Bluetooth est une norme de télécommunications permettant l'échange bidirectionnel de données à courte distance en utilisant des ondes radio UHF sur une bande de fréquence comprise entre 2,402 GHz et 2,480 GHz. Son but est de simplifier les connexions entre les appareils électroniques à proximité en supprimant des liaisons filaires. Elle peut remplacer par exemple les câbles entre ordinateurs, tablettes, haut-parleurs, téléphones mobiles entre eux ou avec des imprimantes, scanneurs, claviers, souris, manettes de jeu vidéo, téléphones portables, assistants personnels, systèmes avec mains libres pour microphones ou écouteurs, autoradios, appareils photo numériques, lecteurs de code-barres et bornes publicitaires interactives.
Le nom « Bluetooth » est directement inspiré du surnom anglicisé du roi viking danois Harald Ier dit Harald à la dent bleue (en danois Harald Blåtand, en anglais Harald Bluetooth), connu pour avoir réussi à unifier les tribus danoises au sein d'un même royaume, introduisant du même coup le christianisme. Ce nom a été proposé en 1996 par Jim Kardach d'Intel, un ingénieur travaillant alors sur le développement d'un système qui allait permettre aux téléphones cellulaires de communiquer avec des ordinateurs. Au temps où Kardach a fait cette proposition, un homologue d'Ericsson lui avait parlé de ce souverain après avoir lu le roman historique Orm le Rouge de Frans Gunnar Bengtsson, qui se déroule sous son règne[1]. L'implication est que de la même façon que le roi Harald a unifié son pays et rassemblé le Danemark et la Norvège, Bluetooth relie les télécommunications et les ordinateurs et « unifie » les appareils entre eux[2],[3].
Le logo de Bluetooth est d'ailleurs inspiré des initiales en alphabet runique (Futhark récent) de Harald Blåtand (Hagall) (ᚼ) et (Bjarkan) (ᛒ).
Le Bluetooth SIG rédige et publie les spécifications de la norme qui a évolué, depuis 1999, des versions 1.0, 1.1, 1.2, 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate), 2.1 + EDR, 3.0 + HS, 4.0, 4.1[9],[10] puis 4.2 en décembre 2014[11] et v5.
Les versions publiées des normes Bluetooth sont les suivantes :
Utilisation possible de canaux non chiffrés
Ajout d’un signal qui permet de mesurer la puissance de réception
Rétrocompatibilité
Réduction de la consommation des périphériques et optimisation des transferts
Sécurité renforcée
Ajout d'un mode de connexion par « NFC » (Near Field Communication) qui facilite l'appairage à très courte portée.
Restitutions musicales stéréophoniques de qualité comparable au CD[14].
Bluetooth LE (création) : réduction de la consommation des périphériques (Low Energy)
Bluetooth LE : connexion de plusieurs appareils sur un seul accès maitre pour la sortie des smartphones LTE.
Bluetooth LE : réduction de la consommation des protocoles IP sécurisés pour les objets connectés.
Augmentation de la taille utile des paquets (PDU) de 31 à 256 octets, ce qui permet de diminuer significativement les temps de téléchargement.
Bluetooth LE : débit théorique plus élevé (2 Mbit/s PHY), pratique : 1,4 Mbit/s, en option[15], portée de 40 m à 350 m et jusqu'à 500 mètres avec certains modules.
Bluetooth LE : possibilité pour un appareil de déterminer la direction du signal Bluetooth (localisation)
Bluetooth LE : création d'un profil audio (réservé jusque-là au Bluetooth classique) à l'aide du codec LC3[14]
Bluetooth LE : améliorations du contrôle des clés de chiffrement et de la sélection des canaux radio
Bluetooth LE : améliorations du chiffrement et de la sécurité de transmission
Les éléments fondamentaux d'un produit Bluetooth sont définis dans les deux premières couches protocolaires : la couche radio et la couche bande de base. Celles-ci prennent en charge les tâches matérielles comme le contrôle du saut de fréquence et la synchronisation des horloges.
La couche radio (la couche la plus basse) est gérée au niveau matériel. C'est elle qui s'occupe de l'émission et de la réception des ondes radio. Elle définit les caractéristiques telles que la bande de fréquence et l'arrangement des canaux, les caractéristiques du transmetteur, de la modulation, du récepteur, etc.
Le système Bluetooth opère dans les bandes de fréquences ISM (Industrial, Scientific and Medical) 2,4 GHz dont l'exploitation ne nécessite pas de licence vu la faible puissance d'émission et le risque faible d'interférences. Cette bande de fréquences est comprise entre 2 400 et 2 483,5 MHz. Un transceiver à sauts de fréquence est utilisé pour limiter les interférences et l'atténuation.
Pour le Bluetooth classique (hors version BLE), deux modulations sont définies : une obligatoire utilisant une modulation de fréquence binaire (FSK) pour minimiser la complexité de l'émetteur ; une modulation optionnelle (mode EDR) utilise une modulation de phase (PSK à quatre et huit symboles). La rapidité de modulation est de 1 Mbaud pour toutes les modulations. La transmission duplex utilise une division temporelle.
Les 79 canaux RF du Bluetooth classique (40 en mode BLE) sont numérotés de 0 à 78 et séparés de 1 MHz en commençant par 2 402 MHz. Le codage de l'information se fait par sauts de fréquence et la période est de 625 µs, ce qui permet 1 600 sauts par seconde.
En Bluetooth classique, trois classes de modules radio Bluetooth sont sur le marché :
La plupart des fabricants d'appareils électroniques utilisent des modules de classe 2.
En mode Bluetooth basse consommation (BLE), la puissance d'émission peut varier de 0,01 mW (−20 dBm) à 10 mW (10 dBm)[17]. La modulation utilisée est de type GFSK (Gaussian FSK).
La bande de base (baseband en anglais) est gérée au niveau matériel. C'est au niveau de la bande de base que sont définies les adresses matérielles des périphériques (équivalentes à l'adresse MAC d'une carte réseau). Cette adresse est nommée BD_ADDR (Bluetooth Device Address) et est codée sur 48 bits. Ces adresses sont gérées par la IEEE Registration Authority.
C'est également la bande de base qui gère les différents types de communication entre les appareils. Les connexions établies entre deux appareils Bluetooth peuvent être synchrones ou asynchrones, ces connexions sont appelées « liens logiques » (Logical Link). La bande de base peut donc gérer deux types majeurs de liens logiques : les liens SCO (Synchronous Connection-Oriented) et les liens ACL (Asynchronous Connection-Less).
Les données transportées sur ces liens logiques sont sous forme de paquets. Il existe divers types de paquets, qui peuvent être utilisés par les deux liens logiques ou seulement par un seul type de lien. Chaque paquet est composé globalement de la même manière. On retrouve trois parties essentielles :
Un picoréseau (en anglais piconet) est un mini-réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand plusieurs périphériques Bluetooth sont dans un même rayon. Un picoréseau est organisé selon une topologie en étoile : il y a un « maître » et plusieurs « esclaves ». Un périphérique « maître » peut administrer jusqu'à 7 esclaves « actifs » ou 255 esclaves en mode « parked ».
La communication est directe entre le « maître » et un « esclave ». Les « esclaves » ne peuvent pas communiquer entre eux.
Tous les « esclaves » du picoréseau sont synchronisés sur l'horloge du « maître ». C'est le « maître » qui détermine la fréquence de saut pour tout le picoréseau[18],[19].
Les périphériques « esclaves » peuvent avoir plusieurs « maîtres » : les différents piconets peuvent donc être reliés entre eux. Le réseau ainsi formé est appelé un scatternet (littéralement « réseau dispersé »).
Le contrôleur de liaisons encode et décode les paquets bluetooth selon la charge utile et les paramètres liés au canal physique, transport logique et liaisons logiques.
Le gestionnaire de liaisons crée, gère et détruit les canaux L2CAP pour le transport des protocoles de services et les flux de données applicatives. Il utilise le protocole L2CAP pour interagir avec son homologue sur les équipements distants.
Cette couche gère les liens entre les périphériques « maîtres » et « esclaves » ainsi que les types de liaisons (synchrones ou asynchrones).
C'est le gestionnaire de liaisons qui implémente les mécanismes de sécurité comme :
Cette couche fournit une méthode uniforme pour accéder aux couches matérielles. Son rôle de séparation permet un développement indépendant du matériel et du logiciel.
Les protocoles de transport supportés sont Universal Serial Bus (USB), PC-Card, RS-232 et UART.
HCI permet un transfert de données à débit maximum, soit 720 kbit/s pour la norme 1.2, et un débit trois fois plus élevé pour la norme 2.0+EDR.
La couche L2CAP (Logical Link Control & Adaptation Protocol) fournit les services de multiplexage des protocoles de niveau supérieur et la segmentation et le réassemblage des paquets ainsi que le transport des informations de qualité de service. Les protocoles de haut niveau peuvent ainsi transmettre et recevoir des paquets jusqu'à 64 Ko. Elle autorise un contrôle de flux par canal de communication.
La couche L2CAP utilise des canaux logiques.
RFCOMM signifie « Radio frequency communication (en) ». Ce service est basé sur les spécifications RS-232, qui émule des liaisons séries. Il peut notamment servir à faire passer une communication IP par Bluetooth. RFCOMM est utilisé lorsque le débit des données n'atteint pas plus de 360 kbit/s (par exemple, téléphones mobiles).
SDP signifie « Service Discovery Protocol (en) ». Ce protocole permet à un appareil Bluetooth de rechercher d'autres appareils et d'identifier les services disponibles. Il s'agit d'un élément particulièrement complexe de Bluetooth.
OBEX signifie « OBject EXchange ». Ce service permet de transférer des objets grâce au protocole d'échange développé pour l'IrDA.
Un profil correspond à une spécification fonctionnelle d'un usage particulier. Les profils peuvent également correspondre à différents types de périphériques.
Les profils ont pour but d'assurer une interopérabilité entre tous les appareils Bluetooth.
Ils définissent :
Les différents profils sont :
Le profil d'accès générique (GAP) est le profil de base dont tous les autres profils héritent. Il définit les procédures génériques de recherche d'appareils, de connexion et de sécurité.
Afin d'obtenir la certification Bluetooth, des tests de qualification sont nécessaires. Les tests de qualification sont de deux types : qualification RadioFréquence et qualification du logiciel.
Qualification RF : l'objectif des essais est de prouver que la plate-forme matérielle utilisée respecte les performances radio de la norme Bluetooth. Il existe une liste des tests RF à réaliser, en émission et en réception. Ces essais sont :
Qualification du logiciel : si l'industriel a lui-même réalisé le logiciel de son nouveau design, avec les couches hautes HCI, RFCOMM, L2CAP, SDP ou d'autres profils Bluetooth, ils doivent être qualifiés. La certification du logiciel s'effectue profil par profil. Chaque couche logicielle doit être conforme à la norme Bluetooth à respecter[23].
Ces deux catégories d'essais de qualification réalisés et acceptés, la certification Bluetooth est alors acceptée. Le produit ainsi fabriqué est conforme à la version de la norme Bluetooth pour lequel il est certifié, compatible avec les produits qui respectent la même version de la norme Bluetooth. L'industriel reçoit alors un certificat de conformité.
Dans les versions commercialisées en 2015 (4.0 et 4.1), largement utilisées, essentiellement dans les appareils mobiles comme les téléphones portables, la liaison Bluetooth présente les caractéristiques suivantes :
En conséquence, il est présent sur des appareils fonctionnant souvent sur batterie, désirant échanger une faible quantité de données sur une courte distance :
La compatibilité entre marques est assez bonne, mais pas parfaite : certains appareils ne parviennent pas à se raccorder à d'autres.
Les manettes sans-fil des consoles Nintendo Wii (manette nommée Wiimote) et Switch (manettes nommées Joy-Con), ainsi que les consoles Sony PlayStation 3 (DualShock 3), PlayStation 4 (DualShock 4) et PlayStation 5 (DualSense) utilisent le protocole Bluetooth. Les manettes Xbox 360 ainsi que les manettes Xbox One utilisent une connexion sans fil propriétaire. La nouvelle version de la manette Xbox reconnaissable à sa prise jack, fournie notamment avec la Xbox One S, intègre quant à elle un module Bluetooth.
Afin d'échanger des données, les appareils doivent être appairés. L'appairage se fait en lançant la découverte à partir d'un appareil et en échangeant un code. Dans certains cas, le code est libre, et il suffit aux deux appareils de saisir le même code. Dans d'autres cas, le code est fixé par l'un des deux appareils (appareil dépourvu de clavier, par exemple), et l'autre doit le connaître pour s'y raccorder. Par la suite, les codes sont mémorisés, et il suffit qu'un appareil demande le raccordement et que l'autre l'accepte pour que les données puissent être échangées.
Afin de limiter les risques d'intrusion, les appareils qui utilisent un code préprogrammé (souvent 0000 ou 1234) doivent être activés manuellement, et l'appairage ne peut se faire que durant une courte période.
Dans le cas de partages successifs (par exemple un casque audio sans fil connecté à un PC qu'on désire ensuite utiliser avec un téléphone), le premier appareil devra arrêter sa connexion avec le périphérique Bluetooth, tout en conservant les informations à son sujet pour une connexion ultérieure. Ensuite, on a juste à connecter ce périphérique au deuxième appareil, en le faisant découvrir au passage s'il n'est pas déjà enregistré sur celui-ci.
Les choses se compliquent sensiblement si on a à la fois deux périphériques émetteurs ou plus (par exemple : téléphone, tablette, PC, clavier sans fil…) et deux périphériques récepteurs ou plus (enceintes Bluetooth, casque audio[26], appareil de salon télécommandé…), car un nouveau couplage sera théoriquement refusé si l'un quelconque des deux appareils a été auparavant couplé ailleurs, même si la connexion (mais non le couplage !) a pris fin[b] et que l'émetteur initialement couplé est hors tension. Il doit être mis fin à celui-ci.
Un appareil n'a en effet pas deux états possibles, mais quatre : éteint, activé, appairé, connecté (et dans les deux derniers cas, à un autre appareil).
Certains claviers bluetooth, par exemple le Logitech K810, permettent d'apparier le même clavier à trois appareils distincts et d'en changer au vol par des touches dédiées.
Le Bluetooth utilise une des plages de fréquences qu'utilise aussi le Wi-Fi (2,4 GHz), ce qui fait qu'un réseau peut brouiller ou perturber l'autre, ou limiter son débit. Le Bluetooth consomme moins d'énergie que le WI-FI, mais il a une portée maximale plus faible, de 10 m dans de bonnes conditions, avec des fonctionnalités réduites et un plus faible nombre de périphériques connectables simultanément.
Contrairement au Bluetooth, le Wi-Fi impose généralement l'utilisation d'un point d'accès, mais certains constructeurs permettent la connexion directe entre périphériques en utilisant le Wi-Fi Direct, similaire à un Bluetooth à très grande bande passante.
L'ARCEP, anciennement l'ART, Autorité de régulation des télécommunications, précise les conditions d'utilisation des installations radioélectriques dans la bande des 2,4 GHz :
Pour les dispositifs qui utilisent Bluetooth, la connexion doit utiliser le mode de sécurité 1, niveau 4 (mode de connexions sécurisées uniquement), conformément à une norme FIPS.
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