Если у вас есть беспроводные наушники, смарт-часы или новый автомобиль со встроенным компьютером, с большой вероятностью всё это связывается с вашим телефоном по протоколу Bluetooth. В этой статье разберём, как работает стандарт, что позволяет делать и что интересного с ним можете сделать вы.
Что такое Bluetooth
Bluetooth — это стандарт беспроводной связи. Беспроводной — то есть с помощью электромагнитного излучения (как радио или вайфай). Стандарт — то есть все устройства, которые поддерживают Bluetooth, соблюдают определённый порядок работы: вещают на определённой частоте, шифруют сигналы определённым образом и т. д.
Блютус используют в бытовых приборах, умной электронике, умном доме и похожих штуках. Иногда его используют в промышленности и корпоративной среде, но чаще для этих целей используют другие стандарты.
История создания Bluetooth
В 90-х у инженеров была простая, но насущная проблема: всем надоело таскать за собой провода. Мышки, клавиатуры, телефоны, гарнитуры — всё это хотелось соединять без лишней паутины на столе. Но технологии беспроводной связи тех лет были либо очень дорогими, либо очень ресурсоёмкими.
В 1994 году ребята из Ericsson (тогда они ещё делали мобильники, а не только сетевое оборудование для операторов) задумались: а давайте сделаем простой, недорогой и маломощный радиоканал для коротких дистанций. Им хотелось заменить проводные соединения — тот самый старый добрый RS-232, через который тогда соединяли компьютеры, модемы и всякую периферию. Так началась разработка протокола, который позже получил название Bluetooth.
Название, кстати, придумалось почти случайно. В честь скандинавского короля Харальда Синезубого (Bluetooth — адаптация датского слова Blåtand), который прославился тем, что объединял народы. Вот и инженеры хотели объединить кучу разных устройств в единую беспроводную сеть. Название вроде как придумали временно, но оно в итоге так и осталось.
В 1998 году появилась группа компаний Bluetooth Special Interest Group (SIG) — туда вошли Ericsson, Intel, IBM, Nokia и Toshiba. Они договорились делать общий стандарт, чтобы все гаджеты разных брендов могли друг друга понимать.
Первая спецификация Bluetooth 1.0 вышла в 1999 году. Работала она, мягко говоря, неидеально: скорость маленькая, безопасность так себе, стабильность — уж как повезёт. Но это был первый шаг в сторону беспроводного мира, который мы сегодня уже воспринимаем как само собой разумеющееся.
Принцип работы Bluetooth
Блютус — это обычное радиовещание. Устройства общаются друг с другом по радиоволнам на частоте 2,4 гигагерца (2400 мегагерца, на ней работают и вайфай, и микроволновки, и ещё куча всего).
Чтобы все эти устройства не мешали друг другу, блютус делает хитрую вещь: быстро прыгает между разными частотами внутри своего диапазона. Эта техника называется frequency hopping — «прыгающая частота». За секунду блютус может сменить частоту до 1600 раз. Если кто-то занят на одной частоте — перескакиваем на другую. За счёт этого связь получается более стабильной даже в загруженном эфире.
Дальше — важный момент: блютус не просто соединяет два устройства, он строит из них маленькую сеть. Это называется пикосеть (piconet). У Bluetooth всегда есть устройство, которое управляет соединением (master), и устройства, которые ему подчиняются (slave). Обычно master — это смартфон или ноут, а slave — например, наушники или фитнес-браслет. В современных версиях схема стала гибче, но принцип остался тем же: кто-то главный, кто-то слушает команды.
Блютус-устройства заранее договариваются, кто они друг другу: кому с кем разрешено общаться, как обмениваться ключами шифрования, когда передавать данные. Всё это называется процессом «сопряжения» — когда подключаешь наушники к телефону, они как раз обмениваются этой информацией.
А ещё блютус экономит энергию за счёт коротких пакетов данных и пауз в передаче, когда никто ничего не шлёт. Передали — замолчали — передали снова.
Технические характеристики Bluetooth
Чтобы составить полное представление о технологии, коротко пробежимся по основным параметрам Bluetooth. Здесь общий обзор, а дальше разберём каждый из пунктов подробно.
- Частотный диапазон: 2,402–2,480 ГГц. Работает в свободном спектре, где одновременно живут вайфай и ещё полкухни бытовых гаджетов.
- Механизм работы: быстрые прыжки по 79 каналам (frequency hopping) до 1600 раз в секунду.
- Построение сетей: устройства объединяются в пикосети. Один мастер может рулить сразу несколькими ведомыми.
- Мощность передачи: обычно 1 мВт (третья мощность), иногда 2,5 мВт (вторая). В профессиональных системах бывает и до 100 мВт.
- Скорость: от 200 КБ/с до современных 2–40 Мбит/с (зависит от версии, режима и дистанции).
- Дальность: от пары метров (наушники в кармане) до сотен метров в специфических промышленных решениях.
- Энергопотребление: минимальное. Особенно у Low Energy, где устройства работают месяцами от одной батарейки.
- Безопасность: современные версии используют шифрование, аутентификацию и регулярную смену ключей.
Версии и модификации Bluetooth
Самая первая версия в 1998 году умела только соединять устройства и передавать данные на скорости примерно 200 килобайт в секунду. Защиты как таковой не было, поддержки нескольких одновременных подключений тоже.
Дальше в версиях добавляли всевозможные протоколы защиты, шифрования, коррекции сигнала и поддержку более высоких скоростей.
Самая актуальная версия в проде на выход статьи — Bluetooth 5.3. В ней добавлена устойчивость к помехам, улучшена работа с шифрованием, оптимизирован обмен короткими сообщениями — всё для того, чтобы устройства могли экономно, стабильно и безопасно работать даже в забитом эфире. Стандартная скорость передачи данных — до 40 мегабит в секунду. Но надо понимать: эти 40 мегабит — в идеальных лабораторных условиях. В реальной жизни скорости чаще куда скромнее.
Уже начали появляться устройства с поддержкой Bluetooth 5.4. Там добавили новые фишки для интернета вещей — например, режим Periodic Advertising with Responses (PAwR), который позволяет устройствам обмениваться короткими сообщениями в энергосберегающем режиме — идеально для всяких датчиков, маячков и умных меток, которые шлют маленькие порции данных раз в полчаса.
Параллельно с основным Bluetooth создаются модификации. Одна из наиболее полезных — Bluetooth LE, что означает Low Energy. Это протокол с пониженным энергопотреблением: благодаря ему передатчики могут работать годами от одной батарейки и передавать что-то другим устройствам. Пример устройств с Bluetooth LE — нагрудные пульсометры и гибридные смарт-часы.
А совсем недавно добавили ещё один подстандарт — LE Audio. Это отдельная ветвь для аудиоустройств: он позволяет более качественно стримить звук, подключать несколько наушников к одному источнику, а ещё — транслировать звук сразу на несколько человек (например, в музее или кинотеатре). Для него разработали новый аудиокодек LC3: он эффективнее, даёт лучшее качество при меньшем потоке данных и экономит батарею.
Какая бывает мощность передатчика
У блютуса есть три вида класса мощности передатчика:
- Первый класс — самый мощный, 100 милливатт. Его хватает для устойчивой связи на расстоянии 100–200 метров, но такие передатчики встречаются очень редко.
- Второй класс работает с мощностью 2,5 милливатта и уверенно держит связь на 10–20 метров.
- Третий класс самый слабый по мощности, всего 1 милливатт, он позволяет устройствам передавать данные без потерь только на расстояние до 5–7 метров.
Раньше был ещё четвёртый класс мощности, но там дальность передачи была такая маленькая, что от него быстро отказались.
Чаще всего в телефоны и ноутбуки ставят модули второго и третьего класса, чтобы снизить расход аккумулятора. А ещё чем меньше класс, тем меньше нужна антенна для приёма и передачи сигнала.
Производитель говорит, что здесь тоже стоит первый класс мощности, но из-за антенны небольшого размера дальность связи будет не более 15 метров. Фото — «Ситилинк»
В современных устройствах (особенно с Bluetooth Low Energy) мощность часто регулируется динамически: устройство само снижает или поднимает мощность в зависимости от условий, чтобы сэкономить батарейку и поменьше шуметь в эфире.
Скорость и дальность
Эти два параметра связаны между собой: чем больше дальность, тем меньше скорость и наоборот. Чтобы лучше понять, как это работает, нам понадобится аналогия про силача и ядро.
Представим, что у нас есть силач (блютус-передатчик) и ядро (данные). Если силач будет брать большие ядра и кидать их, то они недалеко улетят, зато масса перекидываемых ядер будет максимальной. А если он будет брать маленькие и лёгкие ядра, то и кидать он их сможет дальше, но, чтобы перекинуть ту же самую массу, что и в первом случае, кидать ядра придётся долго.
С блютусом то же самое: мы можем либо быстро передавать данные на короткие расстояния, либо медленно — на более длинную дистанцию.
Например, в стандартном Bluetooth 5.0+ есть специальные режимы:
- LE 2M PHY — работает на высокой скорости до 2 Мбит/с, но только на близких дистанциях.
- LE Coded PHY (Long Range) — позволяет растянуть дальность до сотен метров, но за счёт сильного замедления скорости (порядка 125–500 кбит/с), потому что данные дополнительно кодируются для надёжности.
Чем блютус отличается от вайфая
В первую очередь у вайфая и блютуса разные задачи.
- Вайфай — это скоростной доступ в интернет и локальную сеть. Его главная цель — быстро перекачивать гигабайты данных и на приличные расстояния (чтобы фильмы качались, приложения грузились).
- Блютус же создан, чтобы избавить нас от проводов между устройствами.
С точки зрения физики и то и другое — электромагнитные излучения. Разница в протоколах и способах обработки этого излучения.
И блютус, и вайфай работают на одной и той же частоте — 2,4 гигагерца — и используют похожие алгоритмы связи. Именно поэтому блютус или вайфай могут работать неустойчиво или отваливаться, если пользоваться одновременно обоими протоколами — они мешают друг другу и забивают один и тот же канал. Решение здесь простое — использовать более современную версию вайфая, который работает на частоте 5 гигагерц и ничему не мешает.
Также в современных версиях блютуса используется технология adaptive frequency hopping: блютус сначала сканирует эфир и избегает занятых вайфаем каналов. Если видит, что там вайфай, — просто переключается в другое место. За счёт этого в современных устройствах оба протокола не конфликтуют.
Безопасность связи в Bluetooth
Хотя блютус и считается защищённым протоколом, у него есть одно слабое место: если злоумышленник во время поиска и сопряжения устройств будет подслушивать весь трафик, то сможет вычислить защитный код. А зная его, можно подключиться к любому устройству.
В старых версиях Bluetooth (1.x–2.x) всё было плохо: никаких сложных ключей, слабая защита, простая подмена устройств. Но в современных версиях Bluetooth (особенно с 4.2 и выше, включая 5.x и LE Audio) безопасность сильно прокачали. Там появилось защищённое сопряжение (Secure Connections) с мощным шифрованием. Ключи стали сложнее и динамически меняются во время работы. А ещё добавили способы надёжной аутентификации, например через NFC (когда просто прикоснулись устройствами — и ключи обменялись без риска перехвата).
При этом абсолютной защиты не существует: если кому-то очень надо, он может попробовать провести атаку или даже попытаться проникнуть через уязвимости самого чипа.
Но для повседневных задач — прослушивания музыки, передачи данных с фитнес-браслета — современный блютус более чем безопасен благодаря шифрованию и постоянному обновлению ключей. Риск перехвата сопоставим с другими бытовыми технологиями. А если вам действительно нужно передать что-то суперсекретное, то да, лучше использовать провод или специальные зашифрованные каналы связи.
Bluetooth и интернет вещей
Благодаря поддержке стандарта пониженного энергопотребления (LE) блютус стал отличным протоколом для работы интернета вещей. Его преимущество перед остальными в том, что:
- блютус — это стандартный протокол передачи данных, который может подключиться почти к любому устройству с блютусом;
- низкое энергопотребление позволяет работать передатчику несколько лет подряд, регулярно передавая небольшие пакеты данных.
А с выходом новых версий (Bluetooth 5.4 с режимом PAwR) блютус ещё сильнее затачивается под IoT: позволяет собирать сотни устройств в одной сети, стабильно поддерживать связь с минимумом потребления.
Опасен ли Bluetooth для здоровья?
В целом блютус безопасен. Это неионизирующее излучение, оно имеет очень низкую степень поглощения человеческим телом и настолько низкую мощность, что учёные не могут найти связи между блютусом и какими-либо заболеваниями.
Но, как всегда в медицине, опасность не в самом излучении, а в его дозе. Не исключено, что если 30 лет сидеть в комнате, обклеенной тысячей блютус-передатчиков первого класса, то может произойти что-нибудь плохое.
Современные bluetooth-устройства, которыми пользуемся мы — телефоны, наушники, часы, маячки, — работают на мощностях 1–2,5 мВт. Это на порядки ниже, чем мощность даже обычного домашнего Wi-Fi или сигнала мобильной связи.
Правильнее сказать так: риски, связанные с Bluetooth, для обычных людей настолько малы, что ими можно пренебречь.
Бонус для читателей
Если вам интересно погрузиться в мир ИТ и при этом немного сэкономить, держите наш промокод на курсы Практикума. Он даст вам скидку при оплате, поможет с льготной ипотекой и даст безлимит на маркетплейсах. Ладно, окей, это просто скидка, без остального, но хорошая.
Вам слово
Приходите к нам в соцсети поделиться своим мнением о такой технологии и почитать, что пишут другие. А ещё там выходит дополнительный контент, которого нет на сайте — шпаргалки, опросы и разная дурка. В общем, вот тележка, вот ВК — велком!
