Linux : Bluetooth
Whats bluetooth?
블루투스(Bluetooth)는 근거리 무선 통신 기술의 하나로, 두 기기들 간에 중간 네트워킹 장비 없이 데이터를 주고받을 수 있게 해줍니다
Bluetooth는 크게 블루투스 클래식(Bluetooth Classic)과 블루투스 저에너지(Bluetooth Low Energy, BLE)로 구분된다.
간단하게 Bluetooth 3.0까지는 블루투스 클래식, 블루투스 4.0부터는 BLE이라고 부른다.
So, Whats the Bluetooth Low Energy?
Bluetooth Low Energy는 영어 그대로 저전력 블루투스이다.
블루투스 LE는 두 기기 간 점대점 통신 외에도 한 기기가 동시에 무제한 수의 수신기에 데이터를 전송할 수 있는 advertise mode를 지원하며, 수만 개의 기기가 네트워크를 형성하고 네트워크 내의 모든 기기가 서로 통신할 수 있는 블루투스 메시 네트워킹의 기반이 된다.
- 4.0버전 이전의 기술들은 쌍방향 통신을 통해 서로 데이터를 주고받는다
- 4.0버전도 여전히 가능하다.
- 하지만 단방향 통신도 가능하게 되었다는게 4.0의 특징이다.
- 이러한 단방향 통신은 블루투스 기기가 정보를 송신할수 있으면서도 수신하기 위해 대기할 필요가 없다는 뜻이다.
then, Linux and Bluetooth Architecture
해당 이미지는 리눅스 시스템 내에서 구현된 Bluetooth LE의 아키텍처를 보여준다.
헤당 아키텍처를 보다시피, 두가지 주요 구성 요소로 나눠진다. 크게 Host와 Controller로 나눠진다.
호스트(Host): 이 부분은 상위 레이어의 프로토콜과 응용 프로그램을 관리한다.
⇒이 부분은 주로 커널 영역에서 작동합니다. 커널은 BLE 스택의 여러 프로토콜과 프로파일을 구현하여, 하드웨어 및 운영 체제 간의 인터페이스 역할을 한다
- (GAP, Generic Access Profile): 기기 탐색, 연결 설정 및 보안 설정에 대한 절차를 정의한다.
- (GATT, Generic Attribute Profile): 블루투스 기기 간의 데이터 교환을 위한 서비스와 특성을 관리한다.
- (ATT, Attribute Protocol) 및 보안 관리 프로토콜(SMP, Security Manager Protocol): 속성 작업과 보안 기능을 각각 관리한다.
- (L2CAP, Logical Link Control and Adaptation Protocol): 데이터 캡슐화와 재조합을 용이하게 하여 상위 레이어 프로토콜과 응용 프로그램이 L2CAP 데이터 패킷을 송수신할 수 있도록 한다.
컨트롤러(Controller): 이 부분은 하위 레이어 프로토콜과 물리적 라디오 측면을 처리한다.
⇒컨트롤러 부분은 하드웨어 또는 컨트롤러 디바이스 자체
- (Physical Layer): 원시 라디오 신호의 전송과 수신을 다룬다.
- (Link Layer): 기기 연결 상태와 패킷 교환을 관리한다.
- (Isochronous Adaptation Layer): 음성이나 비디오와 같은 동기화된 데이터 스트림을 지원한다.
호스트와 컨트롤러는 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI, Host Controller Interface)를 통해 통신하며, 이는 호스트가 컨트롤러에 접근할 수 있도록 표준화된 통신 다리를 제공한다.
architecture of Bluetooth on Linux when using BlueZ
이 그림에서 볼 수 있듯이, BlueZ는 Bluetooth LE 스택의 Host 레이어를 구현하며, Controller는 일반적으로 컴퓨터의 일부로 통합되어 있거나 USB 블루투스 동글과 같은 주변장치 내에 구현된다.
⇒ 라즈베리 파이와 같은 기기에서는 통합된 칩 내에 Controller가 존재한다
Host 에서의 BlueZ와 Controller 내 블루투스 스택의 하위 레이어 간의 통신은 Host Controller Interface (HCI)라고 하는 표준 논리 인터페이스를 통해 이루어진다.
응용 프로그램은 GAP 및 GATT에 기반한 프로파일 및/또는 서비스를 구현하거나, 블루투스 메시 모델을 구현하여 블루투스 메시 네트워크에서 노드로 작동한다.
리눅스 컴퓨터가 GAP/GATT 응용 프로그램이나 블루투스 메시 노드를 호스트하는지에 따라, 두 가지 BlueZ 데몬 프로세스 중 하나가 실행되어야 한다.
=>GAP/GATT의 경우는 bluetoothd 가 해당된다.
⇒블루투스 메시의 경우는 bluetoothmeshd가 해당된다.
한 대의 컴퓨터에서 GAP/GATT와 블루투스 메시 노드를 동시에 사용할 수는 없다. 선택된 BlueZ 데몬은 호스트 애플리케이션을 대신하여 모든 HCI 통신을 직렬화하고 처리합니다.
그리고, 사진에 dbus-daemon이 있는데 이는 리눅스에서 D-Bus라고 하는 인터프로세스 통신(IPC) 시스템의 핵심 부분이다.
D-Bus
D-Bus는 동일한 시스템에서 실행 중인 여러 프로세스 간의 통신을 가능하게 한다. BlueZ의 경우 바로 위에 있는 사진을 보다시피, Bluetooth 데몬(bluetoothd)과 작성한 애플리케이션 간의 통신에 사용된다.
D-Bus의 주요 장점 중 하나는 대부분의 프로그래밍 언어가 D-Bus에 대한 바인딩을 제공하기 때문에, BlueZ API는 언어에 구애받지 않는다는 것이다. D-Bus 바인딩을 사용할 때는 다음 네 가지 정보를 알아야 한다
- 어느 버스(system 또는 session)에 서비스가 있는지
- 서비스의 버스 이름
- 메소드와 속성의 오브젝트 경로
- 메소드, 속성 또는 신호의 인터페이스
D-Bus에서 사용되는 정보 계층 구조는 특정 요소에 접근하기 위해 고유하게 식별하는 데 사용된다.
System Bus -> Bus Name -> Object Path -> Interface -> Method해당 구조는 D-Bus 상에서 메소드를 호출할 때 사용하는 종류의 콜 스택과 비슷하다고 생각하면 될거같다.
BlueZ API에 접근하려면 이 계층 구조를 따라 버스, 버스 이름, 객체 경로, 인터페이스, 메소드를 차례로 지정해야 한다. 이 정보들을 정확히 알고 있어야 D-Bus 바인딩을 통해 BlueZ API를 호출할 수 있다.
Buses
두 종류의 버스들이 존재한다.
- 사용자 로그인 세션을 위한
session bus - 시스템 서비스들에 접근을 제공하는
system bus- 시스템 서비스와 사용자 애플리케이션 간의 통신을 가능하게 한다.
- BlueZ 및 bluetoothd 접속을 위해 우리는 항상 시스템 버스를 사용한다.
Bus Name
나의 컴퓨터에서 사용 가능한 모든 시스템 D-Bus 이름을 보기 위해 아래 명령어를 실행해본다.
$ busctl list확인해 보면, 아래에 org.bluez가 있다. 이것은 BlueZ bluetoothd 정보에 사용됩니다.
Object Path
Object Path는 파일 시스템 경로처럼 보이지만, 실제로는 D-Bus 상의 고유 객체들을 식별하는 식별자입니다. 예를 들어, 리눅스 시스템에서 기본 블루투스 어댑터의 경로는 일반적으로 /org/bluez/hci0 이다.
l@ubuntu:~/Desktop$ busctl tree org.bluez
└─/org
└─/org/bluez
└─/org/bluez/hci0Interface
인터페이스를 메소드와 신호의 명명된 그룹으로 생각해라. D-Bus는 간단한 네임스페이스 문자열로 인터페이스를 식별한다다.
하나의 객체 경로에 여러 인터페이스가 있을 수 있다. 예를 들어, /org/bluez/hci0에는 다음과 같은 인터페이스가 있을 수 있다.
org.bluez.Adapter1
org.bluez.GattManager1
org.bluez.LEAdvertisingManager1
org.bluez.Media1
org.bluez.NetworkServer1
org.freedesktop.DBus.Introspectable
org.freedesktop.DBus.Properties해당 객체에 무엇이 있는지는 introspection을 통해 알아낼 수 있다. 아래 명령어를 통해 확인해보자.
$ busctl introspect org.bluez /org/bluez/hci0
NAME TYPE SIGNATURE RESULT/VALUE >
org.bluez.Adapter1 interface - - >
.GetDiscoveryFilters method - as >
.RemoveDevice method o - >
.SetDiscoveryFilter method a{sv} - >
.StartDiscovery method - - >
.StopDiscovery method - - >
.Address property s "58:1C:F8:F3:E1:10" >
.AddressType property s "public" >
.Alias property s "ubuntu" >
.Class property u 786432 >
.Discoverable property b false >
.DiscoverableTimeout property u 180 >
.Discovering property b false >
.Modalias property s "usb:v1D6Bp0246d0535" >
.Name property s "ubuntu" >
.Pairable property b false >
.PairableTimeout property u 0 >
.Powered property b true >
.UUIDs property as 7 "0000110a-0000-1000-8>
org.bluez.Media1 interface - - >
.RegisterApplication method oa{sv} - >
.RegisterEndpoint method oa{sv} - >
.RegisterPlayer method oa{sv} - >
.UnregisterApplication method o - >
.UnregisterEndpoint method o - >
.UnregisterPlayer method o - >
org.bluez.NetworkServer1 interface - - >
.Register method ss - >
.Unregister method s - >
org.freedesktop.DBus.Introspectable interface - - >
.Introspect method - s >
org.freedesktop.DBus.Properties interface - - >
.Get method ss v >
.GetAll method s a{sv} >
.Set method ssv - >
.PropertiesChanged signal sa{sv}as - reference
- BleedingTooth: Linux Bluetooth Zero-Click Remote Code Execution
- 저전력 블루투스 BLE(Bluetooth Low Energy)란?
- 블루투스 프로토콜 스택(Bluetooth Protocol Stack)
- Understanding Bluetooth Technology for Linux - Linux.com
- Introducing: The Bluetooth Low Energy Primer Bluetooth® Technology Website
- The Bluetooth Technology for Linux Developers Study Guide Bluetooth® Technology Website
- Bluetooth overview - stm32mpu
- D-Bus and Bluez