BLE 책정리 - 1 : 표준규격, 구성요소, 네트워크 토폴로지

1. 표준 규격 기반 지원

표준 규격

1)  BR/EDR (기존 블루투스)

블루투스 1.0부터 진화하고 있는 무선 표준 규격

 

2) BLE (저전력 블루투스)

버전 4.0과 함께 소개된 저전력 무선 표준 규격

 

디바이스 유형

 

1) Bluetooth Smart (BLE, 단일모드) 디바이스

 BLE를 구현한 디바이스로써 단일모드와 듀얼 모드 디바이스들과 통신할 수 있지만 BR/EDR만 지원하는 디바이스는 불가능하다.

 특정한 정보를 수집해 Bluetooth Smart Ready 디바이스로 보내기 위해만들어진 디바이스이다.

  ex: 심박 모니터, 스마트 워치, 창문 및 현관 보안 센서, 자동차 키 체인, 혈압 팔찌 등

 

2) Bluetooth Smart Ready (BR/EDR/LE, 듀얼모드) 디바이스

 BR/EDR과 BLE를 모두 구현한 디바이스로 어떤 블루투스 디바이스와도 통신할 수 있다.

 현재 시장에 나와있는 수억 종의 Bluetooth 디바이스들에 대한 역방향 호환성을 가진다.

 클래식 Bluetooth 디바이스 및 Bluetooth Smart 디바이스들로부터 데이터를 받아 유용한 정보로 변환시키는 Bluetooth 시스템의 허브라고 할 수 있다.

  ex: 스마트폰, 태블릿, PC, TV, 셋탑박스, 게임 콘솔 등

 

 

2. 주요 구성요소

(블루투스 프로토콜 스택을 구성하는 여러 프로토콜 계층에 대해 배울 때 나오겠지만, 여기서는 모든 블루투스 장치의 주요 구성요소 세가지를 간략하게 설명)

 

애플리케이션

 특정한 쓰임새를 다루는 블루투스 프로토콜 스택과 연계하는 사용자 애플리케이션

 

호스트

 블루투스 프로토콜 스택의 상위 계층

 

컨트롤러

 무선을 포함한 블루투스 프로토콜 스택의 하위 계층

 

 

표준 규격은 다른 회사에서 제조된 호스트와 컨트롤러의 상호운용성을 허용하기 위해

호스트와 컨트롤러 사이에 표준 통신 프로토콜 HCI(Host Controller Interface)를 제공한다.

이 계층은 단일 집적 회로(IC)나 칩으로 구현되거나, 통신 계층을 통해 연결된 여러 IC들에 분할될 수 있다.

 

 

시중에서 판매되는 가장 일반적인 세 가지 하드웨어 구성

SoC (System on Chip)

 애플리케이션, 호스트, 컨트롤러를 실행하는 단일 IC

 

HCI를 통한 듀얼 IC

 하나의 IC가 애플리케이션과 호스트를 실행시키고, HCI를 사용하여 컨트롤러를 실행시키는 두 번째 IC와 통신한다.

 >> HCI가 블루투스 규격에 의해 정의됐기 때문에 모든 호스트가 어떠한 컨트롤러와도 결합될 수 있다.

 

연결 장치와 듀얼 IC

 애플리케이션을 실행하는 하나의 IC가 호스트와 컨트롤러에서 모두 실행되는 두 번째 IC와 독점적인 프로토콜을 사용하여 통신한다.

 >> 표준 규격이 프로토콜 같은 것은 포함하지 X -> 애플리케이션은 반드시 선택된 벤더의 특정한 프로토콜로 조정되어야 한다.

 

(책 p.8쪽에 그림 1-2를 참고하면 이해가 쉽다.)

 

스마트폰과 테블릿은 주로 HCI를 통한 듀얼 IC를 사용. (이미 프로토콜 스택 실행을 위한 강력한 CPU를 갖고있기 때문)

연결장치 구성을 가진 듀얼 IC는 특화된 마이크로컨트롤러를 가진 시계 같은 것이 사용.

 

 

3. 네트워크 토폴로지

1) Advertise Mode (방송 모드, Broadcast Mode)

설명 

전송된 데이터를 픽업할 수 있는 그 누구에게라도 편도로 데이터를 보낼 수 있게 한다.

 특정 디바이스를 지정하지 않고 주변의 모든 디바이스에게 Signal을 보낸다.

 

 

 

디바이스의 역할 구분

• Broadcaster (Advertiser) : 비접속 게시 패킷을 받고싶어 하는 자에게 주기적으로 패킷을 보내는 디바이스
• Observer : 비접속 게시 패킷을 수신하기 위해 주기적으로 스캐닝하는 디바이스

특징

빠르고 사용하기 쉽다. 

한번에 한 개 이상의 디바이스와 통신할 수 있는 유일한 방법이다.

정해진 시간이나 다중 디바이스들에 소량의 데이터만 밀어넣고 싶을 때 좋은 선택이다.

시그널을 일방적으로 뿌리는 것이기 때문에 보안에 취약하다.

 

 

2) Connection Mode (연결 모드)

설명

양방향 데이터 전송, 수용 가능한 게시 페이로드 보다 더 많은 데이터가 있는 경우 사용

두 디바이스 사이 패킷들의 영구적, 주기적 데이터 교환을 말한다. 

 

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

디바이스 역할 구분

• 중앙장치 (Master/Central) : 다른 디바이스와 연결을 맺기 위해 게시 패킷(시그널)을 주기적으로 스캔하다가, 적절한 디바이스에 연결을 요청한다. 연결이 설정되면 **타이밍을 관리하고 주기적인 데이터 교환을 주도한다.  (**타이밍이란 두 디바이스가 매번 같은 채널에서 데이터를 주고 받기 위해 정하는 hopping 규칙)
• 주변 장치 (Slave/Peripheral) : 정기적으로 접속 가능한 게시 패킷(시그널)을 보내고 들어오는 연결을 수용하는 장치. 일단 한번 활성화된 연결에서 중앙 장치의 정기적인 타이밍과 함께 정기적인 교환 데이터를 따른다.

연결이 설정되고나면 슬레이브는 Advertising을 멈추고 양방향으로 데이터 교환을 시작할 수 있다.

연결은 관련된 두 피어 사이의 시간에 어떤 특정 지점(연결 이벤트)에서의 데이터의 주기적 교환에 지나지 않는다.

 

특징

방송 모드 처럼 '일대 다' 방식이 아닌 '일대 일' 방식이다.

디바이스간에 Channel hopping 규칙을 정해놓고 통신하기 때문에 방송 모드보다 안전하다.

(연결에 관련된 두 Peer 사이에서만 데이터가 송수신 되고 다른 디바이스가 마구잡이로 스니핑을 하지 않는 한, 연결은 본질적으로 비공개)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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References

https://medium.com/@zoyi_product/bluetooth-low-energy-ble-84b03705ffca