11.3. 무선과 링크 계층

BLE 스택의 최하위 두 계층은 Python의 관점에서 거의 전적으로 자동입니다 – 무선 실리콘과 그 위에서 MicroPython이 동작하는 계층들이 채널 선택부터 손실된 패킷의 재전송까지 모든 것을 처리합니다. 그럼에도 그들이 내리는 선택 중 세 가지는 사용자 대상 API로 드러납니다: 전력, 거리, 처리량입니다.

11.3.1. 무선 통신(radio)

BLE는 Wi-Fi, 전자레인지, 그리고 대부분의 다른 근거리 무선과 같은 2.4 GHz 산업-과학-의료(ISM) 대역을 사용합니다. 이 대역은 폭 2 MHz의 40개 채널로 나뉩니다.

• 40개 채널 중 세 개는 광고(advertising) – 자신의 존재를 듣고 있는 누구에게나 알리는 짧은 브로드캐스트 – 를 위해 예약되어 있습니다. 이들은 대역 전체에 걸쳐 분산 배치되어, 청취자가 셋 모두를 빠르게 훑을 수 있고 어느 한 채널의 간섭만으로 장치가 완전히 통신 불능이 될 가능성이 낮습니다.

• 서른일곱 개는 데이터 채널입니다. 두 장치가 연결되면 이 채널들에서 패킷을 교환하며, 연결 시점에 양쪽이 합의한 의사 난수 시퀀스에 따라 채널 사이를 도약(hop)합니다. 적응형 주파수 도약(adaptive frequency hopping)은 어느 쪽이든 채널을 나쁜 채널(심한 Wi-Fi 간섭, 전자레인지, 이웃 BLE 네트워크)로 표시하여 시퀀스가 그 채널을 건너뛰게 할 수 있습니다.

2.4 GHz 대역의 40개 BLE 채널. 셋은 광고용이고, 나머지는 열린 연결에서 트래픽을 운반합니다.

무선은 짧은 패킷 – 길어야 몇 밀리초 – 을 전송하고 그 사이에는 잠듭니다. 그 잠듦이 바로 이 기술을 저에너지(low energy)로 만드는 요소입니다. 일반적인 BLE peripheral은 실제로 전송하는 시간이 전체의 1퍼센트에 훨씬 못 미치며, 나머지 시간에는 예정된 이벤트 사이에 무선이 전원 차단 상태로 있습니다.

11.3.2. 링크 계층

링크 계층은 다른 장치의 상대편과 통신하는 BLE의 최소 단위입니다. 이것은 네 가지 일을 처리합니다.

• 패킷 프레이밍. 각 패킷은 짧은 헤더(채널 액세스 주소, 패킷 길이, 제어 비트), 페이로드, 그리고 CRC를 운반합니다. 수신자는 CRC를 확인하고 손상된 것은 무엇이든 버립니다.

• 주소 지정. 모든 BLE 장치는 무선상에서 자신을 식별하는 48비트 장치 주소(device address)를 가집니다. 일부는 공용(public)입니다 – 제조사가 할당한 하드웨어 식별자로, 영구적으로 추적 가능합니다. 일부는 무작위(random)입니다 – 장치에서 생성되어 주기적으로 교체되며, 도청자가 두 전송을 동일한 물리 하드웨어에 연결하지 못하도록 선택적으로 암호화됩니다. 주소는 광고와 스캔에서 다시 다룹니다.

• 연결 스케줄링. 두 장치가 연결되면 링크 계층은 도약 시퀀스에서 주기적인 무선 이벤트를 – 고정된 연결 간격(connection interval) 만큼 떨어뜨려 – 스케줄링하고, 위쪽 GATT 계층에서 대기 중인 데이터를 각 이벤트에 채워 넣습니다. 양쪽은 이벤트 사이에 다시 잠듭니다. 연결 간격은 애플리케이션이 요청할 수 있는 조정 항목입니다(연결 참조).

• 신뢰성. 연결상의 각 패킷은 상대방에 의해 확인 응답(acknowledge)됩니다. 링크 계층은 응답을 받지 못한 것은 무엇이든 재전송하므로, 위쪽 계층들은 순서가 보장되고 손실 없는 바이트 스트림을 보게 됩니다. 네트워킹 측의 UDP – 패킷을 보내고 잘 되기를 바라기와 달리, BLE는 정상 사용 시 별도의 비신뢰 모드를 갖지 않습니다 – 열린 연결상의 모든 패킷은 도착하거나 링크가 끊긴 것으로 선언될 때까지 재시도됩니다.

링크 계층은 또한 한 쌍의 장치가 페어링 중에 키에 합의하고 나면 암호화가 실행되는 곳이기도 합니다(페어링 및 본딩 참조). 암호화된 링크상의 모든 패킷은 위쪽 계층들이 보기 전에 수신측에서 복호화됩니다.

11.3.3. 카메라와 상대방이 공유하는 것

양쪽 끝의 무선은 연결 시점에 대화를 좌우하는 몇 가지 매개변수에 합의합니다:

• 연결 간격(connection interval) – 두 쪽이 패킷을 교환하기 위해 얼마나 자주 깨어나는지로, 7.5 ms에서 4 s까지입니다.

• peripheral 지연(peripheral latency) – peripheral이 할 말이 없을 때 전력 절약을 위해 연속으로 몇 개의 간격을 건너뛸 수 있는지입니다.

• 감시 타임아웃(supervision timeout) – 상대방이 잠잠해졌을 때 어느 쪽이든 링크가 끊겼다고 선언하기 전에 얼마나 기다리는지입니다.

• MTU – 어느 쪽이든 GATT에 전달할 가장 큰 단일 패킷(기본값 23바이트, 협상으로 늘릴 수 있음)입니다.

무선과 링크 계층은 함께 양쪽 무선을 가능한 한 많이 꺼둔 채로 한 장치에서 다른 장치로 신뢰성 있고 순서가 보장된 패킷을 전달하는 일을 책임집니다. 그 위의 모든 계층은 두 엔드포인트 사이에 깨끗하고 사적인 바이트 채널이 존재하는 것처럼 동작할 수 있습니다.

11.3.4. Python이 이 모든 것에서 보는 것

거의 아무것도 없습니다. bluetooth와 aioble API는 채널, 도약 시퀀스, 패킷 CRC, 재전송 타이머를 노출하지 않습니다. 이들은 모두 BLE 포트와 무선 내부에서 처리됩니다. 실제로 드러나는 부분은 연결 시점 협상이 노출하는 것들 – 연결 간격, MTU, 주소 유형 – 입니다.