Comment fonctionne le Bluetooth

Si vous êtes arrivé sur ce tutoriel, c'est que le fonctionnement de la technologie Bluetooth vous intéresse.
Cette technologie de connexion sans fil par radio permet de connecter des appareils ou des périphériques à un dispositif central.
Si vous voulez savoir comment fonctionne le Bluetooth avec les différentes versions, protocoles, les implémentations qui existent.
En fin d'articles quelques informations sur la sécurité.

Ce tutoriel vous dit tout sur le Bluetooth.

Qu'est-ce que le Bluetooth ?

Le Bluetooth est une technologie de communication sans fil par ondes radio conçue pour transférer des données sur des distances à courte portée, entre différents types de dispositifs.
Le Bluetooth utilise de ultra haute fréquence ou UHF sur la même fréquence de radio (2,4 GH) que les normes Wi-Fi 802.11B et 802.11G, mais nécessite beaucoup moins d'énergie. Pour être tout à fait exact, la plage radio se situe entre 2.402 and 2.480 GHz selon les versions.

En quelques mots, la communication sans fil Bluetooth a une gamme courte, un taux de transfert de données lentes, mais également une puissance énergétique moindre.
Sa vocation principale est la connexion de périphériques sans câbles et donc concurrence l'USB (Universal Serial Bus).

Le Bluetooth a été inventé par la société suédoise Ericsson en 1994.
Depuis 1998, la norme est gérée par Bluetooth Special Interest Group (SIG) - un organisme qui supervise l'élaboration de normes Bluetooth et de la licence des technologies Bluetooth et des marques de commerce aux fabricants.
Bluetooth SIG est axé sur l'élaboration de la norme, la conception de nouvelles versions, l'amélioration des spécifications et la protection des marques Bluetooth.
Ainsi, la norme évolue dans le temps et on peut trouver des versions et types des Bluetooth différents avec des vitesses, débits et bandes passantes différentes et l'ajout de nouvelles fonctionnalités.

Le Bluetooth et la connexion de périphériques (IoT)

Sur quels périphériques le Bluetooth peut fonctionner ?

De nos jours, on retrouve le Bluetooth dans la connexion de périphériques comme des casques, des haut-parleurs, des contrôleurs de jeux, des souris et des claviers.
Ainsi la plupart des appareils supportent cette technologie de communication sans fil :

Smartphones - L'utilisation la plus courante de Bluetooth consiste à permettre aux smartphones de communiquer entre eux, avec des ordinateurs et d'autres périphériques tels que des casques audio ou des haut-parleurs portables
Ordinateurs portables et tablettes - De nombreux tablettes et ordinateurs portables ont également des connecteurs radio Bluetooth. Vous pouvez les utiliser pour connecter des claviers mobiles, des souris, des écouteurs sans fil et d'autres gadgets
Consoles de jeu - Bluetooth peut également être trouvé sur les consoles de jeu. Par exemple, les manettes Nintendo Wii et Sony PlayStation sont reliés à la console via Bluetooth
Autres appareils - Bluetooth peut également être utilisé par des systèmes de divertissement à domicile sans fil, des systèmes audio dans les voitures, des dispositifs de santé personnels tels que des moniteurs de fréquence cardiaque ou des chaussures Nike Adapt, etc

Comment apparier ou coupler des périphériques en Bluetooth ?

Les périphériques Bluetooth BR / EDR doivent toujours être jumelés (ou couplés).
C'est une mise en connexion obligatoire entre les deux appareils afin de pouvoir échanger des données de manière sécurisée, à l'aide de chiffrement.

Un périphérique Bluetooth qui souhaite être découvert diffuse des messages spéciaux sur le broadcast (appelés paquets) dans un processus appelé publicité. Les paquets publicitaires contiennent des informations utiles sur le périphérique.

Lorsque des périphériques compatibles Bluetooth sont suffisamment proches, ils peuvent se connecter les uns avec les autres via une petite puce électronique à l'intérieur d'eux qui émet les ondes radio Bluetooth spéciales.
Pour cela, l'utilisateur doit appuyer sur un bouton Bluetooth présent sur l'appareil ou effectuer un échange de code PIN.
Ce bouton Bluetooth assure que l'on ne puisse pas connecter un périphérique à votre insu. C'est un peu le même mécanisme que le WPS pour le Wi-Fi.
Les périphériques Bluetooth (par exemple, une souris, montre connecté) connectés au même dispositif central (par exemple, un smartphone ou PC) forment un réseau de zone personnelle (Bluetooth personal area network - PAN) ou PICONET.

L'activation du Bluetooth sur les accessoires est un processus différent qui varie selon les appareils.
Sur la plupart des appareils Bluetooth, c'est aussi simple que d'appuyer sur un bouton et de le maintenir enfoncé - soit le bouton d'alimentation, soit le bouton de couplage, qui devrait avoir le symbole Bluetooth à côté.
Le périphérique passe alors en mode découverte autorisant son appairage.

Activer le mode découverte Bluetooth pour autoriser l'appairage et le couplage

Ensuite, la communication entre les deux périphériques Bluetooth s'effectue sur un réseau à courte portée.
Les piconets sont établis automatiquement. Donc, une fois que vous avez un appareil, comme votre clavier, installé et dans la plage de piconet, il se connectera automatiquement. Mais si ce n'est pas dans la plage, le clavier quittera automatiquement le piconet. Lorsque vous apportez le clavier à la maison, où il est à nouveau dans la plage, il se reconnectera automatiquement.

La technologie Bluetooth apprend même lesquelles les chaînes de radio fonctionnent bien et lesquelles rencontrer des interférences pour pouvoir éviter de manière dynamique de mauvais canaux et simplement utiliser les canaux exempts d'interférences. Ce processus, appelé Hopping de fréquence adaptative permet aux périphériques Bluetooth de fonctionner de manière optimale, même dans des environnements où il existe un très grand nombre d'appareils sans fil fonctionnant.

Connecter des périphériques Bluetooth (casques, enceintes, écouteurs, souris) à un PC en Windows 10

Quels sont les types de Bluetooth ?

Il existe quatre types principaux de radios Bluetooth qui vont de la classe 1 à la classe 4.
La consommation électrique et la portée diffère.

La classe 1 Bluetooth est utilisée dans des environnements industriels. Il fournit une portée allant jusqu'à 100 mètres, mais il utilise un peu de puissance électrique - 100 MW
La classe 2 Bluetooth est la plus courante, en particulier dans des appareils mobiles, car il utilise seulement 2,5 MW de puissance et fournit une portée allant jusqu'à 10 mètres
La classe 3 utilise 1 MW de puissance et fournit une plage de seulement 1 mètre
La classe 4 peut utiliser un maximum de 0,5 MW de puissance et comporte une portée inférieure à 0,5 mètre

CLASSE BLUETOOTH	CONSOMMATION	PORTEE
1	100 MW	100 m
2	2,5 MW	10 m
3	1 MW	1 m
4	0,5 MW	0,5 m

Les classes Bluetooth

Quelles sont les versions de Bluetooth ?

Certains mises à jour de la norme, notamment les mises à jour mineures sont rétro compatibles.
De ce fait, pour en bénéficier aucune mise à jour du matériel n'est nécessaire, il faut mettre à jour le firmware BlueTooth.

Le Bluetooth 1.0, 1.1

La première version du Bluetooth est publiée en Mai 1998.
De nouvelles versions 1.0B et 1.1 suivent très vite pour corriger des bugs.
La vitesse et débit théorique est alors de 721 Kbit/s.
La version 1.2 apporte plus de résistances aux interférences radios ce qui permet en pratique un débit supérieur.

Le Bluetooth 2.0 et 2.1

En 2004, le Bluetooth 2.0 introduit le EDR (Enhanced Data Rate) pousse le débit à 2,1 Mbps.
On le nomme alors Bluetooth v2.0 + EDR.
Puis en Juillet 2007, le Bluetooth 2.1 apporte SSP (Secure Simple Pairing) qui permet de simplifier l'appairage de périphériques et améliore la sécurité.
Enfin elle réduit un peu la consommation d'énergie.

Le Bluetooth 3.0

La version 3 du Bluetooth apparaît en 2009.
Il introduit le haut débit dit HS (pour High Speed) utilisant la norme 802.11.
La nouvelle fonctionnalité principale est l'AMP (Alternative MAC/PHY), l'ajout de 802.11 en tant que transport à grande vitesse.

Le Bluetooth 4.0, 4.1 et 4.2

La version 4.0 nommée Bluetooth Smart est publiée en Juin 2010.
La version 4 est une révolution qui se décompose en trois protocoles :

Bluetooth High Speed qui se base sur les protocoles Wi-Fi
Le Bluetooth Classic qui est aussi du haut débit utilisant son propre protocole, celui-ci ne va connaître que peu d'évolution par la suite
Une nouvelle branche Bluetooth Low Eneger (BLE). Ce protocole réduit encore la consommation de la puce Bluetooth grâce à un nouveau protocole IP. Le débit est moindre pour destiner cette branche aux objets connectés où la vitesse n'a pas d'importance (montres, bracelets, ...) mais l'autonomie oui.

Bluetooth 4.1 est sorti le 4 décembre 2013. Il a ajouté la prise en charge de la coexistence pour 4G LTE, ce qui signifiait que les transmissions Bluetooth ne sont plus interdites avec d'autres technologies sans fil.
Dans cette nouvelle version un appareil peut avoir plusieurs rôles.
Bluetooth 4.2 a été publié le 2 décembre 2014 et est venu avec encore plus fonctionnalités conçues principalement pour l'internet des objets (IoT), telles que la sécurité améliorée et la connectivité Internet (capteurs intelligents ou périphériques utilisant Bluetooth 4.2 peuvent envoyer et recevoir des données sur Internet).

Bluetooth 4.1 ou Bluetooth 4.2 sont rétro compatibles, ainsi la version 4.1 ne nécessite pas une modification de matérielle.
La version 4.2 peut nécessite de changer de matériel.

Aujourd'hui, la plupart des appareils sur le marché utilisent toujours cette version ou l'une de ses mises à jour suivantes: Bluetooth 4.1 ou Bluetooth 4.2.

Le BlueTooth 5.0

La dernière norme Bluetooth à ce jour. Bluetooth 5.0 a été publié le 16 juin 2016 et, tout comme Bluetooth 4.2, il se concentre principalement sur l'ajout de nouvelles fonctionnalités conçues pour Internet des objets.
En plus de cela, il rend également les connexions Bluetooth utilisent moins d'énergie, tout en améliorant leur vitesse et prolongeant leur gamme.
Le Bluetooth LE voit son débit quadrupler et la portée doubler.
Les dispositifs avec Bluetooth 5 peuvent transférer théoriquement des données à 2 Mbps en rafales et sur des distances allant jusqu'à 240 mètres.
Les mises à jour Bluetooth 5.1 et 5.2 ont également été publiées en janvier et décembre 2019, respectivement, en ajoutant de nouvelles fonctionnalités telles que l'initiation de la connexion plus rapide et le Audio (audio à faible consommation d'énergie).

La version 5 n'est pas rétro compatible, ainsi pour en bénéficier, il faut changer le matériel.

Les vitesses, portées par version de Bluetooth Classic

VERSION DE BLUETOOTH CLASSIC	DATE	DEBIT	PORTEES
Bluetooth 1		721 ko/s	10 m
Bluetooth 2	2004	2,1 Mbps	10 m
Bluetooth 2.1	26 Juillet 2007	2,1 Mbps	10 m
Bluetooth 3	2009	2,1 Mbps	10 m
Bluetooth 4	30 Juin 2010	3 Mbps	50 m
Bluetooth 4.1	4 Décembre 2013	3 Mbps	100 m
Bluetooth 4.2	2 Décembre 2014	3 Mbps	100 m
Bluetooth 5	16 Juin 2016	2 Mbps	240 m
Bluetooth 5.1	Janvier 2019	2 Mbps	240 m
Bluetooth 5.2	Décembre 2019	2 Mbps	240 m

Les vitesses, portées par version de BlueTooth

Quelles sont les différences entre le Bluetooth et le Wi-Fi ?

Bluetooth et Wi-Fi sont des normes de communications sans fil par radio mais l'utilisation et la vocation diffère.

BLUETOOTH	WI-FI
Bluetooth est conçu pour permettre aux appareils de communiquer sans fil sur de courtes distances (environ 10 mètres)	Le Wi-Fi permet une gamme beaucoup plus large (dizaines à des centaines de mètres)
Le nombre de périphériques pouvant se connecter via Bluetooth simultanément est limité	Le Wi-Fi permet un nombre beaucoup plus élevé d'appareils connectés simultanément
Deux appareils peuvent se connecter via Bluetooth directement, de manière simple	En Wi-Fi, vous avez généralement besoin d'un troisième appareil, comme un routeur sans fil ou un point d'accès sans fil, de faire de même
Bluetooth ne nécessite qu'une petite quantité d'énergie	La couverture supérieure et la vitesse de transfert de données en Wi-Fi nécessite une consommation d'énergie beaucoup plus élevée
Les protocoles de sécurité Bluetooth sont limités	Wi-Fi propose divers protocoles de sécurité qui évolue dans le temps (WEP, WPA, WPA2, WPA3, ...)

Quelles sont les différences entre le Bluetooth et le Wi-Fi ?

Wi-Fi et Bluetooth sont dans une certaine mesure complémentaires dans leurs applications et leur utilisation. Une connexion Wi-Fi est généralement centrée sur le point d'accès, avec une connexion asymétrique client-serveur avec tout le trafic acheminé via le point d'accès, tandis que Bluetooth est généralement symétrique, entre deux périphériques Bluetooth.
Bluetooth sert bien dans des applications simples dans lesquelles deux périphériques doivent se connecter à une configuration minimale, comme un bouton, appuyez sur les casques et les haut-parleurs.
C'est le Bluetooth qui a permis la naissance des objets connectés et l'internet des objets (IoT).

Le Bluetooth est-il sûr ?

Lorsque vous connectez deux périphériques Bluetooth pour la première fois, vous devez les appairer, coupler ou jumeler.
Ainsi, vous devez approuver chaque nouvelle connexion, ce qui rend Bluetooth relativement sécurisé. Une fois les périphériques connectent pour la première fois, le couplage est généralement rappelé et les connexions futures se produiront automatiquement, au moins lorsque les deux périphériques ont activé Bluetooth et sont proches les unes des autres.

Bluetooth implémente la confidentialité, l'authentification et la dérivation de la clé avec des algorithmes personnalisés basés sur le chiffrement de bloc SAFER (Secure And Fast Encryption Routine).

Toutefois, la norme Bluetooth a pu faire connaître des vulnérabilités permettant des attaques comme BlueBorn ou Bluewave.
Bien sûr les normes ou des mises à jour du firmware ont corrigé ces vulnérabilités.

Il existe aussi l'attaque Bluesmack qui est une attaque DoS pour paralyser un appareil.
Cela peut aussi être utiliser pour forcer la saisie d'un code PIN afin d'intercepter ce dernier.

Enfin le Bluetooth peut être utilisé pour pister les utilisateurs notamment à travers les applications Facebook, Google qui l'utilisent pour connaître la localisation géographique de l'appareil.

Comment activer le Bluetooth sur PC ou Android ?

Les PC portables et les Smartphones sont fournis avec un adaptateur Bluetooth.
Ainsi on peut les connecter entre eux sans problèmes.
Les PC de bureaux ne sont pas fournis avec mais il est possible d'afficher des adaptateurs Bluetooth USB ou en PCI.
A partir de là, on installe les pilotes Bluetooth sur Windows 10, 11 et on peut ensuite connecter coupler un périphérique sur son PC.