Bluetooth şifrelemesi ve kanal tasarımı

Abstract

Bluetooth, tüm dünyada lisansız olarak kullanılan 2,4 GHz endüstriyel-bilimsel-tıbbi radyo frekans bandını kullanan bir kablosuz iletişim teknolojisidir. Bluetooth kablosuz iletişim teknolojisi kablo gereksinimini ortadan kaldırmak ve düşük güç tüketimi sağlamak amacıyla kullanılan bir teknolojidir [1]. Özel amaçla kullanılan cihazların iletişim kavramı yeni bir iletişim ağ yapısını oluşturmuştur. Bu yapı içerisinde mobil birimler eş-zamanlı olarak birbiriyle iletişimde bulunabilir ve istedikleri zamanlarda ağdan ayrılabilirler. Bu ağ kişisel alan ağı olarak adlandırılır ve evlerde, araçlarda ve haraketli işlerin devamlı yapıldığı ortamlarda kullanılır. Bluetooth, birimler arasında kablo ihtiyacını ortadan kaldıran ve birimler arasında eş-düzeysel bir iletişim sağlayan bir teknolojidir. Bluetooh radyo sistemi, düşük güç tüketimi, kısa mesafeli iletişim ve minimum girişim avantajlarından dolayı diğer teknolojiler içerisinde daha çok tercih edilir. Bluetooth global olarak kullanılabilir olup genellikle ev aletlerinde, eğlence sistemlerinde, güvenlik sistemlerinde,cep bilgisayarlarında (PDA), akıllı telefonlarda ve diz üstü bilgisayarlarda kullanılmaktadır. Bu tezde Bluetooth katmanlarından temelband, link yönetici ve RP katmanları inceledim. Temelband katmanında birimler arasındaki işaretleşme, ses ve veri paketleri oluşturup Link yönetici katmanında ise Bluetooth güvenliği ile ilgili doğrulanma ve şifreleme üzerinde çalıştım. Doğrulama kısmında ilk önce safer+ algoritması kullanılarak iki Bluetooth biriminin birbiriyle iletişime geçebilecek seviyeye gelmesi için gerekli olan birbirlerini doğrulama prosedürünü gerçekledim. Şifreleme bölümünde ise iki Bluetooth birimi arasında gönderilen paketlerin şifrelenmesinde kullanılacak şifreleme anahtarı gerçeklenmiştir. Ayrıca iki birim arasında gönderilecek paketlerin şifrelenmesi için şifre akış sistemi olan E0 (stream cipher system E0) algoritması kullanılmıştır. RF katmanı bölümünde modülasyon tipi olarak BFSK modülasyonu seçilmiş ve kanal beyaz "'Gauss gürültülü (AWGN) kanal olduğu varsayılmıştır. Hata düzeltme bölümünde ise FEC (ileri yönde hata düzeltme) ve ayrıca başlık ve payload için hata kontrol yapılarım inceledim ve bu yapıların Matlab kodlarını oluşturdum. FEC yapısını kullanmamın nedeni paketlerin tekrar gönderilme sayısını azaltmaktır. Paket başlık yapısı için 1/3 oranlı FEC kodu ve paket yararlı yük yapısı için ise 2/3 oranlı FEC kodunu kullandım. Paket başlık yapısında hata kontrolü için HEC (başlık hata kontrolü) algoritmasını kullandım. Paket yararlı yük yapısında hata kontrolü için ise CRC kodu kullandım. xu Daha sonra yapılan sistem simülasyonunda, paketin başlık kısmı verici birim tarafında sırasıyla HEC oluşumu, whitening ve FEC kodlama bloklarından geçirilerek AWGN kanalında iletilmiş, alıcı tarafta ise bu paket alınarak sırasıyla FEC kod çözme, de_whitening bloklarından geçirildikten sonra paket başlığının hatalı olup olmadığının kontrolü için HEC kontrol yapısını kullandım. Paketin payload kısmı ise verici tarafta sırasıyla CRC oluşumu, şifreleme, whitening ve FEC kodlama bloklarından geçirdikten sonra kanala verilmiştir. Alıcı tarafta ise paketler FEC kod çözme, de_whitening ve şifre çözücü bloklardan geçirildikten sonra paketin yararlı yük kısmının hatalı olup olmadığının anlaşılması için CRC kontrol yapısını kullandım. Yapılan benzetimler sonucunda alıcı bit hata olasılıkları SNR'ın işlemi olarak elde edilmiştir.İlgili Matlab kodları Ekler kısmında sunulmuştur.

Bluetooth is a wireless communication technology that operates at globally unlicensed 2.4 GHz industrial-scientific-medical (ISM) radio frequency (RF) band. Bluetooth is one of the new wireless communicaiton technologies and will be mostly used where mobility is an important factor. The emergence of information appliances and new types of connectivity constructed a new form of networking. In this structure, mobile devices that spontaneously and unpredictably join and leave the network which is called PANs (Personal Area Networks). These peer to peer networks will be automatically formed within the home, in networked vehicles and in arbitrary environments for conducting mobile e-business. Bluetooh enables peer-to-peer communications between all kinds of devices by replacing device cables, plugs and other peripherals. The bluetooth radio is optimized for very low power consumption, short-range communication, and minimal interference; and this make bluetooth more preferable among others. Bluetooth applications can be used all over the world as it operates at globally avaliable ISM band. The usage areas of bluetooh are home appliances, entertainment systems, security systems, PDAs, smartphones and notebook computers. In this thesis, three layers of bluetooth protocol stack, baseband layer, link manager layer and RF layer, are examined in detail. In the baseband layer, broadband packets, audio packets and data packets that are sent between bluetooth devices are constructed and examined in detail. In the link manager layer, bluetooth security, authentication and encryption concepts are examined. Authentication procedures are constructed by using safer+ algorithm for providing between two devices in the authentication part. In the encryption chapter, encryption key which is used for encrypting packets that are sent between two devices is constructed. In addition, the encryption of the payloads is carred out with a stream cipher called E0 that is re-synchronized for every payload. BFSK modulation is used as a modulation type in the RF layer. The RF channel that is assummed to be a Rayleigh fading and a noisy is examined by calculating bit-error probability against SNR (dB) values. Morover, in the BFSK modulation, the channel simulation program is made on Monte Carlo demodulator structure. In the the error correction chapter, FEC (forward error correction), HEC (header error chechk) and CRC (cyclic redundancy check) is examined in detail. The xiv purpose of FEC scheme on the payload is to reduce the number of retransmission. The packet header is also protected by 1/3 rate FEC. Otherwise, the packet payload is protected by 2/3 rate FEC. But, in this thesis the other FEC scheme that is a (15, 10) shortened Hamming code is used for protecting packet payload. We can check the packet for errors or wrong delivery using the channel access code, the HEC in the header, and the CRC in the payload. The transmitter unit and the receiver unit is assumed as a system. With this supposing firstly, the transmitter unit process the packet header data through to the HEC, whitening and FEC blocks subsequently and send it to the wireless channel. At the receiver unit, the packet header is taken from channel and is processed through to the FEC encoding, de_whitening blocks subsequently. Then the packet header is checked to be correct or wrong by the HEC block. Secondly, the packet payload is processed by the transmitter unit to the CRC, encryption, whitening and FEC coding blocks subsequently and sent to the wireless channel. The packet payload is taken from the channel by the receiver unit and is processed through to the FEC encoding, de_whitening and de-encrypted blocks subsequently. Then the packet payload is checked to be correct or wrong by the CRC checked block. The matlab codes for these procedures which are given above are given in appendix chapter.