Bluetooth Smart: An Enabling Technology for
the Internet of Things
Abstract
The past couple of years have seen a heightened interest in the Internet of Things (IOT), transcending industry, academia and government. As with new ideas that hold immense potential, the optimism of IOT has also exaggerated the underlying technologies well before they can mature into a sustainable ecosystem. While 6LoWPAN has emerged as a disruptive technology that brings IP capability to networks of resource constrained devices, a suitable radio technology for this device class is still debatable. In the recent past, Bluetooth Low Energy (LE) - a subset of the Bluetooth v4.0 stack - has surfaced as an appealing alternative that provides a low-power and loosely coupled mechanism for sensor data collection with ubiquitous units (e.g., smartphones and tablets). When Bluetooth 4.0 was first released, it was not targeted for IP-connected devices but for communication between two neighboring peers. However, the latest release of Bluetooth 4.2 offers features that makes Bluetooth LE a competitive candidate among the available low-power communication technologies in the IOT space. In this paper, we discuss the novel features of Bluetooth LE and its applicability in 6LoWPAN networks. We also highlight important research questions and pointers for potential improvement for its greater impact.
Keywords
Bluetooth Smart, Bluetooth 4.2, Low Energy, Internet of Things, Research Challenges
I. INTRODUCTION
The Internet of Things (IOT) is envisioned as a large scale network of physical devices. The IOT is a vision where in anything in the physical world can be digitally
represented and connected together. It is largely being driven by the trends in data/device proliferation, net- working, cloud and community computing. The current
assumption here is of a few hundreds of connected devices in any given localized physical space; however, we would soon be witnessing an immense proliferation of such devices on the scale of tens of thousands. Of the many possible design directions to achieve such scale and densities at affordable costs, a very interesting one suggests piggybacking on existing and widely adopted standards and techniques; and using a combination of lsquo;reallyrsquo; cheap sensing/networking platforms and highly functional gateways (possibly themselves mobile). Pushing down the cost would potentially result in devices that are much more constrained in terms of energy and communication capabilities than the current state-of-the-art.
Of the few available energy and communication constrained technologies, Bluetooth Low Energy (LE) 1specified in Bluetooth v4.0 - is an appealing alternative. Bluetooth LE, in addition to combining a standardized communication technology designed for low-power systems and a new sensor-based data collection framework, offers easy integration with most handheld devices (such as smartphones and tablets), something that conventional wireless sensor networks are still working towards. Figure 1 shows a network architecture of Bluetooth LE-enabled IOT devices accessed through a smartphone.
In this paper, we discuss the novel attributes of Bluetooth LE that make it an enabling technology for the IOT. The latest Bluetooth 4.2 release has many new features such as IP profile, government-scale 2 security, and enhanced privacy, which make Bluetooth LE a disruptive technology for the IOT. This paper also highlights open research challenges and limitations of Bluetooth LE. In order to take full advantage of Bluetooth LE in the IOT, issues such as Bluetooth Smart mesh, multicasting, secure broadcast, open hardware and open source software, and provision of 6LoWPAN capabilities in smartphones should be addressed. Last but not least, we discuss implementing Bluetooth Smart for IOT devices.
The rest of the paper is organized as follows. We describe novel Bluetooth LE features and implications of those in the IOT in Section II. In Section III, we discuss available Bluetooth LE implementations and their suitability in the IOT. Section IV presents open research challenges in the Bluetooth LE-connected IOT. Finally, Section V concludes this paper.
II. BLUETOOTH 4.2: NOVEL FEATURES AND IMPLICATIONS
Until Bluetooth 4.1, the primary target applications of Bluetooth in connection mode consisted of a pair of consumer devices communicating with each other over a low-power radio such as a TV and remote control, a smart watch and smartphone, and a headset and music player. Applications using the Bluetooth LE broadcast mode can use the communication from different nearby Bluetooth LE dongles and provide a set of new functionalities such as localization. Bluetooth 4.1 offers no significant differences over Bluetooth 4.0 that enable widespread use in new domains. In contrast, the new Bluetooth 4.2 has novel features that make Bluetooth LE a promising enabling technology for the IOT.
Bluetooth 4.2 was realized in December 2014, and from then on, it is being pushed as a protocol for the IOT. In this section we highlight the features that make Bluetooth LE one of the most favorable technologies to be used in constrained devices in the IOT. Above all, the Bluetooth LE out-of-the-box support in most smartphones eliminates the need of gateways such as 6LoWPAN border routers to connect Bluetooth LE devices with the Internet. This means that we can easily use any Bluetooth LE supported smartphone as a Bluetooth LE gateway to the Internet. Bluetooth 4.2 is not yet supported in smartphones but most high-end smartphones already have support for 4.1; therefore, we expect 4.2 upgrade to be available in new smartphones soon.
A. Internet connectivity: Internet Protocol Support Profile
Though it is compatible with Bluetooth 4.1, the Internet Pr
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蓝牙智能：一种物联网使能技术
摘要
过去几年来，人们对物联网（IOT）的兴趣越来越高，超越了业界，学术界和政府。与极具潜力的新想法一样，物联网的乐观主义也在底层技术成熟为可持续生态系统之前就已经夸大了。虽然6LoWPAN已经成为颠覆性的技术，为资源受限设备的网络带来IP能力，但是这种设备类是否是合适的无线电技术仍值得商榷。近几年，蓝牙低能量(LE)-蓝牙v4.0栈的子集-表面上是一种有吸引力的选择,它提供了一个低功耗传感器数据收集和松散耦合的机制与普遍存在的单位(如智能手机和平板电脑)。蓝牙4.0第一次发布时,它并不是针对ip连接的设备,而是两个相邻对等体之间的通信。然而,最新版本的蓝牙4.2提供了一些特性,使得蓝牙LE有竞争力的候选人在物联网空间中可用的低功耗蓝牙通信技术。在本文中,我们讨论蓝牙LE的新颖特性及其在6LoWPAN网络中的适用性。我们还强调其进行改进的重要研究问题和指针以使其更具影响力。
关键词
蓝牙智能，蓝牙4.2，低能耗，物联网，研究挑战
I.引言
物联网（IOT）被设想为大规模物理设备网络。物联网是一个愿景，在物理世界中的任何东西都可以数字化、表示和连接在一起。这在很大程度上是由数据/设备扩散，网络，云计算和社群计算的趋势驱动。目前这里假定在任何给定的局部物理空间中有几百个连接的设备;然而，我们将很快目睹这种设备的将以达数万的规模巨大扩散。在许多可能的设计方向中将以可承受的成本实现这种规模和密度，一个非常有趣的设计方案建议利用现有和广泛采用的标准和技术，并使用“真正”廉价的传感/网络平台和高功能网关（可能本身是移动的）相组合。压低成本可能会潜在的导致设备在能量和通信能力方面比当前技术水平更受限制。
在少数可用的能量和通信约束技术中，蓝牙低能量(LE)中指定的蓝牙v4.0是一种很有吸引力的选择。蓝牙LE除了结合设计用于低功率系统的标准化通信技术和新的基于传感器的数据收集框架之外，还能够与大多数手持设备（如智能手机和平板电脑）轻松集成，,当然传统的无线传感器网络的东西仍在工作。图1显示已启用蓝牙（LE）的物联网设备通过智能手机访问的网络体系的结构。
本文中，我们讨论了蓝牙LE的新特性，使其成为一个物联网使能技术。最新的蓝牙4.2版本有许多新功能，如IP配置文件，政府规模的安全性和增强的隐私，这使得蓝牙LE成为物联网的颠覆性技术。本文还强调了开放研究蓝牙LE的挑战和限制。为了在物联网以充分利用蓝牙LE，诸如蓝牙智能网、组播、安全广播，开放的硬件和开源软件以及智能手机提供的6LoWPAN能力应解决的问题。最后但并非最不重要的，我们讨论了实现蓝牙智能的物联网设备。
本文的其余部分组织如下，在第二部分，我们描述新颖的蓝牙LE特性和在物联网中的影响。在第三部分，我们讨论可用的蓝牙LE实现及其在物联网中的适用性。在第四部分中提出了蓝牙LE连接物联网的开放研究挑战。 最后在第五部分总结了本文。
II．蓝牙4.2：新颖的特点及影响
直到蓝牙4.1, 蓝牙在连接模式中的主要目标应用包括通过低功耗无线电相互通信的一对消费设备，诸如电视和远程遥控器，智能手表和智能手机以及耳机和音乐播放器 。使用蓝牙LE广播的模式的应用程序可以使用附近的不同的蓝牙LE连接器通信和并提供了一整套新的功能，如定位。蓝牙4.1与蓝牙4.0没有明显的区别，它们都可以在新域中广泛使用。但是相比之下，新的蓝牙4.2具有新颖的功能，它使蓝牙LE在成为有前途的物联网使能技术。 蓝牙4.2在2014年12月实现，从那时起，它被推作为物联网的一个协议。 在本节中，我们重点介绍使蓝牙LE在物联网中用于受限设备成为最实用技术之一的特性。 最重要的是，大多数智能手机的蓝牙LE支持开箱即用，无需使用6LoWPAN边界路由器等网关连接蓝牙LE设备和互联网。 这意味着我们可以轻松地使用任何蓝牙LE支持的智能手机作为到互联网的蓝牙LE网关。 智能手机尚不支持蓝牙4.2，但大多数高端智能手机已经支持4.1; 因此，我们预计4.2升级将很快在新的智能手机上可用。
A.互联网连接：互联网协议配置文件的支持
虽然它与蓝牙4.1兼容，互联网协议支持配置文件（IPSP）与蓝牙4.2一起发布。IPSP提供支持启用ipv6蓝牙核心和外围发现彼此并建立一个链路层连接。蓝牙LE通用属性配置文件（GATT）有助于发现是否支持IPSP，并且使用蓝牙LE L2CAP信用流控制模式来交换数据。通过GATT，IP支持服务（IPSS）用于确定对IPSP节点的支持作用。虽然以前有努力连接蓝牙LE设备与因特网，Nieminen等人在IETF草案中讨论了通过蓝牙LE发送IPv6数据包的标准化方式。他们解释了6LoWPAN技术的使用以及6LoWPAN和蓝牙LE之间的联系。他们使用6LoWPAN报头压缩机制来适应蓝牙LE;而不建议使用6LoWPAN碎片，而是依靠蓝牙L2CAP碎片机制。
上述两个标准文件解释了在作为物联网的组成部分的6LoWPAN网络中使用蓝牙LE。在图2中，我们显示出了在蓝牙LE连接的物联网基础设施中的受限设备中的协议栈。为了支持6LoWPAN压缩的蓝牙LE通信，节点侧和智能手机侧必须实现6LoWPAN报头压缩机制，以及蓝牙LE标准。目前，智能手机没有6LoWPAN标准的开箱即用支持。为了在蓝牙LE中充分利用6LoWPAN，我们预计，随着智能手机蓝牙4.2升级将包括支持6LoWPAN。 在节点端，6LoWPAN和蓝牙LE已经存在多种实现，例如Contiki OS（用于物联网的操作系统）支持6LoWPAN和蓝牙LE。
即将推出的称为HTTP代理服务（HPS）和RESTFUL API的蓝牙GATT服务将进一步补充蓝牙LE设备与互联网的连接性。 在物联网域中，COAP协议相对于HTTP更轻量级并且适用于受限设备。 我们希望蓝牙4.2将扩展与所谓COAP代理服务或类似; 或者说定义一个通用的代理服务,可以与不同的网络协议扩展例如COAP,HTTP,MQTT,web Sockets等等。从图2可以看出，IPSS已经可以用于运行COAP蓝牙LE连接物联网运行的协议或其他网络协议。针对于无缝IP体验，而不是代理服务，我们更喜欢使用IPSS和IP / 6LoWPAN一直到蓝牙LE网关。
B.增强的安全性
为了提高能量效率，与标准蓝牙相比，蓝牙LE最初具有较弱的安全性。 与蓝牙4.1及更早版本不同，蓝牙4.2具有强大的安全性，使蓝牙LE安全级别与标准蓝牙级别相同。 对于密钥管理，蓝牙4.2配备了工业规模的非对称椭圆曲线密码体制（ECC）与FIPS推荐的椭圆曲线。 它还使用FIPS的批准的AES-CCM加密技术进行消息加密。 目前，蓝牙4.2中的安全特征提供了两个相邻设备之间的安全性。 这种链路层安全性可以保护无线链路免受被动窃听，并且在一些情况下，根据设备的显示器/键盘的可用性，防御中间人（MITM）攻击。
C.增强的隐私性
当前互联网上的个人隐私已经令人生畏; 在物联网中，日常的各种智能对象围绕着人类，这使个人隐私更具挑战性。主要是由于缺乏大企业的兴趣，隐私保护的技术标准几乎是不存在的。另一方面，蓝牙LE包括自蓝牙4.0起的隐私保护功能。 蓝牙4.2具有增强的隐私保护功能（下面讨论），消耗更少的功率，这增加了采用蓝牙LE作为低功耗物联网设备的技术的机会。
自蓝牙4.0，蓝牙LE支持频繁地改变蓝牙设备地址（称为专用地址），以限制在一段时间内跟踪蓝牙LE设备的能力。要与另一设备建立连接，蓝牙LE设备必须能够解析使用在绑定过程期间共享的解析识别密钥（IRK）生成的私有地址。除了主机中的私人地址解析（蓝牙4.1支持）外，蓝牙4.2在控制器中添加了专用地址解析。此外，蓝牙4.2支持在控制器的私有地址的白名单。这意味着链路层的控制器可以解析和生成私有地址，而不涉及主机，并且可以接受和拒绝访问白名单的传入请求。这将大大降低了唤醒主机（即蓝牙LE芯片）的频率，从而消耗较少的功率。当涉及主机时，例如当控制器无法存储所有IRK时，必须禁用设备过滤，因为设备过滤会导致更高的功耗。
D.增强的分组容量和速度
蓝牙4.2的突出特征之一是增加了蓝牙LE分组容量，与蓝牙4.1 LE（从27字节到251字节）相比，几乎是10倍。 此外，蓝牙4.2 LE的数据吞吐量增加到2.5倍。 这种增加的容量促进有效的通信并且开启蓝牙LE使用的新的可能性。 例如，由于增加的分组大小，IP通信在蓝牙LE设备中变得高效。 对增加的容量的进一步使用是：快速和频繁的固件更新，运行因特网安全和通信协议的能力，以及传感器数据日志到计算后端（计算机，智能电话或云）的快速上传。
由于增加的数据包大小和吞吐量，可以在蓝牙LE上运行物联网安全（如数据报TLS），路由（如RPL）和网络（如IPv6）协议。 在基于IEEE 802.15.4的6LoWPAN网络中，当MTU大小超过127字节时，设备必须执行分组分段和组装，导致更高的能量消耗。 当IEEE 802.15.4安全性被启用时，这变得更糟，因为加密和完整性保护被应用于每个片段而不是每个分组。 在蓝牙LE启用的6LoWPAN网络中，我们甚至可以在单个数据包中捆绑不同的消息（例如DTLS握手航班[11]），这使得蓝牙LE更节能，快速，可靠（由于减少了数据包丢失） 基于802.15.4的6LoWPAN网络。
在IEEE 802.15.4 6LoWPAN网络、设备进行数据包的分段和组装时的MTU大小超过127字节，导致更高的能源消耗。这变得更糟时，IEEE 802.15.4启用安全性，加密和完整性保护是适用于每一个片段，而不是在每个包。在启用蓝牙LE 6LoWPAN网络，我们甚至可以把不同的信息（例如DTLS握手航班[ 11 ]）在一个单一的数据包，这使得蓝牙LE相比于IEEE 802.15.4 6LoWPAN网络更节能、高效、快速、可靠（由于减少了丢包）。
III．为物联网设备实现蓝牙智能
根据蓝牙标准，蓝牙LE设备的最小实现覆盖四个最低层和相关协议，以及安全管理器和属性协议。主机控制器接口（HCI）提供了自然的编程接口，大致将功能划分为主机上的应用和控制器上的系统服务，并且促进可互操作的主机和控制器的开发。然而，商用片上系统上蓝牙LE设备的实际实现涉及细粒度的HW-SW共设计，其平衡了性能，功耗和可编程性。而控制器API通常与主机侧软件一起作为源代码提供给开发者，而控制器被实现为具有对无线电的独占访问的固件。该固件二进制和PHY层的紧密集成有助于芯片供应商进行的性能优化和低功率操作。然而，主要供应商提供的固件库的近源性质成为第三方创新的阻碍。这并没有阻止充满活力的物联网社区将这些芯片与开源嵌入式操作系统和工具集成， TI CC2650的端口到Contiki操作系统。尽管提供的蓝牙LE控制器固件的二进制形式，在某些供应商的数据表中公开的寄存器级别的细节对想要实验自己的蓝牙LE实现的雄心勃勃的开发人员敞开大门。
蓝牙LE的低功耗，低数据速率特性简化了无线电流量监控的要求，从而简化了协议调试和故障诊断; 另一方面，更简单的物理层和链路层使分组和连接很容易被恶意攻击者窃听。 开源Ubertooth项目已经开发出低成本硬件和免费软件用于蓝牙LE流量嗅探器和注射器。 Ryan使用Ubertooth证明了对蓝牙LE使用的弱密钥交换协议的有效攻击。
利用无连接广播模式，蓝牙LE有潜力大幅部署极低复杂度的无线传感器。 苹果的 iBeacon是基于仅广播蓝牙LE设备的位置服务。 蓝牙LE广播不见得比使用任何2.4GHz无线电的GFSK调制以1Mbps发送的短广告数据包更复杂。 业余爱好者已经成功地使用低成本的Arduino和nRF24L01 无线电来创建蓝牙LE广播。 我们自己将Contiki操作系统移植到基于Renesas RL78G14的平台，并使用nRF24L01 生成蓝牙LE广播。
IV.开放研究挑战
虽然蓝牙智能提供的功能，使其成为物联网的一项技术，仍有尚未解决的开放研究问题，我们才能充分利用其潜力。 我们讨论这些开放研究问题及其在物联网领域的重要性。
A.蓝牙智能网
蓝牙智能受到诸如较短的传输距离，有限的覆盖范围和仅对（一跳）对等通信的支持的因素的限制。这里无线网状网络技术可以使得蓝牙智能能够显着地扩展其覆盖范围。然而，将蓝牙网络重新分解为网格布置具有许多挑战。
蓝牙的网络基础植根于微微网（主从）架构。 蓝牙v4.1通过引入散布网络拓扑，使一个或多个从节点的主节点同时成为另一节点的从节点，从而对该模型带来根本性改变。 虽然多跳跃拓扑的基础可以在这个新标准中见证，但是基于固有微微网的非对称网络模型不允许节点无需建立主—从连接而进行无缝通信。
网状网络是物联网的一个组成部分。 许多应用程序依赖网格功能来提供更少的物联网体验; 例如智能家居中的智能照明和空气调节系统，工业环境中的过程自动化，智能城市中的连接的智能车辆，环境监测等。因特网工程任务组（IETF）已经标准化物联网协议以支持受限环境中的网格能力。 例如，RPL是用于支持网状网络的物联网的路由协议。 蓝牙智能不支持网状网络，但它的需要在蓝牙社区认真感受。 因此，一个新的蓝牙智能网格WG已经形成规范的网格功能。 这项工作仍处于初始阶段，欢迎对未来的蓝牙智能网提供不同建议。
B.保护蓝牙智能网
蓝牙在链路（LE安全模式1）和ATT（LE安全模式2）层提供安全服务，用
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