蓝牙技术的工作原理、连接、范围与安全性

一、蓝牙连接

随着世界联系日益紧密，我们采用了许多技术来与亲朋好友保持联系，蓝牙技术就是其中最流行的技术之一，它存在于我们日常使用的许多设备中。这种无线技术将鼠标和键盘连接到电脑，在早上通勤时将手机连接到汽车以便收听最新的播客，还能将智能手表和运动追踪器连接到智能手机。

当任意两个设备需要相互通信时，在开始对话之前，它们必须在多个方面达成一致。首先是物理方面：它们是通过电线还是无线信号进行通信？如果使用电线，需要多少根——一根、两根、八根还是25根？一旦物理属性确定，就会出现更多问题：

每次发送多少数据？例如，串口每次发送1位数据，而并口一次发送多位数据。

它们将如何相互通信？电子通信中的所有参与方都需要知道这些位的含义，以及接收到的消息是否与发送的消息相同。这意味着要开发一套称为协议的命令和响应。

由于不需要物理连接，蓝牙特别兴趣小组（SIG）为硬件制造商创建了无线技术标准，供他们在制造新设备时使用。随着技术的发展，无线通信技术也在发展。在撰写本文时，开发人员使用两种蓝牙技术标准来保持连接。虽然相似，但它们之间存在细微差异，这使得它们适用于不同的应用场景。下面我们将了解这两种蓝牙技术。

二、蓝牙技术如何运行

蓝牙基本速率/增强数据速率（BR/EDR）设备必须始终配对，这个过程使得两个设备相互信任，并能够使用加密技术以安全的方式交换数据。

当蓝牙BR/EDR设备进入彼此的范围时，会进行电子对话以确定它们是否相互信任以及是否有数据要共享。用户通常不需要按下按钮或发出命令——电子对话会自动进行。一旦对话发生，这些设备——无论是计算机系统的一部分还是立体声音响——就会形成一个网络。

蓝牙低功耗（LE）的工作方式不同。设备也可能配对以在它们之间形成信任关系，但并非所有类型的产品都需要这样。一个想要被发现的蓝牙LE设备会在一个称为广播的过程中发送特殊消息（称为数据包）。广播数据包包含有关广播设备的有用信息。另一个合适的设备将通过扫描（监听）广播数据包并选择来自合适设备的数据包来找到广播设备。通常，只有当用户通过例如在智能手机应用程序中按下按钮触发时才会进行扫描。通常，然后会向用户呈现所发现的合适设备的详细信息，然后用户选择一个进行连接。

连接到同一个中心设备（例如智能手机）的蓝牙外设（例如运动追踪器和智能手表）形成一个个人区域网络（PAN）或微微网，这个网络可能覆盖整个建筑物，也可能仅仅涵盖从口袋里的智能手机到手腕上手表之间的距离。一旦建立了微微网，其成员会同步跳频，这样它们就能保持相互联系，并避免干扰可能在同一房间内运行的其他蓝牙微微网或使用其他无线技术（如WiFi）的设备。蓝牙技术甚至能了解哪些无线电信道工作良好，哪些正在受到干扰，以便它能够动态地避开不良信道，只使用没有干扰的信道。这个过程称为自适应跳频，即使在有大量无线设备运行的环境中，也能让蓝牙设备很好地工作。

三、蓝牙范围

虽然很多人认为蓝牙主要是一种短距离技术，但它也可用于连接相距超过1千米（3280英尺）的设备[来源：蓝牙特别兴趣小组（SIG）]。事实上，许多类型的产品，如无线耳机，要求设备的通信范围非常短。但由于蓝牙技术非常灵活，可以根据应用需求进行配置，制造商可以调整其设备上的蓝牙设置，以达到所需的范围，同时最大限度地延长电池寿命并获得最佳信号质量。

有几个因素会影响蓝牙设备的范围：

1. 无线电频谱：蓝牙技术的频段使其成为无线通信的良好选择。

2. 物理层（PHY）：这定义了无线电如何用于发送和接收数据的一些关键方面，如数据速率、如何进行错误检测和纠正、干扰保护以及其他影响不同范围内信号清晰度的技术。

3. 接收器灵敏度：接收器能够接收并正确解码数据的最小信号强度的度量。

4. 传输功率：正如你可能预期的那样，传输信号强度越高，能够达到的范围就越长。但增加传输功率也会更快地耗尽电池电量。

5. 天线增益：本质上，这是在发射端将电信号转换为无线电波，在接收端再转换回来。

6. 路径损耗：有几个因素可能会削弱信号，包括距离、湿度以及信号传播的介质（如木材、混凝土或金属）。

蓝牙技术最近的一次更新引入了一种称为前向纠错（FEC）的技术来提高接收器灵敏度。FEC纠正接收端检测到的数据错误，并将设备的有效范围提高四倍或更多倍，而无需使用更多的传输功率。这意味着当设备距离发射机更远（信号将更弱）时，它也能成功接收数据[来源：蓝牙特别兴趣小组（SIG）]。

四、蓝牙安全

蓝牙技术包含许多安全措施，甚至可以满足最严格的安全要求，例如联邦信息处理标准（FIPS）中的要求。

在设置新设备时，用户通常会经历一个称为配对的过程。配对为每个设备配备特殊的安全密钥，使它们相互信任。需要配对的设备不会连接到未与之配对的其他设备。

这些安全密钥使蓝牙技术能够以多种方式保护数据和用户。例如，设备之间交换的数据可以被加密，这样其他设备就无法读取。它还可以允许每隔几分钟伪装和更改作为设备标识且包含在无线数据交换中的地址。这保护用户免受因个人电子设备传输的数据而被跟踪的风险。

如果你拥有支持蓝牙的设备，你自己就有过这样的体验。例如，如果你购买一个无线鼠标，第一次打开它时，你会将它与计划使用的设备进行配对。你可能会打开鼠标，然后在电脑的蓝牙设置中看到附近蓝牙配件列表中的鼠标名称后进行配对。电脑在设计上可以同时处理多个蓝牙连接。你可能想要使用无线鼠标、键盘和耳机。

然而，这些配件的制造商将限制每次只能连接一个设备。你希望你的键盘只在你的电脑上打字，或者你的耳机只专门收听你的手机。有些允许用户将设备与多台电脑、平板电脑或手机配对，但可能一次只允许连接一个。这完全取决于制造商认为对其产品合理的设置。

一些设备在与其他设备配对时需要一个安全代码。这是一种身份验证的示例，它确保你正在与之建立信任关系的设备就是你认为的那个设备，而不是环境中其他地方的设备。例如，许多汽车允许你在不离开方向盘的情况下接听电话。第一次想要使用这个功能时，你将需要使用汽车的娱乐显示屏和你的智能手机一起将你的手机和汽车的音频系统进行配对。汽车会给你一个数字让你输入。你的手机会通知你有一个设备想要使用数字代码进行配对。你从娱乐显示屏输入代码以确认这是一个授权的配对。之后，你就可以使用免提电话系统，而无需再次配对。

用户还可以控制设备对其他蓝牙设备的可见性。例如，在电脑或智能手机上，你也可以简单地将设备的蓝牙模式切换为“不可发现”，或者直接禁用蓝牙，直到再次需要它。

五、蓝牙常见问题解答

1. WiFi和蓝牙有什么区别？

WiFi和蓝牙都是用于连接设备的无线技术，但WiFi主要用于将设备连接到互联网，而蓝牙用于在短距离内的电子设备之间传输数据。

2. 什么是蓝牙驱动程序？

蓝牙驱动程序允许支持蓝牙的笔记本电脑、台式电脑或平板电脑与其他支持蓝牙的设备（如鼠标、键盘和耳机）进行无线通信。它通常可以同时处理与多个蓝牙设备的配对。

3. 哪些设备使用蓝牙？

蓝牙最初是作为有线键盘、耳机和扬声器的无线替代品而发明的。现在，蓝牙被广泛使用，从将手机连接到汽车、耳机连接到手机，到智能家居安全小工具。

4. 谁监管蓝牙技术？

蓝牙特别兴趣小组（SIG）为硬件制造商创建无线技术标准，供他们在制造新设备时使用。

5. 最新的蓝牙版本是什么？

蓝牙5.2是蓝牙无线通信标准的最新版本。此外，2020年1月，SIG宣布了一种新的蓝牙音频标准，称为低功耗（LE）音频。

6. 如何给电脑添加蓝牙功能？

大多数电脑已经内置了蓝牙功能，所以在购买任何东西之前先仔细检查你的电脑是否真的没有蓝牙功能。如果需要添加蓝牙功能，你需要一个空闲的USB端口。购买一个USB蓝牙适配器或加密狗并将其插入端口，然后从适配器制造商的网站下载驱动程序（或者它可能会自动提示你下载）。一旦完成这些操作，你应该就能够配对你的蓝牙设备并开始使用它们。