بلوتوث چطور کار میکند؟
از آنجایی که دنیای ما به طور فزاینده‌ای به هم متصل شده است، انسان فناوریهای متنوعی را به منظور ارتباط با دوستان و خانواده خود اتخاذ کرده است. در این میان یکی از محبوب‌ترین‌های فناوری چیزی به نام بلوتوث است که می‌توان آن را در بسیاری از دستگاههایی که هر روز استفاده می‌کنیم، پیدا کنیم. به طور کلی اغلب فناوریهای بیسیم همچون ماوس و کیبورد با کمک بلوتوث به رایانه‌ها متصل می‌شوند و ساعت‌های هوشمند و ردیاب‌های ورزشی برای ارسال اطلاعات ثبت‌شده به تلفن‌های هوشمند از این فناوری کمک می‌گیرند. اما تا به حال با خود فکر کرده‌اید که بلوتوث این فناوری نام‌آشنا چطور کار میکند؟
ارتباطات بلوتوثی چگونه شکل می‌گیرند؟
در حال حاضر ارتباطاتی از نوع بیسیم پدیده‌ای رایج است. به طور کلی بسیاری از ما در دفاتر و منازل خود به اینترنت وای فای دسترسی داریم، در نگاه اول ممکن است این دو فناوری مشابه دیده شوند، اما باید بدانید که دستگاههای بلوتوث مستقیماً با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند، به این معنی که این نوع ارتباط از طریق یک دستگاه واسطه مانند روتر بیسیم انجام نمی‌شود؛ مسلما چنین قابلیتی طول عمر باتری دستگاه را کاهش نمی‌دهد و مصرف برق را بسیار کم نگه می‌دارد.
دستگاههای دارای بلوتوث با استفاده از امواج رادیویی کم مصرف در باند فرکانسی‌ای بین ۲.۴۰۰ گیگاهرتز و ۲.۴۸۳.۵ گیگاهرتز با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند.
در حالت کلی دستگاههای دارای بلوتوث با استفاده از امواج رادیویی کم مصرف در باند فرکانسی‌ای بین ۲.۴۰۰ گیگاهرتز و ۲.۴۸۳.۵ گیگاهرتز با یکدیگر ارتباط برقرار میکنند. جالب است بدانید که این باند فرکانسی یکی از معدود باندهایی است که طبق توافقات بین المللی برای استفاده در دستگاههای صنعتی، علمی و پزشکی استفاده میشود. دلیل این محدودیت را می‌توانید در مقاله‌ی رادیو چطور کار میکند؟ مطالعه کنید. در همین راستا بسیاری از دستگاههایی که ممکن است از آن‌ها استفاده کرده باشید احتمالا از همین باند فرکانسِ رادیویی بهره برده‌اند.
اما از سال ۲۰۲۰ فناوری بلوتوث در دو نوع مختلف به جهان معرفی شد:
- بلوتوث کم‌انرژی (LE)
- بلوتوث کلاسیک (که به طور رسمی به عنوان BR/EDR شناخته میشود.)
اصولا این دو نوع فناوری بلوتوث هر دو با استفاده از یک باند فرکانسی کار میکنند با این تفاوت که بلوتوث LE محبوب‌ترین گزینه به منظور اعمال بر دستگاههای مختلف است، چراکه برای کار کردن به انرژی بسیار کمتری نسبت به رقیب خود نیاز دارد، همچنین از این نوع بلوتوث می‌توان در شبکه‌های مش‌بندی «Mesh Networks» استفاده کرد، که امکان برقراری ارتباط از طریق اتصالات نقطه به نقطه بین دو دستگاه را فراهم میکند.
در عین حال فناوری بلوتوث کلاسیک یا BR/EDR می‌تواند دادهها را با سرعت کمی بیشتر از بلوتوث LE (3 مگابایت بر ثانیه در مقایسه با ۱ الی ۲ مگابایت بر ثانیه) ارائه دهد، اما تنها می‌تواند به منظور ارتباط مستقیم بین دو دستگاه با استفاده از اتصالات نقطه به نقطه به کار رود. بنابراین همانطور که مشخص است هر یک از این دو نوع فناوری نقاط قوت خاص خود را دارد و بر همین اساس هم سازندگان نسخه‌ای را بر روی محصولات خود پیاده‌سازی میکنند که به بهترین وجه با نیازهای محصول آن‌ها مطابقت داشته باشد.
چرا به این فناوری، بلوتوث (به معنی دندان آبی) میگویند؟
جالب است بدانید که در اواخر دههی ۹۰۰ فردی به نام هارالد بلوتوث «Harald Bluetooth» به پادشاهی دانمارک رسید. هارالد بلوتوث موفق شد که دانمارک و بخشی از نروژ را در زمان سلطنت خود زیر پرچم یک پادشاهی واحد متحد کند؛ اما در سال ۹۸۶ در جریان نبردی با پسرش، اسوند فورکبرد «Svend Forkbeard» کشته شد. در همین راستا انتخاب این نام به عنوان یک استاندارد نشان میدهد که شرکتهای منطقه شمال اروپا (از جمله دانمارک، سوئد، نروژ و فنلاند) چقدر در صنعت ارتباطات مهم هستند.
آشنایی با نحوه‌ی عملکرد فناوری بلوتوث
دستگاههای بلوتوثی از نوع BR/EDR همواره باید جفت باشند، چراکه در چنین حالتی دستگاهها می‌توانند به یکدیگر اعتماد کنند و دادهها را به روشی امن و با استفاده از کدهای رمزگذاری شده مبادله کنند. هنگامی که دستگاههایی با بلوتوث BR/EDR در محدوده‌ی یکدیگر قرار می‌گیرند، یک مکالمه‌ی الکترونیکی بین آن دو انجام می‌گیرد تا در مورد اعتماد به یکدیگر از طریق جفت شدن، ملاحظاتی انجام شود. این مکالمه‌ی الکترونیکی به طور خودکار و بدون دخالت کاربر از طریق زدن هر دکمه‌ای صورت می‌گیرد. هنگامی که مکالمه و اعتماد بین دستگاهها ایجاد شد، سیستم‌ها با هم یک شبکه را تشکیل می‌دهند.
از طرفی بلوتوث LE عملکرد متفاوتی نسبت به رقیب خود دارد. اگرچه در این فناوری هم از جفت‌شدگی دستگاهها برای ایجاد یک رابطه‌ی قابل اعتماد استفاده میشود، اما همه‌ی دستگاهها به آن نیاز ندارند. دستگاهی با بلوتوث LE می‌تواند پیام‌های خاصی (معروف به بسته‌ها «Packets») را در فرآیندی به نام اعلان «Advertising» پخش کند. این بسته‌ها حاوی اطلاعات مفیدی در مورد دستگاه اعلان دهنده یا مستر هستند، در همین حین دستگاه مناسب دیگری با اسکن این بسته‌های اطلاعاتی و انتخاب بسته‌ای که از دستگاهی قابل‌اعتماد و مناسب است، دستگاه مادر را پیدا میکند. البته همانطور که احتمالا خود تجربه دارید، معمولاً اسکن تنها زمانی اتفاق می‌افتد که کاربر با فشار دادن یک دکمه در تلفن هوشمند، آن را فعال کند. پس از این مرحله جزئیات دستگاههای مناسبی که کشف شده اند به کاربر نمایش داده میشود و سپس شما می‌توانید یکی را برای اتصال انتخاب کنید.
بلوتوث LE می‌تواند پیام‌های خاصی (معروف به بسته‌ها «Packets») را در فرآیندی به نام اعلان پخش کند. این بسته‌ها حاوی اطلاعات مفیدی در مورد دستگاه اعلان‌دهنده یا مستر هستند.
دیگر دستگاههای بلوتوثی (به عنوان مثال، یک ساعت هوشمند) که به یک دستگاه مرکزی (مثلاً تلفن هوشمند شما) متصل می‌شوند، یک شبکه‌ی محلی و شخصی (PAN) یا «Piconet» را تشکیل می‌دهند که ممکن است کل ساختمان را در بر بگیرد یا تنها به شعاع چند متری پخش شود. هنگامی که این شبکه‌ی محلی ایجاد شد، اعضای آن (دیگر دستگاههای بلوتوثی) فرکانس‌های رادیویی را به صورت هماهنگ انتشار می‌دهند تا با یکدیگر در تماس باشند و از تداخل با سایر شبکه‌های محلی بلوتوثی که ممکن است در همان اتاق با دستگاههای بیسیم دیگری مانند وای فای کار میکنند، اجتناب شود. لازم به ذکر است که این فرآیند انتشار فرکانس‌های رادیویی هماهنگ، فرکانس تطبیقی «Adaptive Frequency Hopping» نامیده میشود و به دستگاههای بلوتوثی اجازه میدهد تا حتی در محیط‌هایی که تعداد بسیار زیادی دستگاه بیسیم کار میکند، واقعاً خوب و بدون تداخل کار کند.
نکاتی در مورد محدوده‌ی عملکرد بلوتوث
اگرچه در درجه‌ی اول بسیاری از افراد از بلوتوث به عنوان یک فناوری کوتاه برد یاد میکنند، اما جالب است بدانید که می‌توان از آن برای اتصال دستگاههایی با فواصل بیش از یک کیلومتر (۳۲۸۰ فوت) از هم استفاده کرد. در واقع، بسیاری از انواع محصولات مانند هدفون‌های بلوتوثی برد ارتباطی کوتاهی دارند، اما از آنجایی که فناوری بلوتوث بسیار انعطاف‌پذیر است و می‌توان آن را بر اساس نیازهای دستگاه مدنظر (محصولاتی با بلوتوث نسل ۱ بردهای بسیار بیشتر از ۱۰ متر دارند!) پیکربندی کرد. درواقع سازندگان می‌توانند تنظیمات بلوتوث را روی دستگاههای خود به گونه‌ای پیکره‌بندی کنند تا قادر به پشتیبانی از محدوده‌های بیشتر باشد، در عین حال عمر باتری را به حداکثر برسانند تا بهترین کیفیت سیگنال را به دست آورند.
در هر صورت در کنار این مساله چندین عامل دیگر هم وجود دارد که بر دامنه‌ی دستگاههای بلوتوثی تأثیر می‌گذارد:
- طیف رادیویی (Radio spectrum): باند فرکانسی فناوری بلوتوث آن را به انتخاب خوبی برای ارتباطات بیسیم یا وایرلس تبدیل میکند.
- لایه‌ی فیزیکی (PHY): این فاکتور در بلوتوث برخی از جنبه‌های کلیدی در ارسال و دریافت دادهها مانند نرخ دادهها، نحوه تشخیص و تصحیح خطا، حفاظت از تداخل با دیگر دستگاهها و سایر تکنیک‌هایی که بر وضوح سیگنال در محدوده‌های مختلف تأثیر می‌گذارند را تعریف میکند.
- حساسیت گیرنده (Receiver sensitivity): این عامل به اندازه‌گیری حداقل قدرت سیگنالی که گیرنده همچنان می‌تواند دادهها را دریافت کرده و به درستی رمزگشایی کند، می‌پردازد.
- قدرت انتقال (Transmission power): همانطور که احتمالا انتظار دارید، هرچه قدرت سیگنال ارسالی بالاتر باشد، برد بیشتری را پشتیبانی میکند. اما لازم است در نظر داشته باشید که افزایش قدرت انتقال نیز باتری شما را سریع‌تر تخلیه میکند.
- بهره‌وری آنتن (Antenna gain): در اصل این عامل شامل تغییر سیگنال‌های الکتریکی به امواج رادیویی در فرستنده و بازگشت دوباره‌ی آن به شکل الکتریکی به گیرنده است.
- موانع مسیر حرکت (Path loss): عوامل متعددی ممکن است سیگنال را تضعیف کنند که از جمله آن‌ها می‌توان به مسافت، رطوبت و موانع فلزی، چوبی و غیره در مسیر اشاره کرد.
یکی از جدیدترین به‌روزرسانی‌های فناوری بلوتوث، تکنیکی به نام تصحیح خطای فوروارد (FEC) است که به منظور بهبود حساسیت گیرنده‌ها معرفی شده است. این فناوری خطاهای رخ داده بر روی اطلاعات را در انتهای مسیر به سمت گیرنده را شناسایی و تصحیح میکند، در چنین حالتی محدوده‌ی عملکرد مؤثر دستگاه تا چهار برابر یا بیشتر، بدون نیاز به افزایش قدرت انتقال، بهبود پیدا میکند. این بدان معناست که یک دستگاه می‌تواند با موفقیت داده‌هایی را که در فواصل بسیار طولانی‌تری از فرستنده ارسال می‌شوند بدون تضعیف سیگنال دریافت کند.
حفظ حریم شخصی و امنیت در فناوری بلوتوث
فناوری بلوتوث شامل تعدادی از اقدامات امنیتی است که می‌تواند سخت‌ترین استانداردهای امنیتی مانند موارد مندرج در استانداردهای پردازش اطلاعات فدرال (FIPS) را هم برآورده کند. هنگام راه‌اندازی بلوتوث در یک دستگاه جدید، کاربران معمولاً فرآیندی به نام جفت شدن دستگاهها را طی میکنند. در همین راستا جالب است بدانید که این فرآیند در هر دستگاه به کلیدهای امنیتی ویژه‌ای مجهز است که همین کلیدهای رمزی اعتماد به دستگاهها به منظور جفت شدن را فراهم میکند. طبیعتا دستگاهی که نیاز به جفت شدن دارد به دستگاه دیگری که با کلید منطبق نیست، متصل نمی‌شود.
یکی از جدیدترین به‌روزرسانی‌های فناوری بلوتوث، تکنیکی به نام تصحیح خطای فوروارد (FEC) است که به منظور بهبود حساسیت گیرنده‌ها معرفی شده است، این فناوری خطاهای رخ داده بر روی اطلاعات را در انتهای مسیر به سمت گیرنده را شناسایی و تصحیح میکند.
این کلیدهای امنیتی به فناوری بلوتوث اجازه میدهد تا از دادهها و کاربران به روش‌های مختلفی محافظت کند. به عنوان مثال، می‌توان اطلاعات مبادله شده بین دستگاهها را رمزگذاری کرد تا توسط دستگاههای دیگر قابل خواندن نباشد، همچنین می‌توان هر چند دقیقه یکبار دستگاه را مخفی کرد یا هویت آن را داد. طبیعتا این کار کاربران را از خطر ردیابی با استفاده از داده‌های ارسال شده توسط دستگاههای شخصی محافظت میکند.
برخی از دستگاهها به منظور حفظ امنیت در حین جفت شدن با دستگاهی دیگر به کد احراز هویت نیاز دارند، چنین کدی تضمین میکند که دستگاهی که با آن جفت شده‌اید کاملا قابل اطمینان است. به عنوان مثال، بسیاری از خودروها به شما این امکان را می‌دهند که بدون اینکه دست خود را از روی فرمان بردارید، تماس بگیرید. در این نوع سیستم‌ها اولین باری که می‌خواهید گوشی هوشمند خود را با سیستم صوتی خودرو جفت کنید، خودرو کدی را به شما میدهد تا در گوشی خود تایپ کنید در چنین حالتی گوشی شما با یک کد امنیتی به خودرو متصل شده است و امنیت شما حفظ میشود.
منبع: HowStuffWorks
