Bluetooth Low Energy: vous saurez tout

Avec l’essor de l’IoT, le Bluetototh Low Energy a fait son apparition en permettant à des objets de communiquer avec votre smartphone : thermomètres, bracelets d’activité, mais aussi piloter votre cafetière préférée. Néanmoins, ce protocole radio reste souvent mystérieux pour les utilisateurs et les développeurs.

Cette présentation démystifiera son fonctionnement, son avenir avec l’arrivée du Bluetooth 5.0 et son implémentation sur les plateformes mobiles. Pour les plus bricoleurs de l'auditoire, nous verrons également comment créer rapidement son propre périphérique BLE en utilisant un kit de développement grand public.

Transcript

1. Bluetooth LE, vous saurez tout ! SNOWCAMP 2017 Alexis DUQUE, Rtone
2. About Me Alexis Duque Ingénieur Software embarqué/mobile/web/R&D chez Rtone Doctorant au laboratoire CITI, INSA de Lyon @alexis0duque alexisduque alexisd@rtone.fr
3. Au programme • Comprendre le protocole BLE et ses évolutions • Concevoir son périphérique Bluetooth • Développer une application mobile • Éviter les pièges !
4. Un peu de théorie … juste un peu :-)
5. Bluetooth 1994 Harald Blåtand 24 MBit/s Portée de 1m à 100m Standardisé par le Bluetooth SIG
6. Bluetooth Low Energy 2010 Faible débit et faible conso. ~50 kbps Portée de 10m à 50m Faible latence (~10ms) et protocole “non connecté” Chip radio presque toujours OFF Très petits paquets : MTU de 20 octets pour 4.0
7. Classic Bluetooth + Bluetooth LE.
8. En faire bon usage ....
9. La couche PHY • Modulation GFSK 1 Mbps • Bande passante de 220KHz à 1MHz • RF 2.4 GHz (ISM) découpant en 23->79 canaux • Frequency Hopping (1600 hops/sec) • Time Division Duplex mode • Puissance en Tx 0.1 watt • Distance : 10m à 50m • 7 liens possibles (configuration en étoile)
11. Topologie
12. Topologie Master Client Centrale Scanner Initiateur
13. Topologie Slave Périphérique Advertiser GATT Serveur
14. Advertising Broadcast et non connecté Informations sur le périphérique 31B de payload custom 2 types : ADV_DATA et SCAN_RESPONSE
15. 4 paramètres à retenir Connection Interval Supervision Timeout Slave Latency Advertising Interval
17. Low Power ?
18. Consommation Très Variables ! En veille : quelques uA Advertising : 30 uA => 1 an avec une pile CR2032 Scan : 20 mA Connecté et actif : 750 mA
19. Ecrire une caractéristique Client Write Request Server Confirmation Client Write Command Server
20. Lire une caractéristique Valeur Client Read Request Server
21. Les Notifications Client Indication Server Confirmation Client Notification Server
22. Les évolutions 2010 2013 2017 2011
23. Bluetooth 4.0 -4.1 (2010 - 2013) 1er version de Bluetooth Low Energy version Orienté bas débit, faible latence, basse conso Mise à jour mineurs en 2013 : 4.1 • Support du multi rôle
24. Bluetooth 4.2 • Support de l’IPv6 et Bluetooth 6LoWPAN • Secure pairing: (AES-CCM + ECDH) • Privacy • Réduction de la consommation • Encore + rapide : débit x 2.5 • Data Length Extension: taille des paquets x 10 • Voice-over-BLE
25. Sécurité Bluetooth Low Energy Security ?
26. Lockpicking in the IoT, Chaos Communication Congress “75 Percent of Bluetooth Smart Locks Can Be Hacked” How to hack a smartlock ? Nulock Keyless Matthew Garrett .... “The password is sent unencrypted” … “There's a command that resets the password to 123456” ...
27. LE Legacy – Problèmes Mike Ryan (2013) La clé LTK est transmise over-the-air La clé TK est vaut O en “Just work” Protection contre le Passive Eyesdropping Protection contre MITM
28. LE Security Mode 1 Bluetooth 4.0, 4.1 4 modes • No Security – No Authentication and No Encryption • Unauthenticated pairing + encryption • Authenticated pairing + encryption • Authenticated LE Secure Connections pairing + encryption
29. LE Security Mode 2 2 modes • Unauthenticated pairing with data signing • Authenticated pairing with data signing
30. LE Secure Connections – Elliptic Curve Diffie Hellman Échange des clés publiques/privées avec le protocole ECDH AES-CMAC pour l’authentification Protection contre le Passive Eyesdropping Protection contre MITM
31. LE Secure Connections – Elliptic Curve Diffie Hellman
32. Les outils
33. Les Sniffers TI CC2540 USB Ubertooth
34. TI CC2540 USB
35. Ubertooth
36. Les applications mobiles
37. Les applications mobiles
38. BTSnoop HCI Log adb pull /sdcard/btsnoop_hci.log open-bluedroid-log.sh
39. Côté embarqué
40. Quelques plateformes nRF52 DK ~ 50€ ReadBearLab nRF51822 ~ 40€
41. Quelques plateformes RaspberryPi 3 ~40€ Intel Edison ~70€
42. https://github.com/sandeepmistry
43. Nordic nRF52 DK Notre code Stack et librairie BLE précompilée Cortex-M4
44. Nordic nRF52 DK Notre code Stack et librairie BLE précompilée
45. Plusieurs possibilités Programmer la carte avec les binaires du SDK Utiliser la plateforme MBED Utiliser les projets d’exemple du SDK Nordic avec Eclipse, Keil ou IAR Utiliser l’application nRF Connect https://devzone.nordicsemi.com/tutorials/
46. nRF Connect for Desktop
47. https://developer.mbed.org
48. Programmer l’eval board avec nRF Go Studio
49. Côté smartphone
50. Un sérieux problème http://opensignal.com/reports/2015/08/android-fragmentation/
51. Différentes approches
52. Android https://developer.android.com/guide/topics/con nectivity/bluetooth-le.html Supportée depuis 4.3 - API 18 - Jelly Bean Mode Central uniquement Stable depuis 5.1 - API 21 - Lollipop Mode Périphérique (advertiser) depuis Lollipop
53. iOS https://developer.apple.com/bluetooth/ CoreBluetooth Intégré à CoreBluetooth depuis iOS 8 Mode Périphérique (advertiser) Mode Central
54. Plugin Cordova iOS, Android, Windows Phone (Presque) tout est faisable … backgound mode Ne pas hésiter à mettre la main à la patte https://github.com/randdusing/cordova-plugin-bluetoothle https://github.com/don/cordova-plugin-ble-central Apache 2 MIT
55. Comparaison Fonctionnement et esprit similaires : NSLog(@"Reading value for characteristic %@", interestingCharacteristic); [peripheral readValueForCharacteristic:interestingCharacteristic]; … (void)peripheral:(CBPeripheral *)peripheral didUpdateValueForCharacteristic:(CBCharacteristic *)characteristic error:(NSError *)error { NSData *data = characteristic.value; // parse the data as needed … } final BluetoothGattCharacteristic characteristic; final BluetoothGatt gatt = mBluetoothGatt; LOG.d(TAG, "Reading value for characteristic " + characteristic); gatt.readCharacteristic(characteristic); … @Override public final void onCharacteristicRead(final BluetoothGatt gatt, final BluetoothGattCharacteristic characteristic, final int status) { if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS) { // parse the data as needed } } ble.read(device_id, service_uuid, characteristic_uuid, success, failure);
56. Les étapes Scanner les périphériques à portée Se connecter utilisant l'adresse BD ou l’UUID Découvrir les services et caractéristiques disponibles Sauvegarder les handles, pour les réutiliser ! Écrire, lire ou souscrire aux notifications Ne pas oublier de (bien) se déconnecter
57. PRO Tips Pour Android mais très souvent valables pour iOS
58. Ne pas oublier les permissions Dans le manifest, dont ACCESS_COARSE_LOCATION depuis API21 <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH"/> <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN"/> <uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION"/>
59. Demander les permissions Au runtime et avant de démarrer le scan String LOCATION_PERMSISSION = Manifest.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION; private void checkForLocationPermissionsAndScan() { if (ContextCompat.checkSelfPermission(this, LOCATION_PERMSISSION) == PackageManager.PERMISSION_GRANTED) { if (!isBleEnabled()) { // REQUEST BLE PERMISSION } else { // START SCAN } } else { ActivityCompat.requestPermissions(this, new String[]{LOCATION_PERMSISSION}, REQUEST_ACCESS_COARSE_LOCATION); } } @Override public void onRequestPermissionsResult(int requestCode, String permissions[], int[] grantResults) { // HANDLE RESULT }
60. Ne pas utiliser auto-connect Le comportement est très variable selon les modèles de smartphone public void connect(final BluetoothDevice device) { if (mConnected) return; if (mBluetoothGatt != null) { mBluetoothGatt.close(); mBluetoothGatt = null; } final boolean autoConnect = false; mUserDisconnected = !autoConnect; // We will receive Linkloss events only when the device is connected with autoConnect=true mBluetoothGatt = device.connectGatt(mContext, autoConnect, getGattCallback()); }
61. Toujours découvrir les services Après s’être connecté correctement @Override public final void onConnectionStateChange(final BluetoothGatt gatt, final int status, final int newState) { if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS && newState == BluetoothProfile.STATE_CONNECTED) { // Notify the parent activity/service mConnected = true; mCallbacks.onDeviceConnected(); mHandler.postDelayed(new Runnable() { @Override public void run() { if (gatt.getDevice().getBondState() != BluetoothDevice.BOND_BONDING) { gatt.discoverServices(); } } }, 600); // Add 600ms delay, Nordic Recommendation }
62. Attendre d’être prêt ! En utilisant la callback onServicesDiscovered @Override public void onServicesDiscovered(BluetoothGatt gatt, int status) { super.onServicesDiscovered(gatt, status); bleHandler.obtainMessage(MSG_SERVICES_DISCOVERED, gatt).sendToTarget(); } @Override public boolean handleMessage(Message msg) { switch (msg.what) { case MSG_SERVICES_DISCOVERED: // Discovery successful, fetch services, chars and descs... BluetoothGatt gatt = (BluetoothGatt) msg.obj; commService = gatt.getService(DATA_SERVICE_ID); inputChar = commService.getCharacteristic(INPUT_CHAR_ID); outputChar = commService.getCharacteristic(OUTPUT_CHAR_ID); break; } }
63. Ecrire 20 bytes maximum ! Sauf pour les devices qui supportent requestMtu() // Should always be called on our BLE thread! private void writeDataToChar(byte[] data) { if(data.length > 20) { throw new IllegalArgumentException(); } outputChar.setValue(data); gatt.writeCharacteristic(characteristic); } @Override public void onCharacteristicWrite(BluetoothGatt gatt, BluetoothGattCharacteristic c, int status) { if (status == BluetoothGatt.GATT_SUCCESS && c.getUuid().equals(outputChar.getUuid())) { // Write operation successful, proceed with next chunk! } }
64. Ne pas oublier le champ descriptor Lors de l’activation des notifactions private void enableDataNotifications(BluetoothGatt gatt BluetoothGattCharacteristic c) { gatt.setCharacteristicNotification(c, true); } // This is usually needed as well... BluetoothGattDescriptor desc = c.getDescriptor(INPUT_DESC_ID); // Could also be ENABLE_NOTIFICATION_VALUE desc.setValue(BluetoothGattDescriptor.ENABLE_NOTIFICATION_VALUE); gatt.writeDescriptor(desc); }
65. Déconnexion : close() vs disconnect() close() == "unregister app" disconnect() == fermer la connection Ne pas hésiter à faire les 2: gatt.disconnect(); gatt.close();
66. En cas d’erreur Ne pas avoir de se déconnecter, fermer la connexion et se connecter de nouveau : les erreur de type GATT_ERROR sont souvent irrécupérables Réinitialiser le BluetoothAdapter
67. En cas d’erreur Jeter un oeil au code source du Framework Logger les appels aux callbacks BluetoothGattCallback et leur paramètres mais ne pas mettre de breakpoint !
68. Background mode
69. Ce que l’on peut faire Scanner des périphériques Démarrer une app si un périphérique est détecté Même après redémarrage d’Android Android Beacon Library Google Nearby
70. Ce que l’on peut faire Scanner des périphériques Se connecter à des périphériques Lire/écrite des caractéristiques et recevoir des notifications Mais Il faut obligatoirement filtrer sur 1 service L’interval de scan est augmenté
71. Bluetooth 5.0
72. Bluetooth 5.0 Vitesse de modulation multipliée par 2 • Débit 5x sup. à 4.0 Augmentation des capacités d’advertising • Payload du Scan Response x7
73. Bluetooth 5.0 Portée multipliée par 4 : 50m en indoor et 200m en outdoor • Puissance Tx doublée • Nouveau codage PHY
74. Bluetooth 5.0 Meilleurs gestion des interférences et de la coexistence avec Wifi, et BLE
75. Bluetooth 5.0 Modification de la couche PHY Mais backward compatible Upgrade hardware du chip radio nécessaire
76. Bluetooth 5.0 Upgrade Hardware nécessaire ! 835
77. nRF5240 • Cortex M4 • NFC tag-A interface and antenna • ANT + BLE + 802.15.4
78. nFR5240 ARM Cryptocell-310 • Secure Element • Secure Boot • Secure/Authenticated Debugging • AES - Courbes Elliptiques
79. Merci Question ?