스마트폰이 출시되어 대중화가 될 무렵, ‘스마트’한 개념의 밴드, 워치, 글래스 등이 출시되면서 웨어러블 디바이스 시장이 태동하기 시작했다. 그리고, 2015년 상반기, 애플워치의 등장으로 작은 생태계를 이루고 있던 웨어러블 디바이스들이 다시 한번 각광을 받게 되었다. 각기 생긴 모습은 다르지만 이들의 공통점은 스마트폰과 연동되어 작동한다는 것이었다. 과거부터 기기들간의 단거리 무선통신은 Bluetooth라는 기술이 이용되었다. Bluetooth가 공식적으로 등장한지 약 16년이라는 세월이 흘렀지만, 여전히 기기간의 무선통신에는 Bluetooth가 사용된다. 하지만, 지금 사용되는 Bluetooth는 기존과는 다른 방식이다. 바로 BLE라는 특징을 가진 Bluetooth인데, 바로 이것이 오늘날 다양한 종류의 웨어러블 디바이스들이 태어날 수 있었던 원동력이 되었다. 그렇다면 BLE라는 것이 도대체 무엇일까?
과거부터 기기들간의 무선 연결은 주로 Bluetooth라는 기술을 이용했는데, 이들은 기기간에 마스터, 슬레이브 관계를 형성하여 통신하는 Bluetooth Classic이라는 방식을 이용했다. 사람들이 이러한 기기들을 이용하면서 많이 염려했던 것은 ‘Bluetooth를 연결하면 베터리가 빨리 소모된다’, ‘사용하지 않을 때는 Bluetooth 꺼놓아야지’ 등과 같은 베터리 관련된 문제들이었다. 사실이었다. Bluetooth Classic은 다른 디바이스를 무선으로 연결을 하여 사용할 수 있는 편리함을 주었지만, 연결이 되는 동안에는 베터리를 빠르게 소모시켰기 때문에 사용하는 데에 많은 불편함이 있었다.
2010년, 새로운 Bluetooth 표준으로 Bluetooth 4.0 이 채택이 된다. 기존의 Bluetooth Classic과의 가장 큰 차이는 훨씩 적은 전력을 사용하여 Classic과 비슷한 수준의 무선 통신을 할 수 있다는 점이었다. 이는 당시 Bluetooth의 최대 단점이었던 과도한 베터리를 소모 문제를 해결하는 기술이었기 때문에, Bluetooth 관련 업계에 큰 반향을 일으켰다. 이렇게 저전력을 이용하여 무선통신을 하는 특징을 Bluetooth Low Energy (이하 BLE) 라고 부르는데, Bluetooth 4.0 이후의 버전들은 이 용어로 대체되서 불리기도 한다. 최근 출시되고 있는 스마트 밴드, 워치, 글래스 등의 웨어러블 무선통신 기기들의 대부분은 이 BLE 방식을 이용하여 무선 통신을 한다.
BLE 기술이 등장하면서 Bluetooth 디바이스들은 아래와 같이 3가지로 분류 되었다.
Bluetooth 4.0과 함께 새롭게 등장한 Bluetooth Smart Ready, Bluetooth Smart에 대해서 살펴보면,
Bluetooth Smart Ready 디바이스는 Bluetooth Classic 및 저에너지 Bluetooth 무선통신 (BLE)을 지원하기 때문에 “듀얼 모드” 라디오라고 불린다. 따라서, 이들은 현재 시장에 나와 있는 수억 종의 Bluetooth 디바이스들에 대한 역방향 호환성을 가진다. 종류에는 스마트폰, 태블릿, PC, TV 그리고 셋탑박스 및 게임 콘솔 등이 있다. 이런 디바이스들은 클래식 Bluetooth 디바이스 및 Bluetooth Smart 디바이스들로부터 데이터를 받아, 이들을 유용한 정보로 변환시키는 Bluetooth 시스템의 허브라고 할 수 있다.
Bluetooth Smart 디바이스 내에 있는 라디오는 “싱글모드” 라디오라 불리는데, BLE 연결만을 지원한다는 의미이다. 이들은 기존의 Bluetooth Classic 디바이스들과 호환이 되지 않고 듀얼모드 라디오를 가진 Bluetooth Smart Ready 디바이스 혹은 제조업체에 의해 호환성이 명시된 특정 Bluetooth 디바이스에만 연결이 가능하다. Bluetooth Smart 디바이스들은 ‘우리 집의 창문은 모두 잠겨 있는지’, ‘내 인슐린 농도는 얼마인지’, ‘오늘 내 몸무게는 몇 킬로그램인지’ 등과 같이 특정한 형태의 정보를 수집해, Bluetooth Smart Ready 디바이스로 보내기 위해 만들어진 디바이스이다. 종류에는 심박 모니터, 스마트 손목시계, 창문 및 현관 보안 센서, 자동차 키 체인, 그리고 혈압 팔찌 등이 있다.
이 글에서는 BLE를 사용하는 디바이스들이 어떤 과정으로 서로 연결되어 통신을 하는지 그리고 이 과정들을 tracking 할 수 있는 장비인 Ubertooth 에 대해 내용을 정리해서 공유해보고자 한다.
BLE를 지원하는 디바이스들은 기본적으로 Advertise(Broadcast) 과 Connection 이라는 방법으로 외부와 통신한다.
특정 디바이스를 지정하지 않고 주변의 모든 디바이스에게 Signal을 보낸다. 다시 말해, 주변에 디바이스가 있건 없건, 다른 디바이스가 Signal을 듣는 상태이건 아니건, 자신의 Signal을 일방적으로 보내는 것이라고 생각하면 된다. 이 때, Advertising type의 Signal을 일정 주기로 보내게 된다.
Advertise 관점에서, 디바이스의 역할은 다음과 같이 구분된다.
Advertise 방식은 한 번에 한 개 이상의 디바이스와 통신할 수 있는 유일한 방법이다. 주로 디바이스가 자신의 존재를 알리거나 적은 양(31Bytes 이하)의 User 데이터를 보낼 때도 사용된다. 한 번에 보내야 하는 데이터 크기가 작다면, 굳이 오버헤드가 큰 Connection 과정을 거쳐서 데이터롤 보내기 보다는, Advertise를 이용하는 것이 더 효율적이기 때문이다. 게다가 전송할 수 있는 데이터 크기 제한을 보완하기 위해 Scan Request, Scan Response을 이용해서 추가적인 데이터를 주고 받을 수 있다 (이에 대해서는 뒤에 자세히 설명한다). Advertise 방식은 말 그대로 Signal을 일방적으로 뿌리는 것이기 때문에, 보안에 취약하다.
양방향으로 데이터를 주고받거나, Advertising Packet으로만 전달하기에는 많은 양의 데이터를 주고 받아야 하는 경우에는, Connection Mode로 통신을 한다. Advertise처럼 ‘일대다’ 방식이 아닌, ‘일대일’ 방식으로 디바이스 간에 데이터 교환이 일어난다. 디바이스간에 Channel hopping 규칙을 정해놓고 통신하기 때문에 Advertise보다 안전하다.
Connection 관점에서 디바이스들의 역할은 다음과 같이 구분된다.
디바이스들은 Bluetooth로 통신을 하기 위한 Protocol Stack을 가지고 있다. 일반적으로 네트워크 통신을 하기 위해서는, 통신을 위한 규약인 Protocol을 정의해야 되는데, 이렇게 정의된 Protocol들을 층층이 쌓아놓은 그룹이 Protocol Stack이다. Bluetooth Signal Packet을 수신하거나 송신할 때, 이 Protocol Stack을 거치면서 Packet들이 분석되거나 생성된다.
위 그림에서 볼 수 있듯이 Protocol Stack은 가장 아랫단부터 크게 Controller, Host, Application 로 나뉜다. 여기서는 Connection 과정에서 필요한 부분인 Physical Layer, Link Layer, Generic Access Profile(GAP), Generic Attribute Profile(GATT)에 대해서 알아볼 것이다.
Physical Layer에는 실제 Bluetooth Analog Signal과 통신할 수 있는 회로가 구성되어 있어서, Analog 신호를 Digital 신호로 바꾸어 주거나 Digital 신호를 Analog 신호로 바꾼다. 또한 Bluetooth에서는 2.4 GHz 밴드를 총 40개의 Channel로 나누어 통신을 한다. 40개 Channel 중 3개 Channel은 Advertising Channel 로써 각종 Advertising Packet을 비롯하여 Connection을 맺기 위해 주고 받는 Packet들의 교환에 이용된다. 나머지 37개의 Channel은 Data Channel 로써 Connection 이후의 Data Packet 교환에 이용된다.
Physical Layer의 바로 윗단에는 Link Layer이 있다. Link Layer은 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구성되어 있다. 하드웨어 단에서는 높은 컴퓨팅 능력이 요구되는 작업들 (Preamble, Access Address, and Air Protocol framing, CRC generation and verification, Data whitening, Random number generation, AES encryption 등)이 처리되고, 소프트웨어 단에서는 디바이스의 연결 상태를 관리한다. 또한 통신하는데 있어서 디바이스의 Role을 정의하고 이에 따라 변경되는 State를 가지고 있다.
- Scan Request, Scan Response : Advertising Packet type의 한 종류이다. 앞서, 31bytes 이하의 User data에 대해서는 Advertising Signal Packet에 넣어서 보낼 수 있다고 하였다. 하지만 31bytes보다는 크지만, Commection까지 맺어서 보내기는 오버헤드가 큰 데이터가 있을 때, Scan Request, Scan Response를 이용하면 두 번에 걸쳐서 데이터를 나눠 보낼 수 있게 된다. Advertising Packet을 받은 Scanner는 추가적인 User Data(예를 들어, Peripheral 디바이스의 이름)를 얻기 위해 Scan Request를 보내게 된다. Scan Request를 받은 Advertiser는 나머지 데이터를 Scan Response Signal에 담아서 보낸다.
이들은 크게 Connection 전의 역할(Advertiser, Scanner), 후의 역할(Master, Slave)로 분류된다.
Link Layer는 5가지 State를 가지고 있는데, 각 디바이스는 서로 연결이 되는 과정에서 이 State를 변화시킨다. 다음과 같은 5개의 State가 존재한다.
아래 그림은 각각의 State를 Diagram으로 나타낸 것이다.
Generic Access Profile (GAP)는 서로 다른 제조사가 만든 BLE 디바이스들끼리 서로 호환되어 통신할 수 있도록 해주는 주춧돌 역할을 한다. 즉, 어떻게 디바이스간에 서로를 인지하고, Data를 Advertising하고, Connection을 맺을지에 대한 프레임워크를 제공한다. 그래서 GAP는 최상위 Control Layer라고도 불린다. Advertising Mode일 때, GAP에서 Advertising Data Payload와 Scan Response Payload를 포함할 수 있다.
또한 GAP에서는 BLE 통신을 위해 Role, Mode, Procedure, Security, Additional GAP Data Format 등을 정의한다. 이들은 실제 API와 직접적으로 많은 연관이 있기 때문에 그 내용이 상당히 많지만, 여기서는 BLE Connection과 관련이 있는 Role에 대해서만 알아보겠다.
BLE Data 교환을 관리하는 GATT는 디바이스들이 Data를 발견하고, 읽고, 쓰는 것을 가능하게 하는 기초적인 Data Model과 Procedure를 정의한다. 그래서 GATT는 최상위 Data Layer라고도 불린다. 디바이스간에 low-level에서의 모든 인터렉션을 정의하는 GAP와는 달리, GATT는 오직 Data의 Format 및 전달에 대해서만 처리한다. Connection Mode일 때, GATT Service와 Characteristic을 이용하여 양방향 통신을 하게 된다. Service와 Characteristic에 대한 내용은 여기를 참고하길 바란다.
GATT도 Data 처리와 관련해서 다음과 같은 역할을 정의한다.
BLE 통신에서는 두 가지 종류의 패킷인 Advertising Packet, Data Packet만이 존재한다. Connection을 맺기 전에는 Advertising Packet type, 맺은 후에는 Data Packet type으로 Signal을 생성한다. Data Packet은 하나로 통일되지만, Advertising Packet은 특정 기준에 따라서 다음과 같은 성질들을 갖는다.
위의 내용을 종합하면, Advertising pakcet을 아래와 같이 4가지 type으로 나눌 수 있다.
BLE 통신의 핵심은 ‘timing’이다.
Connection 전, 디바이스는 3개의 Advertising Channel을 이용해서 데이터를 주고 받는다고 했다. 이들은 이 3개의 Channel을 자신만의 time interval로 hopping한다. 서로의 hopping 규칙이 일치하지 않기 때문에 Channel이 서로 엇갈리는 경우가 많을 것이다. 예를 들어, Advertiser는 1번 Channel에 Advertising Packet을 보냈는데, 같은 시간에 Scanner는 3번 Channel에 대해서 Scanning을 하게 되면 데이터 전달이 되지 않는 것이다. 하지만 이러한 hopping이 빠르게 자주 일어나기 때문에, 두 디바이스가 같은 Channel에 대해 Advertising와 Scanning이 발생하는 경우도 많이 생긴다. 이 경우에 서로 데이터를 주고 받을 수 있다.
Connection이 되면, Advertising은 종료되고 기기들은 Central, Peripheral 중 하나의 역할을 하게된다. Connection을 개시한 기기가 Central이며, Advertiser가 Peripheral이 된다. 그리고 두 디바이스는 엇갈렸던 hopping 규칙을 통일시킨다. 그렇게 함으로써, 매번 같은 채널로 동시에 hopping하면서 Signal을 주고 받을 수 있게 된다. 이는 둘 간의 Connection이 끊어질 때까지 지속된다.
디바이스간의 BLE 연결을 iPhone과 Zikto Walk와의 연결과정으로 설명하면 다음과 같다.
1) Zikto Walk가 Advertising Channel을 hopping하면서 Advertising Packet을 보낸다.(Zikto Walk의 Advertising Packet 유형은 ADV_IND이다)
2) iPhone Bluetooth를 켠 후, Zikto 앱에 Zikto Walk를 등록한다. iPhone은 Advertising Channel을 hopping하면서 Scan을 하다가 연결하려는 Zikto의 디바이스 이름 등의 추가적인 정보를 얻기위해 SCAN_REQ를 보낸다.
3) SCANREQ를 받은 Zikto Walk는 SCANRSP를 보낸다.
4) Pairing이 완료되고, Zikto Walk는 다시 Advertising Packet을 다시 일정 주기마다 보낸다.
5) iPhone에서 Zikto Walk로부터 걸음 수 등의 Data를 받기 위해 Sync 버튼을 누른다. 이 버튼을 누르면 iPhone은 CONNECT_REQ를 보낸다.
6) Zikto와 iPhone은 서로 Acknowledging을 시작하고, timing 정보 등을 동기화 한다.
7) Connection이 완료된다.
8) Connection이 완료된 후, Service Data, Characteristic Data 등에 대한 Data 교환이 일어난다.
9) iPhone과 Zikto Walk간에 Data Sync가 완료되면, Connection이 해제되고, 다시 Advertising Packet을 보낸다. 이를 그림으로 표현하면 아래와 같다.
디바이스간 BLE를 이용한 통신 과정에 대해 알고나니, Bluetooth Signal Packet도 Capturing 할 수 있을 거라는 생각이 들었다. 검색을 해 본 결과, 오픈소스 Bluetooth Test tool인 Ubertooth라는 장치로 디바이스간의 BLE 통신을 tracking 할 수 있다는 사실을 알게 되었다. 가격은 100달러로 생각보다 저렴했지만 국내에서는 구매할 수가 없었다. 그렇다고 궁금한 것을 해보지도 않고 포기하는 것은 엔지니어의 마인드가 아니지 않겠는가. 직접 아마존 (www.amazon.com)에서 해외구매를 하였다. 이렇게 바다 건너 멀리서 날아온 Ubertooth를 사용했던 경험을 바탕으로, Ubertooth의 원리와 BLE 통신에 대해서 조금 더 자세히 설명을 해보고자 한다.
Ubertooth는 10cm정도의 몸체와 그와 비슷한 길이의 안테나를 가지고 있는 매우 작고 귀여운 모양이다. 이것이 이름하여 Ubertooth!
오픈소스이기 때문에 모든 소스가 공개되어 있고, 소스를 빌드하고 사용하는 방법도 Ubertooth Github 및 Ubertooth Blog에 잘 나와 있어서 사용하기가 수월했다.
Ubertooth는 크게 Bluetooth Classic을 tracking하는 기능과 BLE를 tracking하는 기능으로 나뉘는데, 여기서는 BLE 통신을 tracking 하는 원리에 대해서 다루겠다.
BLE는 앞에서 언급했다시피, Connection 전, 후로 통신하는 방법이 다르다. 그리고 위의 내용들을 꼼꼼히 읽은 독자라면 BLE 통신에서 가장 중요하다고 언급했던 timing 이라는 것을 기억할 것이다. timing 은 BLE 통신에서 굉장히 중요한 요소이기 때문에, 보다 더 자세하고 쉽게 설명을 해보겠다.
종이컵 전화기를 사용하여 대화를 해야하는 두 사람이 있다. 종이컵 전화기는 총 40개가 놓여져 있다. 이 두 사람은 40개 전화기 중 하나를 사용해서 대화를 주고 받고, 일정시간 뒤에 다음번 전화기를 이용해야 한다. 이러한 커뮤니케이션 방식에서 소통을 하기 위해서는 한 전화기로 얼마만큼의 시간동안 통화를 할 것인지, 다음 전화기는 어떤 전화기를 사용할 것인지, 그리고 어떤 방식으로 자신들의 대화를 다른 사람들의 대화들로부터 구분할 것인지 등에 대해 알아야 할 것이다. 이것들이 위에서 말했던 timing 관련 정보이다.
실제 BLE 통신에서 timing 과 관련된 정보들은 다음과 같다 : Access Adress, CRC Info, Hop Interval, Hop Increment (해당 내용들에 대한 자세한 설명은 여기를 참고하기 바란다). BLE 통신을 하는 디바이스들은 이 timing 관련 정보를 동기화하여, Connection이 맺어진 이후에 해당 규칙에 따라 Channel을 hopping하면서 데이터를 주고 받는다. Ubertooth는 바로 이 정보를 알아내어, Master, Slave와 같은 패턴으로 Channel을 hopping하면서 대화를 엿듣는다. 아까 말한 종이컵 전화기에 빗대어 말하면, 제 3자(Ubertooth)가 두 사람이 정한 대화 규칙을 알아내서, 매번 이들이 전화기를 바꿔가며 대화를 할 때 마다 해당 전화기의 대화 내용을 엿듣는 것이다. 굉장히 흥미로운 방법이 아닐 수 없다. 그렇다면 Ubertooth는 어떻게 이 정보를 알아낼까?
두 디바이스가 연결되기 전, Ubertooth가 timing 관련 정보를 알아내는 방법은 매우 간단하다. Scanner가 Advertiser에게 Connection을 맺기위해 보냈던 CONNECT_REQ을 기억하는가? 공교롭게도 해당 패킷에는 이 네 가지 정보가 전부 들어있다. Ubertooth는 그 정보를 추출해내어 저장해 두고, 그 규칙에 맞게 Channel을 hopping하면서 Signal Data를 전부 엿듣는다.
이미 연결된 디바이스들은 CONNECT_REQ를 보낼 일이 없다. 그러면 Ubertooth는 Connection 이후의 상황에 대해서는 Signal Data를 엿듣지 못하는 것일까? 아니다. Connection 이후의 상황에 대해서 Ubertooth는 다음과 같은 방법을 이용한다.
BLE Signal Packet은 Advertise Mode이든 Connection Mode이든간에 무조건 하나의 Signal Packet format만 존재하기 때문에, Packet마다 특정 정보가 존재하는 부분은 어느 Packet에서나 똑같다. 4가지 정보 중 Access Address라는 것은 모든 Signal Packet마다 존재한다. Access Address라는 것은 두 디바이스간의 Unique한 Connection을 나타내는 4bytes 크기의 Identifier로써, CONNECT_REQ를 보내는 디바이스에 의해 랜덤하게 생성된다. Ubertooth는 37개의 Data Channel을 hopping하면서 모든 Data Packet의 Access Address를 추출해내어 Look Up Table 형태로 저장해 놓는다. 그리고는 각각의 Access Address가 등장한 횟수를 세게 되는데, 가장 먼저 특정 횟수만큼 등장한 Access Address를 target으로 잡는다. 나머지 3가지 정보는 각각 추출해내는 방법 및 알고리즘이 따로 존재하는데 해당 내용도 위에 언급한 사이트에 잘 나와있다. 이렇게 해서 네 가지 정보를 알아낸 Ubertooth는 두 디바이스와 같은 패턴으로 Channel을 hopping하면서 Signal Data를 엿듣는다.
이렇게 보면, Ubertooth로 모든 것을 할 수 있을 것처럼 보이지만, 몇 가지 한계점이 있기도 하다. Ubertooth가 timing 관련 정보를 얻어내는 과정에 대해 다시 한 번 생각해보길 바란다. 잘 모르겠다면, 직접 Ubertooth 구매하여 테스트를 해보는 것도 엔지니어로써 굉장히 좋은 경험이 될 것이다.
BLE 통신과 이를 tracking하는 Ubertooth에 대해서 알아보았다. 매우 장황한 내용처럼 보이지만 이것도 매우 압축해서 설명한 것이다. 하나하나 디테일하게 쓰기 보다는 BLE를 처음 접하는 사람이 최대한 이해하기 쉽도록 작성하는 것에 초점을 맞추었다. 위의 내용들을 바탕으로, 독자들이 BLE에 더 넒고 깊은 지식을 얻게 되었으면 하는 바램이다. 글을 읽으면서 Bluetooth Classic은 어떻게 통신하는지에 대해 궁금하신 분들도 있을거라 생각한다. 이에 대해서 간단히 언급하자면, Bluetooth Classic 통신 방식은 BLE보다 훨씬 더 복잡하다. BLE에 대해서 어느 정도 알게 되었다면, Bluetooth Classic에 도전해보는 것도 괜찮을 것이다. BLE내용과 관련해서 보충이 필요한 내용이나, 관련 경험 혹은 궁금한 점 등에 대해서 아낌없이 조이와 공유해주길 바란다.
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