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藍牙

短距離無線通訊協定

藍牙（英語：Bluetooth）是一種無線通訊技術標準，用來讓固定與行動裝置，在短距離間交換資料，以形成個人區域網絡（PAN）。其使用短波特高頻（UHF）無線電波，經由2.4至2.485 GHz的ISM頻段來進行通信[3]。1994年由電信商愛立信（Ericsson）發展出這個技術[4]。它最初的設計是希望建立一個RS-232數據線的無線通訊替代版本。它能夠連結多個裝置，以克服同步的亦被干擾等問題。

藍牙
藍牙標誌
開發單位藍牙技術聯盟
規範發布1989年，​35年前​（1989）
使用於個人局域網
相容的硬體個人電腦
智能手機
遊戲控制器
音頻設備
範圍典型值低於 10米（33英尺），高達100米（330英尺）
Bluetooth 5.0: 40—400米（100—1,000英尺）[1][2]
官方網站bluetooth.com

藍牙技術目前由藍牙技術聯盟（SIG）負責維護其技術標準，其成員已超過三萬，分布在電信、電腦、網路與消費性電子產品等領域[5]。IEEE曾經將藍牙技術標準化為IEEE 802.15.1，但是這個標準已經不再繼續使用。

名稱與標識

「Bluetooth」一詞是斯堪的納維亞語言詞彙Blåtand/Blåtann的英語化。這個詞的來源是10世紀丹麥和挪威國王藍牙哈拉爾（丹麥語：Harald Blåtand Gormsen），借國王的綽號「Blåtand」當名稱，直接翻譯成中文爲「藍牙」（blå＝藍，tand＝牙）。原本台灣翻譯為「藍芽」，但2006年時，藍牙技術聯盟組織已將全球中文譯名統一改採直譯為「藍牙」，並註冊為該組織的註冊商標。[6]

藍牙哈拉爾曾統一了因宗教戰爭和領土爭議而分裂的挪威和丹麥，因此藍牙技術的研發小組以其名號期許新技術能整合各大資通品牌的標準。藍牙的標誌是盧恩字母  （Hagall（英語：Haglaz），ᚼ）和  （Bjarkan（英語：Berkanan），ᛒ）的組合，也就是Harald Blåtand的首字母HB的合寫。[7]

歷史

創製

藍牙技術最初由愛立信創製。技術始於愛立信公司的1994方案，它是研究在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發明者希望為設備間的通訊創造一組統一規則（標準化協議），以解決用戶間互不兼容的移動電子設備。1997年前愛立信公司以此概念接觸了移動設備製造商，討論其項目合作發展，結果獲得支持。

1998年5月20日，愛立信、國際商業機器、英特爾、諾基亞及東芝公司等業界龍頭創立「特別興趣小組」（Special Interest Group，SIG），即藍牙技術聯盟的前身，目標是開發一個成本低、效益高、可以在短距離範圍內隨意無線連接的藍牙技術標準。

1998年時藍牙推出0.7規格，支援Baseband與LMP（Link Manager Protocol）通訊協定兩部份。1999年推出先後0.8版，0.9版、1.0 Draft版，1.0a版、1.0B版。1.0 Draft版，完成SDP（Service Discovery Protocol）協定、TCS（Telephony Control Specification）協定。1999年7月26日正式公布1.0版，確定使用2.4GHz頻譜，最高資料傳輸速度1Mbps，同時開始了大規模宣傳。和當時流行的紅外線技術相比，藍牙有着更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接，所有藍牙設備基本上只要在有效通訊範圍內使用，就可以進行隨時連接。

當1.0規格推出以後，藍牙並未立即受到廣泛的應用，除了當時對應藍牙功能的電子設備種類少，藍牙裝置也十分昂貴。2001年的1.1版正式列入IEEE標準，Bluetooth 1.1即為IEEE 802.15.1。同年，SIG成員公司超過2000家。過了幾年之後，採用藍牙技術的電子裝置如雨後春筍般增加，售價也大幅下降。為了擴寬藍牙的應用層面和傳輸速度，SIG先後推出了1.2、2.0版，以及其他附加新功能，例如EDR（Enhanced Data Rate，配合2.0的技術標準，將最大傳輸速度提高到3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，一個控音軌分配技術，主要應用於立體聲耳機）、AVRCP（A/V Remote Control Profile）等。Bluetooth 2.0將傳輸率提升至2Mbps、3Mbps，遠大於1.x版的1Mbps（實際約723.2kbps）。

發展

 
正在以藍牙介面與無線耳機溝通的Sony Ericsson P910i PDA手機
 
藍牙滑鼠

藍牙用於在不同的設備之間進行無線連接，例如連接計算機和外圍設備，如：打印機、鍵盤等，又或讓個人數碼助理（PDA）與其它附近的PDA或計算機進行通信。具備藍牙技術的手機可以連接到計算機、PDA甚至連接到免持聽筒。

事實上，根據已訂立的標準，藍牙可以支持功能更強的長距離通訊，用以構成無線局域網。每個Bluetooth設備可同時維護8個連接[來源請求]。可以將每個設備配置為不斷向附近的設備聲明其存在以便建立連接。另外也可以對二個設備之間的連接進行密碼保護，以防止被其他設備接收。

藍牙的標準是IEEE 802.15.1，藍牙協議工作在無需許可的ISM（Industrial Scientific Medical）頻段的2.45GHz。最高速度可達723.1kb/s。為了避免干擾可能使用2.45GHz的其它協議，藍牙協議將該頻段劃分成79個頻道，（頻寬為1MHz）每秒的頻道轉換可達1600次。

原理和應用

工作方式

藍牙技術分為基礎率/增強數據率（BR/EDR）和低耗能（LE）兩種技術類型。[8]其中BR/EDR型是以點對點網絡拓撲結構建立一對一設備通信；LE型則使用點對點（一對一）、廣播（一對多）和網格（多對多）等多種網絡拓撲結構。[9]

應用

藍牙技術已經應用到超過3萬個聯盟技術成員的82億件產品之中。依靠藍牙支持，電腦或PDA能通過手機的調製解調器實現撥號上網。可以在一定距離內架設電腦間的無線網絡或數個以太網之間的無線橋架。藍牙設備之間可以傳輸文件。

汽車
藍牙免提呼叫系統；車載音頻娛樂系統；監測和診斷機電系統		 消費類電子產品
電視和遊戲系統，家用遊戲機的手柄，包括PS4、PSP Go、 Wii、Switch。		 家居自動化
智能家居，室內的照明、溫度、家用電器、窗戶和門鎖等安全系統以及牙刷、鞋墊等日常用品。
醫療和保健
血糖監測儀、脈搏血氧儀、心率監視器、哮喘吸入器等產品		 手機
移動電話和免提設備之間的無線通訊，這也是最初流行的應用。		 電腦與外設
鼠標、鍵盤、耳機、打印機等
可穿戴設備
智能眼鏡、耳機、活動監測儀、兒童和寵物監視器、醫療救助、頭部和手部安裝終端以及攝像機		 運動和健身
健身跟蹤手環和智能手錶，瑜伽墊、棒球棍等		 零售和位置導向式服務
實時定位系統（RTLS），應用"節點"或"標籤"嵌入受跟蹤物品中讀卡器從標籤接收並處理無線信號以確定物品位置。[10]
 
藍牙耳機

其它的例子還有：

  • 傳統有線設備的無線化，如：醫用器材、GPS、條形碼掃描儀、交管設備、藍牙無線麥克風收發機：具有發送端與接收端，發送端提供3-pin XLR接頭，可連接麥克風發射訊號，接收端提供3.5mm接頭/6.3mm接頭，可直接插在揚聲器或擴大機上，彼此之間使用藍牙傳輸。[11]
  • 凱迪拉克XTS豪華轎車上所搭載的CUE移動互聯體驗系統的藍牙接入功能，最多可支持10組藍牙配對，包括智能手機、平板電腦和多媒體播放器等。車主可以通過藍牙配對，將這些便攜設備中的信息與CUE系統實現共享。比如，可以讀取手機中的通訊錄，通過CUE系統的人聲識別功能直接進行語音撥叫；可以讀取手機或多媒體播放器中的音樂文件，通過CUE系統在車內音響中播放，並在CUE系統的顯示屏上顯示曲目名、歌詞和專輯封面圖像等。

規格和功能

藍牙版本 發布時間 最大傳輸速度 傳輸距離 LMP版本[12]
藍牙5.4 2023 48 Mbit/s[來源請求] 300公尺 LMP 13
藍牙5.3 2021 48 Mbit/s[來源請求] 300公尺 LMP 12
藍牙5.2 2020 48 Mbit/s[來源請求] 300公尺 LMP 11
藍牙5.1 2019 48 Mbit/s[來源請求] 300公尺 LMP 10
藍牙5.0 2016 48 Mbit/s[13][與來源不符] 300公尺 LMP 9
藍牙4.2 2014 24 Mbit/s[來源請求] 50公尺 LMP 8
藍牙4.1 2013 24 Mbit/s[來源請求] 50公尺 LMP 7
藍牙4.0 2010 24 Mbit/s[來源請求] 50公尺 LMP 6
藍牙3.0+HS 2009 24 Mbit/s[14] 10公尺 LMP 5
藍牙2.1+EDR 2007 3 Mbit/s[14] 10公尺 LMP 4
藍牙2.0+EDR 2004 2.1 Mbit/s 10公尺 LMP 3
藍牙1.2 2003 1 Mbit/s 10公尺 LMP 2
藍牙1.1 2002 810 Kbit/s 10公尺 LMP 1
藍牙1.0 1998 723.1 Kbit/s 10公尺 LMP 0

第一代

早期的1.0和1.0B版本存在多個問題，多家廠商指出他們的產品互不兼容。同時，在兩個裝置「連結」（handshaking）的過程中，藍牙硬件的位址（BD_ADDR）會給傳送出去，在協定的層面上不能做到匿名，造成洩漏資料的危險，令一些使用者卻步。

藍牙1.2版本可以向下兼容1.1版，其主要改進包括：

  • 匿名方式：屏蔽設備的硬件地址（BD_ADDR），保護用戶免受身分嗅探攻擊和跟蹤。從1.1版開始已經可以實現硬件匿名，但未實施，因此對普通消費者來說還是沒有此功能。
  • 自適應頻率跳躍（AFH,Adaptive Frequency Hopping）：通過避免使用跳躍序列中的擁擠頻率，從而改善對無線電干涉的抵抗。
  • 更高的實際傳輸速度，實際測試約為90KB/S（721Kbps）左右。
  • L2CAP層引入了流量控制和錯誤糾正機制

第二代

藍牙2.0+EDR版加入了「非跳躍窄頻通道」（Non-hopping narrowband channel）。因為不需要與每個設備交換應答信號，這種通道可以用來將各種器件的藍牙服務概要同時廣播到巨量的藍牙器件。應答信號交換過程當前需要大約一秒。實時公共交通時刻表、基本的交通暢通性信息和高級交通指向指示等未加密信息可以以高速度發送給設備。更高的連接速度，支持多個速度水平。

2007年7月26日，藍牙技術聯盟通過了藍牙核心規範2.1+EDR，向下對1.2版本完全兼容，並增加了Sniff省電功能，使得適配器與設備的聯繫時間延長到0.5秒，能節約不小電量；增強功能有簡單安全配對（SSP），這改善了藍牙設備的配對經驗，同時提升了使用和安全強度。[15][查證請求]

第三代

2009年4月21日，藍牙技術聯盟頒布了藍牙核心規範3.0版（3.0+HS），是一種全新的交替射頻技術。藍牙3.0+HS提高了資料傳輸速率，集成802.11PAL最高速度可達24Mbps[14]。是藍牙2.0速度的8倍。此外，引入了增強電源控制，實際空閒功耗明顯降低。[16]

第四代

低耗電藍牙BLE（Bluetooth Low Energy）[8]
技術規範 典型藍牙 低耗電藍牙
無線電頻率 2.4 GHz 2.4 GHz
距離 10米/100米 30米
空中數據速率 1-3 Mb/s 1 Mb/s
應用吞吐量 0.7-2.1 Mb/s 0.2 Mb/s
節點／單元 7-16,777,184 未定義（理論最大值為2^32）
安全 64/128-bit及用戶自定義的應用層 128-bit AES及用戶自定義的應用層
強健性 自動適應快速跳頻，FEC，快速ACK 自動適應快速跳頻
延遲（非連接狀態） 100 ms <6 ms
發送數據的總時間 0.625 ms 3 ms
政府監管 全球 全球
認證機構 藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG） 藍牙技術聯盟（Bluetooth SIG）
語音能力 有 沒有
網絡拓撲 分散網 星狀拓撲（Star） 匯流排拓撲（Bus） 網狀拓撲（Mesh）
耗電量 1（作為參考） 0.01至0.5（視使用情況）
最大操作電流 <30 mA <15 mA（最高運行時為15 mA）
服務探索 有 有
簡介概念 有 有
主要用途 手機，遊戲機，耳機，立體聲音頻串流，
汽車和PC等 		手機，遊戲機，PC，錶，體育和健身，醫療保健，
汽車，家用電子，自動化和工業等

2010年7月7日，藍牙技術聯盟推出了藍牙4.0規範。其最重要的特性是支持省電。

  • Bluetooth 4.0，協議組成和當前主流的Bluetooth h2.x+EDR、還未普及的Bluetooth h3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個綜合協議規範，
  • 還提出了「低功耗藍牙」、「傳統藍牙」和「高速藍牙」三種模式。
  • 其中：高速藍牙主攻數據交換與傳輸；傳統藍牙則以信息溝通、設備連接為重點；低功耗藍牙顧名思義，以不需占用太多帶寬的設備連接為主。前身其實是NOKIA開發的Wibree技術，本是作為一項專為移動設備開發的極低功耗的移動無線通信技術，在獲SIG接納並規範化之後重新命名為Bluetooth Low Energy（後簡稱低功耗藍牙）。這三種協議規範還能夠互相組合搭配、從而實現更廣泛的應用模式，此外，Bluetooth 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。
  • 分Single mode與Dual mode。
  • Single mode只能與BT4.0互相傳輸無法向下相容（與3.0/2.1/2.0無法相通）;Dual mode可以向下相容，可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸
  • 超低的峰值、平均和待機模式功耗，覆蓋範圍增強，最大範圍可超過100米。
  • 速度：支持1Mbps數據傳輸率下的超短數據包，最少8個八組位，最多27個。所有連接都使用藍牙2.1加入的減速呼吸模式（sniff subrating）來達到超低工作循環。
  • 跳頻：使用所有藍牙規範版本通用的自適應跳頻，最大程度地減少和其他2.4 GHz ISM頻段無線技術的串擾。
  • 主控制：可以休眠更長時間，只在需要執行動作的時候才喚醒。
  • 延遲：最短可在3毫秒內完成連接設置並開始傳輸數據。
  • 健壯性：所有數據包都使用24-bit CRC校驗，確保最大程度抵禦干擾。
  • 安全：使用AES-128 CCM加密算法進行數據包加密和認證。
  • 拓撲：每個數據包的每次接收都使用32位尋址，理論上可連接數十億設備；針對一對一連接最佳化，並支持星形拓撲的一對多連接；使用快速連接和斷開，數據可以在網狀拓撲內轉移而無需維持複雜的網狀網絡。

2013年底，藍牙技術聯盟推出了藍牙4.1規範，其目的是為了讓 Bluetooth Smart 技術最終成為物聯網(Internet of Things)發展的核心動力。

  • 此版本為藍牙4.0的軟件更新版本，搭載藍牙4.0設備的終端可通過軟件更新獲得此版本。
  • 對於開發人員而言，該更新是藍牙技術發展史上一項重要的進步。該更新提供了更高的靈活性和掌控度，讓開發人員能創造更具創新並催化物聯網（IOT）發展的產品。
  • 支持多設備連接。
  • 智能連接：增加設置設備間連接頻率的支持。製造商可以對設備設置連接進行設置，使得設備可以更加智能的控制設備電量。

2014年12月，藍牙技術聯盟推出了藍牙4.2規範。

第五代

  • 藍牙5.0在2016年6月發布。在有效傳輸距離上將是4.2LE版本的4倍，傳輸速度將是4.2LE版本的2倍（速度上限為24Mbps）。藍牙5.0還支持室內定位導航功能（結合WiFi可以實現精度小於1米的室內定位），允許無需配對接受信標的數據（比如廣告、Beacon、位置信息等，傳輸率提高了8倍），針對物聯網進行了很多底層優化。[17][18]

2019年1月，藍牙技術聯盟推出了藍牙5.1規範。

2020年1月，藍牙技術聯盟推出了藍牙5.2規範。

2021年7月，藍牙技術聯盟推出了藍牙5.3規範。

2023年1月，藍牙技術聯盟推出了藍牙5.4規範。

藍牙技術聯盟

主條目：藍牙技術聯盟

藍牙技術聯盟（英語：Bluetooth Special Interest Group，縮寫為SIG）擁有藍牙的商標，負責製定藍牙規範、認證製造廠商，授權他們使用藍牙技術與藍牙標誌，但本身不負責藍牙裝置的設計、生產及販售。

藍牙協議堆疊

藍牙協議堆疊依照其功能可分四層：

  • 核心協議層（HCI、LMP、L2CAP、SDP）
  • 線纜替換協定層（RFCOMM）
  • 電話控制協定層（TCS-BIN）
  • 選用協議層（PPP、TCP、IP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE）

藍牙規範

主條目：藍牙規範

藍牙規範（Profile）是指藍牙通訊在那一種用途下應該使用的通訊協定和相關的規範。藍牙1.1定義的profile有13個。SIG認為藍牙裝置有4個最基本的Profile：

  • General Access Profile（GAP）
  • Service Discovery Application Profile（SDAP）
  • Serial Port Profile（SPP）
  • General Object Exchange Profile（GOEP）

缺點

干擾

Bluetooth在2.4GHz的電波干擾問題一直為大家所詬病，特別和無線區域網路(Wi-Fi)間的互相干擾問題。有干擾發生時，就以重新傳送封包的方法來解決干擾。

安全性

在JAVA和Symbian60平台上，使用「藍牙黑客」或「藍牙間諜」軟件，對方同意配對就可以控制打開藍牙的手機。此種軟件可以實現的功能有：查看對方手機中的電話簿、短信、電量、序列號；更改對方手機的情景模式和界面語言、打開對方手機內置的JAVA軟件、控制手機多媒體播放器、遙控對方手機打電話、發短信等。[19]

2023年11月，來自Eurecom（英語：Eurecom）的研究人員揭示了一類新的攻擊方式，稱為BLUFFS（低能耗藍牙前向與未來保密攻擊）。這6種新攻擊是在之前已知的KNOB和BIAS（藍牙冒充攻擊）的基礎上進行擴展和協作的。之前的KNOB和BIAS攻擊允許攻擊者在會話中解密和偽造藍牙數據包，而BLUFFS將這一能力擴展到由設備生成的所有會話（包括過去、現在和未來）。所有運行藍牙版本4.2到5.4的設備都受到影響。[20][21]

參見

參考文獻

  1. ^ bluAir. Bluetooth Range: 100m, 1km, or 10km?. bluair.pl. [4 June 2015]. （原始內容存檔於2015-06-13）. 
  2. ^ Basics | Bluetooth Technology Website. Bluetooth.com. 2010-05-23 [2021-02-01]. （原始內容存檔於2012-10-28）. 
  3. ^ Fast Facts. [2015年10月29日]. （原始內容存檔於2013年12月27日） （英語）. 
  4. ^ Dutch Bluetooth inventor honoured in US. [2015年10月29日]. （原始內容存檔於2017年9月1日） （英語）. 
  5. ^ Newton, Harold. Newton’s telecom dictionary. 紐約: Flatiron Publishing. 2007. 
  6. ^ Tech History: How Bluetooth got its name. 2008-03-05 [2015-12-10]. （原始內容存檔於2014-10-07）. 
  7. ^ Bluetooth Experience Icons. Bluetooth Special Interest Group. [2016-10-21]. （原始內容 (PDF)存檔於2018-12-23）. Bluetooth Experience Icons borrow two of these three features: the blue color and the rune-inspired symbol. 
  8. ^ 8.0 8.1 Bluetooth Technology Overview. Bluetooth® Technology Website. [2022-02-18]. （原始內容存檔於2022-07-14） （美國英語）. 
  9. ^ 工作原理. Bluetooth SIG. [2017-12-18]. （原始內容存檔於2017-12-06）. 
  10. ^ Real Time Location Systems (PDF). Clarinox. [2010-08-05]. [永久失效連結]
  11. ^ Bluetooth Module for microphones. [2014-01-20]. （原始內容存檔於2014-02-01）. 
  12. ^ 我的電腦使用哪個藍牙版本？. Microsoft. [2023-11-21]. （原始內容存檔於2023-11-21） （中文（繁體））. 
  13. ^ Bluetooth 5、2Mbpsで100m、125Kbpsなら400m. EE Times Japan. [2022-02-18]. （原始內容存檔於2022-04-06） （日語）. 
  14. ^ 14.0 14.1 14.2 Bluetooth 3.0発表 24Mbpsに高速化. ITmedia NEWS. [2022-02-18]. （原始內容存檔於2022-04-06） （日語）. 
  15. ^ 简单配对白皮书 (PDF). Version V10r00. Bluetooth SIG. 2006-08-03 [2007-02-01]. （原始內容 (PDF)存檔於2006-10-18）. 
  16. ^ 黎連業; 王安. 李龍 , 編. 无线网络与应用技术. 清華大學出版社. 2013: 50. ISBN 9787302322696. 
  17. ^ 存档副本. [2016-06-17]. （原始內容存檔於2021-05-05）. 
  18. ^ 存档副本. [2016-06-17]. （原始內容存檔於2021-05-05）. 
  19. ^ 留心身边的“蓝牙间谍”. 網易. [2016-01-31]. （原始內容存檔於2021-03-10）. 
  20. ^ New BLUFFS attack lets attackers hijack Bluetooth connections. [1 December 2023]. 
  21. ^ Antonioli, Daniele. BLUFFS: Bluetooth Forward and Future Secrecy Attacks and Defenses. Proceedings of the 2023 ACM SIGSAC Conference on Computer and Communications Security (報告): 636–650. 2023. ISBN 979-8-4007-0050-7. doi:10.1145/3576915.3623066. 

外部連結

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