，然後兩個裝置會交換確認值，以驗證是否匹配。
  • Just Works：這種方法使用公鑰交換和隨機數生成，來確保連線的安全性。
  • Out-of-band：這種方法使用一個安全的外部通道，來交換金鑰和確認值。

LE 安全連線

LE 安全連線是一種使用長期金鑰（LTK）來加密連線的方法。這種方法使用橢圓曲線 Diffie-Hellman 公鑰密碼學，來生成 LTK。

隨機地址

BLE 裝置可以使用隨機地址，來提高安全性。有三種隨機地址方法：

  • 隨機靜態地址：這種地址是在製造過程中生成的，或者在裝置啟動時生成。
  • 隨機私有可解析地址：這種地址需要兩個裝置在繫結過程中交換身份解析金鑰（IRK）。
  • 隨機私有不可解析地址：這種地址是完全隨機的，且可以在任何時候生成新的地址。

Beaconing

Beaconing 是 BLE 的一個重要應用，使用 BLE 裝置廣播資訊，讓其他裝置可以接收和處理這些資訊。Beaconing 有三種重要的用例：

  • 靜態點位：使用 Beacon 來標記一個特定的位置。
  • 廣播遙測資料：使用 Beacon 來廣播感測器資料。
  • 室內定位和地理位置服務：使用 Beacon 來提供室內定位和地理位置服務。

非 IP 基礎 WPAN

非 IP 基礎 WPAN 使用 Bluetooth 廣播資訊，讓其他裝置可以接收和處理這些資訊。這種技術可以用於各種應用，例如零售、醫療、資產追蹤等。

室內定位

室內定位可以使用多種方法，包括：

  • 多個 Beacon 每個房間：使用多個 Beacon 來確定使用者的位置。
  • 一個 Beacon 每個房間：使用一個 Beacon 來標記每個房間。
  • 幾個 Beacon 每個建築：使用多個 Beacon 來提供大範圍的定位服務。

BLE 技術概述

BLE（Bluetooth Low Energy）是一種低功耗的無線通訊技術，廣泛應用於各種物聯網裝置中。BLE 技術允許裝置之間進行低功耗的通訊，適合於需要低功耗和低延遲的應用場景。

Beacon 技術

Beacon 是 BLE 技術的一種應用，主要用於室內定位和近距離通訊。Beacon 可以傳送唯一的識別碼，讓移動裝置可以接收到這些識別碼，並根據接收到的識別碼來確定自己的位置。

iBeacon

iBeacon 是 Apple 公司推出的 Beacon 技術標準。iBeacon 使用 UUID（通用唯一識別碼）來識別 Beacon 裝置。iBeacon 的廣告包結構包括 UUID、Major 和 Minor 號碼。

Eddystone

Eddystone 是 Google 公司推出的 Beacon 技術標準。Eddystone 支援多種框架，包括 Eddystone-URL、Eddystone-UID、Eddystone-EID 和 Eddystone-TLM。

Beacon廣告包結構

BLE 廣告包結構包括標頭、資料和校驗碼。標頭包含廣告包的型別和長度，資料包含 Beacon 的識別碼和其他相關資訊，校驗碼用於檢查廣告包的完整性。

Beacon系統的挑戰

Beacon 系統的設計需要考慮廣告間隔和位置跟蹤的精度。廣告間隔越短，位置跟蹤的精度越高，但是會增加功耗。廣告間隔越長，功耗越低，但是位置跟蹤的精度會降低。

Beacon 電池壽命

Beacon 的電池壽命取決於廣告間隔、發射功率和電池容量。一般來說，Beacon 的電池壽命可以透過調整廣告間隔和發射功率來最佳化。

圖表翻譯：

下圖顯示了 BLE 廣告包結構和 Beacon 的工作原理。

  flowchart TD
    A[Beacon] --> B[廣告包]
    B --> C[標頭]
    B --> D[資料]
    B --> E[校驗碼]
    C --> F[廣告包型別]
    C --> G[廣告包長度]
    D --> H[Beacon 識別碼]
    D --> I[其他相關資訊]
    E --> J[校驗碼]

內容解密：

上述內容介紹了 BLE 和 Beacon 技術的基本原理和應用場景。BLE 技術是一種低功耗的無線通訊技術，廣泛應用於各種物聯網裝置中。Beacon 技術是 BLE 技術的一種應用，主要用於室內定位和近距離通訊。瞭解 BLE 和 Beacon 的工作原理和應用場景，可以幫助開發人員設計和實現更加高效和可靠的物聯網系統。

藍牙5.0技術的進步

藍牙5.0技術是一種無線個人區域網路（WPAN）技術，相比於其前身藍牙4.0，具有更長的傳輸距離和更快的傳輸速度。藍牙5.0技術的進步使其在各種應用場景中更加廣泛地被使用，例如在智慧家居、工業自動化和醫療保健等領域。

藍牙5.0的主要特點

藍牙5.0技術具有以下幾個主要特點：

  • 長距離傳輸：藍牙5.0技術可以實現長距離傳輸，最大傳輸距離可達到400米。
  • 高速傳輸：藍牙5.0技術可以實現高速傳輸，最大傳輸速度可達到2Mbps。
  • 低功耗：藍牙5.0技術可以實現低功耗傳輸，減少了裝置的功耗和熱量產生。
  • 多裝置連線：藍牙5.0技術可以實現多裝置連線，允許多個裝置同時連線到同一個藍牙裝置。

藍牙5.0的應用場景

藍牙5.0技術的進步使其在各種應用場景中更加廣泛地被使用，例如：

  • 智慧家居：藍牙5.0技術可以用於智慧家居中的各種裝置，例如智慧燈、智慧門鎖等。
  • 工業自動化：藍牙5.0技術可以用於工業自動化中的各種裝置，例如感測器、執行器等。
  • 醫療保健：藍牙5.0技術可以用於醫療保健中的各種裝置，例如醫療器械、健康監測裝置等。

藍牙5.0的優點

藍牙5.0技術具有以下幾個優點：

  • 長距離傳輸：藍牙5.0技術可以實現長距離傳輸，最大傳輸距離可達到400米。
  • 高速傳輸：藍牙5.0技術可以實現高速傳輸，最大傳輸速度可達到2Mbps。
  • 低功耗：藍牙5.0技術可以實現低功耗傳輸，減少了裝置的功耗和熱量產生。
  • 多裝置連線：藍牙5.0技術可以實現多裝置連線，允許多個裝置同時連線到同一個藍牙裝置。

藍牙5.0的缺點

藍牙5.0技術也有一些缺點，例如：

  • 安全性：藍牙5.0技術的安全性仍然是一個問題，尤其是在傳輸敏感資料時。
  • 幹擾：藍牙5.0技術可能會受到其他無線訊號的幹擾，影響傳輸的質量。
  • 成本：藍牙5.0技術的成本仍然相對較高，尤其是在大規模應用時。
內容解密：

本文主要介紹了藍牙5.0技術的進步和應用場景。藍牙5.0技術是一種無線個人區域網路（WPAN）技術，相比於其前身藍牙4.0，具有更長的傳輸距離和更快的傳輸速度。藍牙5.0技術的進步使其在各種應用場景中更加廣泛地被使用，例如在智慧家居、工業自動化和醫療保健等領域。

  graph LR
    A[藍牙5.0技術] --> B[長距離傳輸]
    A --> C[高速傳輸]
    A --> D[低功耗]
    A --> E[多裝置連線]
    B --> F[智慧家居]
    C --> G[工業自動化]
    D --> H[醫療保健]
    E --> I[其他應用場景]

圖表翻譯：

上述圖表展示了藍牙5.0技術的主要特點和應用場景。藍牙5.0技術具有長距離傳輸、高速傳輸、低功耗和多裝置連線等特點。這些特點使其在各種應用場景中更加廣泛地被使用，例如在智慧家居、工業自動化和醫療保健等領域。

藍牙技術的演進與應用

隨著科技的進步，藍牙技術也在不斷演進。藍牙5是一個重要的里程碑，它不僅提高了傳輸距離和資料率，也增加了功率輸出。這使得藍牙5在物聯網（IoT）裝置中具有更廣泛的應用。

藍牙5的特點

藍牙5有一些重要的特點，包括：

  • 增加功率輸出：藍牙5的功率輸出增加到+20 dBm，這使得它可以在更長的距離傳輸資料。
  • 提高資料率：藍牙5的資料率提高到2M symbols/second，這使得它可以更快速地傳輸資料。
  • 新的PHY：藍牙5引入了一種新的PHY（物理層），稱為LE2M，這使得它可以在更長的距離傳輸資料。

藍牙5的應用

藍牙5在物聯網（IoT）裝置中具有廣泛的應用，包括：

  • 低功耗裝置：藍牙5的低功耗特性使得它非常適合於低功耗裝置，例如可穿戴裝置和物聯網感測器。
  • 長距離傳輸：藍牙5的長距離傳輸能力使得它非常適合於需要傳輸資料到遠距離的應用，例如智慧家居和工業自動化。

藍牙Mesh

藍牙Mesh是一種新的技術，它允許多個藍牙裝置之間建立Mesh網路。這使得藍牙裝置可以更好地相互通訊和協調。

藍牙Mesh的特點

藍牙Mesh有一些重要的特點，包括：

  • Mesh網路：藍牙Mesh允許多個藍牙裝置之間建立Mesh網路，這使得它可以更好地相互通訊和協調。
  • 無限擴充套件：藍牙Mesh可以無限擴充套件，這使得它可以應用於大規模的網路。
  • 低延遲：藍牙Mesh的延遲非常低，這使得它非常適合於需要實時通訊的應用。

藍牙Mesh的應用

藍牙Mesh在很多領域都有廣泛的應用，包括：

  • 智慧家居：藍牙Mesh可以用於智慧家居的自動化控制，例如控制燈光、溫度和安全系統。
  • 工業自動化：藍牙Mesh可以用於工業自動化的控制和監測，例如控制機器和監測生產流程。
內容解密：
  • 藍牙5的功率輸出增加到+20 dBm，這使得它可以在更長的距離傳輸資料。
  • 藍牙5的資料率提高到2M symbols/second，這使得它可以更快速地傳輸資料。
  • 藍牙Mesh允許多個藍牙裝置之間建立Mesh網路，這使得它可以更好地相互通訊和協調。

圖表翻譯：

  graph LR
    A[藍牙5] --> B[長距離傳輸]
    A --> C[低功耗]
    D[藍牙Mesh] --> E[Mesh網路]
    D --> F[無限擴充套件]
    D --> G[低延遲]

這個圖表展示了藍牙5和藍牙Mesh的關係，藍牙5具有長距離傳輸和低功耗的特性，而藍牙Mesh具有Mesh網路、無限擴充套件和低延遲的特性。

Bluetooth Mesh 技術概覽

Bluetooth Mesh 是一種根據 Bluetooth Low Energy (BLE) 的 mesh 網路技術，允許多個裝置之間進行通訊和資料交換。它的設計目的是為了提供一個低功耗、低成本、且可靠的網路解決方案，適用於各種物聯網 (IoT) 應用。

Bluetooth Mesh 架構

Bluetooth Mesh 的架構包括多個層次：

  • Models：實現行為、狀態和繫結於一個或多個模型規範。
  • Foundation models：配置和管理 mesh 網路。
  • Access layer：定義應用資料的格式、加密過程和資料驗證。
  • Upper transport layer：管理資料的驗證、加密和解密。
  • Lower transport layer：執行分段和重組（SAR）若必要。
  • Network layer：決定哪個網路介面輸出訊息。
  • Bearer layer：定義 mesh PDUs 的處理方式。
  • BLE：完整的 BLE 規範。

Bluetooth Mesh 網路拓樸

Bluetooth Mesh 使用 flood 網路的概念。在 flood 網路中，每個接收到的封包都會被轉發給所有相鄰的節點，除了傳送封包的節點。這種方法的優點是，如果一個封包可以被送達，則它一定會被送達（雖然可能會透過多個路由）。它也會自動找到最短的路由。

節點和元件

Bluetooth Mesh 網路由多個節點組成，每個節點可以包含多個元件。節點可以是已經被配置並加入 mesh 網路的裝置，也可以是尚未被配置的裝置。元件是節點中的子裝置，可以獨立控制和地址化。

Mesh 閘道器

Mesh 閘道器是一個可以將 mesh 訊息轉換為非 Bluetooth 技術的節點。它允許 mesh 網路與其他網路進行通訊。

低功耗節點

低功耗節點（LPN）是一種節點，它需要非常低的功耗。它可以與一個朋友節點配對，朋友節點會儲存和緩衝訊息，直到 LPN 醒來並查詢訊息。

心跳訊息

每個節點會定期廣播心跳訊息，告知 mesh 網路它仍然存在和健康。這也允許 mesh 網路偵測節點的存在和狀態。

TTL 欄位

每個訊息都包含一個 TTL（Time to Live）欄位，當訊息被接收和轉發時，TTL 會被遞減。這是一種安全機制，防止 mesh 網路中出現無限迴圈和拒絕服務攻擊。

藍牙技術正經歷著從連線技術到網路技術的關鍵轉型。本文涵蓋了藍牙架構的演進，從早期的經典藍牙到BLE，再到最新的藍牙Mesh，展現了藍牙技術在滿足物聯網需求方面的持續創新。分析藍牙5、BLE和Mesh的特性及應用場景，可以發現藍牙技術在低功耗、長距離和多裝置連線方面的顯著提升，這為其在智慧家居、工業自動化和醫療保健等領域的廣泛應用奠定了基礎。然而，藍牙技術的安全性、抗幹擾能力以及與其他無線技術的融合仍是未來發展的挑戰。玄貓認為，隨著藍牙Mesh的普及和標準的持續完善，藍牙技術將在構建物聯網生態系統中扮演更加重要的角色，其低功耗、易部署和成本效益等優勢將使其成為物聯網裝置連線的首選方案之一。未來，預計藍牙技術將與其他無線技術，例如Wi-Fi和5G，更緊密地整合，形成更強大、更靈活的無線連線解決方案。

玄貓

玄貓

技術愛好者，專注於分享程式開發、雲端技術與 AI 應用的心得體會。