[HM-10] 클래식 블루투스의 통신 원리 || 어떻게 통신이 이루어질까

 

 

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클래식 블루투스의 원리

어떻게 통신이 이루어질까

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1부 [HM-10] Bluetooth란? || 블루투스부터 시작하는 BLE

2부 [HM-10] 클래식 블루투스의 통신 원리 || 어떻게 통신이 이루어질까

3부 [HM-10] BLE란? || 저전력 블루투스의 등장

4부 [HM-10] BLE의 동작 원리 || BLE는 어떻게 연결되는가

5부 [HM-10] HM-10 데이터시트 || 주요 사항부터 AT커맨드까지

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블루투스는 우리가 일상에서 가장 자주 접하는 무선 통신 기술 중 하나입니다.

이어폰, 키보드, 마우스처럼 익숙한 기기들 대부분이 블루투스를 통해 연결되고 있는데, 그 내부에서는 생각보다 복잡한 통신 구조가 동작하고 있습니다.

이번 글에서는 클래식 블루투스가 어떤 방식으로 연결을 만들고, 주파수를 바꾸며, 여러 기기와 통신하는지 살펴보겠습니다.

 

 

클래식 블루투스(Classic Bluetooth)의 특징

 

지난 시간에서 알아보았듯 블루투스는 약 2.4GHz ISM 대역으로, 대부분 국가에서 별도 허가 없이 사용할 수 있는 공용 주파수 대역을 사용합니다.

 

하지만 이 주파수 대역은 Wi-Fi, 전자레인지, 무선 전화기 등 다양한 기기들도 함께 사용하기 때문에 신호 간섭이 발생할 가능성이 있습니다.

블루투스에서는 이 문제를 주파수 도약(Frequency Hopping) 방식을 통해서 해결합니다.

 

즉, 클래식 블루투스는 2.4GHz 대역을 사용하는 근거리 무선 통신 기술이지만 단순히 같은 주파수를 계속 사용하는 방식이 아니라, 매우 짧은 시간마다 채널을 계속 바꾸며 데이터를 주고받게 됩니다.

이러한 구조 덕분에 주변 Wi-Fi, 전자기기, 무선 장치가 많아도 비교적 안정적인 통신이 가능한 것입니다.

 

 

주파수 도약(FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum)

 

주파수 도약(Frequency Hopping)이란, 여러 개의 채널을 빠르게 전환하면서 데이터를 전송하는 무선 통신 기술입니다.

하나의 고정 주파수만 계속 사용하면 특정 구간에서 노이즈나 간섭이 발생했을 때 통신 품질이 급격히 떨어질 수 있습니다.

 

특히 2.4GHz ISM 대역은 수많은 장치가 동시에 사용하는 구간이기 때문에 이를 해결하기 위해 2.4GHz 대역을 79개의 채널로 나누고, 이 채널들 사이를 초당 1,600번 빠르게 이동하면서 데이터를 송수신합니다.

이러한 특징 덕분에 특정 채널에서 다른 기기의 신호로부터 간섭이 발생하더라도, 다른 채널로 빠르게 이동하며 통신을 지속할 수 있어 영향을 줄일 수 있습다.

 

여기서 중요한 점은, 통신하는 두 기기가 동일한 도약 패턴과 타이밍으로 동기화되어 있어야만 정상적인 통신이 가능합니다.

도약 패턴이란 채널 전환 순서로, 기준을 생성하는 쪽이 마스터(Master), 그 패턴에 맞춰 동기화하는 쪽이 슬레이브(Slave) 입니다.

 

 

피코넷(Piconet) 과 스캐터넷(Scatternet)

 

 

클래식 블루투스 장치끼리 연결되면 작은 무선 네트워크가 형성되는데, 이를 피코넷(Piconet)이라고 합니다.

이는 하나의 마스터(Master)와 최대 7개의 슬레이브(Slave) 기기로 구성되는 소규모 네트워크입니다.

피코넷 내부 장치들은 모두 같은 주파수 도약 규칙을 따라 움직이는데, 그래야 서로 어느 채널에서 통신할지 알고 데이터를 주고받을 수 있기 때문이다.

 

또한 하나의 장치는 여러 피코넷에 동시에 참여할 수도 있습니다.

이러한 여러 개의 피코넷을 연결한 구조를 스캐터넷(Scatternet) 이라고 합니다.

이는 한 기기가 두 피코넷에 각각 연결되어, 한 피코넷에서는 마스터 역할을 하고 다른 피코넷에서는 슬레이브 역할을 하며 두 네트워크를 연결하는 브리지 역할을 할 수 있습니다.

 

 

마스터(Master)와 슬레이브(Slave) 역할

 

마스터는 피코넷의 중심 장치로서 전체 통신을 제어합니다.

연결 시작, 통신 타이밍 관리, 기준 클락(Clock) 생성, 주파수 도약 패턴 결정 등의 역할을 수행하며, 슬레이브 장치들은 이에 맞춰 동기화됩니다.

 

따라서 슬레이브는 마스터의 제어에 따라 동작합니다.

마스터가 결정한 클락과 주파수 도약 패턴에 맞춰 채널을 이동하며 데이터를 송수신한다.

 

또한 슬레이브는 일반적으로 마스터를 통해서만 통신할 수 있으며, 슬레이브끼리 직접 통신하는 구조는 사용하지 않습니다.

 

 

구분	마스터(Master)	슬레이브(Slave)
역할	네트워크 전체 제어	마스터의 제어에 따라 동작
클락(Clock)	클락 생성 및 기준 제공	마스터 클락에 동기화
도약 패턴	주파수 도약 패턴 결정	마스터 패턴에 맞춰 이동
통신 방식	슬레이브와 개별 통신	마스터와만 통신 가능
수	피코넷당 1대	피코넷당 최대 7대

 

 

페어링(Pairing)

 

페어링(Pairing) 이란 두 블루투스 기기가 처음으로 연결할 때 서로를 신뢰 가능한 장치로 등록하는 과정입니다.

쉽게 말하면 "이 기기와 연결해도 괜찮다"는 것을 서로 확인하고, 이후 통신에 사용할 암호화 키 생성하고 공유하는 절차입니다.

 

한 번 페어링된 장치는 저장된 정보를 바탕으로 자동 재연결이 가능한데, 연결 과정에서 초기 블루투스 장치는 “0000”, “1234” 같은 PIN 번호를 입력하는 경우가 많았습니다.

이후 블루투스가 발전함에 따라 사용자가 숫자를 직접 입력하지 않아도, 장치 간 인증과 암호화를 통해 페어링이 진행되는 경우가 많아졌습니다.

 

 

페어링 과정은 일반적으로 다음 순서로 진행이 됩니다.

 

1. 기기 검색

연결하려는 기기가 주변에 자신의 존재를 알리는 신호를 송출합니다.

상대 기기는 이 신호를 스캔해 연결 가능한 장치 목록을 표시합니다.

 

2. PIN 코드 또는 인증 확인

보안을 위해 PIN 코드를 입력하거나, 화면에 표시된 숫자를 확인하는 과정이 진행됩니다.

일부 장치는 사용자 입력 없이 자동 인증을 수행하기도 합니다.

 

3. 링크 키(Link Key) 생성

두 기기가 인증 과정에서 교환한 정보를 바탕으로 링크 키를 생성합니다.

이 키는 이후 통신을 암호화하는 데 사용됩니다.

 

4. 연결 완료

페어링이 완료되면 두 기기는 신뢰 기기 목록에 서로를 등록합니다.

이후에는 저장된 정보를 기반으로 자동 재연결이 가능해집니다.

 

 

블루투스 클래스(Class)란?

 

블루투스 클래스(Class)는 기기의 송신 출력과 통신 가능 거리를 구분한 기준입니다.

기본적으로 2.4GHz 무선 통신을 사용하기 때문에 출력이 높을수록 보통 먼 거리까지 통신할 수 있습니다.

 

하지만 출력이 높아질수록 전력 소모 역시 증가하게 됩니다.

또한 클래스가 같다고 해서 실제 통신 성능이 항상 동일한 것은 아닙니다.

실제 통신 거리는 벽, 장애물, 안테나 성능, 주변 전파 환경 등에 따라 크게 달라질 수 있기 때문입니다.

 

그중 일반 소비자용 주변기기에서 오랫동안 가장 널리 쓰인 것은 Class 2입니다.

단거리 통신을 하는 블루투스 키보드, 마우스 등과 같은 일반 소비자용 장치 대부분이 여기에 해당합니다.

 

클래스	최대 출력	일반적인 통신 거리
Class 1	100mW	약 100m
Class 2	2.5mW	약 10m
Class 3	1mW	약 1m

 

 

프로파일(Profile)이란?

 

프로파일(Profile)은 블루투스 장치가 어떤 기능을 수행할 수 있는지를 정의한 규격입니다.

 

블루투스는 단순히 연결만 해주는 기술이 아니라, 음악 전송용인지, 통화용인지, 마우스나 키보드 같은 입력 장치용인지를 프로파일로 구분합니다.

즉 블루투스 기기마다 기능이 다른 이유는, 각 기기가 서로 다른 프로파일 조합을 지원하기 때문입니다.

 

예를 들어 어떤 이어폰은 음악 재생만 가능하고, 어떤 이어폰은 통화까지 지원합니다.

또 어떤 스피커는 재생 제어 버튼을 지원하고, 어떤 키보드는 멀티페어링 기능을 지원하기도 합니다.

 

이처럼 지원하는 프로파일에 따라 기능이 달라지기 때문에 블루투스가 연결되었다고 해서 모든 기능을 사용할 수 있는 것이 아니며, 해당 기능에 필요한 프로파일을 양쪽 기기가 지원해야 정상적으로 사용할 수 있습니다.

 

 

주요 프로파일 몇가지

 

GAP

블루투스 장치의 검색, 연결, 페어링 같은 기본 동작 방식을 정의하는 기본 프로파일입니다.

쉽게 말해 다른 블루투스 기능들이 동작할 수 있도록 기본 구조를 제공하는 역할을 합니다.

 

HID

마우스, 키보드 같은 입력 장치용 프로파일입니다.

컴퓨터에 블루투스 키보드나 마우스를 연결할 때 사용되며, 버튼 입력이나 키 입력을 전달하는 데 쓰입니다.

 

A2DP

오디오 데이터를 전송하기 위한 프로파일입니다.

이 프로파일은 주로 단방향 오디오 전송에 사용되기 때문에, 음악 재생에는 적합하지만 통화용 마이크 기능과는 별개로 동작하는 경우가 많습니다.

 

HFP

음성 송수신과 통화 제어를 담당하는 프로파일입니다.

마이크와 스피커 데이터를 함께 처리하기 때문에 스마트폰과 차량용 블루투스, 통화용 이어폰에서 많이 사용됩니다.

AVRCP

오디오 장치를 원격 제어하기 위한 프로파일입니다.

이어폰의 버튼으로 볼륨 조절 또는 음악을 재생하거나 일시정지하는 등의 기능이 여기에 해당합니다.

 

SPP

블루투스를 이용해 두 장치 사이에 가상의 시리얼 포트를 만들어, UART처럼 데이터를 주고받을 수 있게 해주는 프로파일입니다.

즉 실제로는 무선 통신이지만, 프로그램 입장에서는 시리얼 포트처럼 동작하게 됩니다.

 

 

청음은 되는데 마이크는 안되는 이어폰의 이유는?

 

이번 시간에 알아본 내용을 생각해본다면 이 질문의 답은 간단합니다.

그 이어폰이 음악 전송용 A2DP는 지원하지만, 통화용 HFP는 지원하지 않기 때문입니다.

예를 들어 저렴한 무선 이어폰이나 음악 재생 전용 장치는 음악 재생만 지원하고 마이크 입력은 아예 넣지 않는 경우가 있습니다.

 

반면 통화도 가능한 이어폰은 A2DP와 HFP를 함께 지원해야 하며, 여기에 재생 제어를 위해 AVRCP가 추가될 수 있습니다.

 

즉, 마이크가 안 되는 것은 고장이 아니라 설계된 기능 범위가 다르기 때문입니다.

 

블루본(Blueborne)

 

@Armis Security

 

 

블루투스가 편리한 무선 통신인 만큼 보안 문제도 존재합니다.

대표적으로 잘 알려진 취약점 사례가 바로 블루본(Blueborne) 입니다.

 

블루본은 블루투스 신호의 취약점을 이용한 해킹 공격 방식입니다.

블루투스를 지원하는 기기는 연결 가능한 상대 기기의 신호를 항상 수신 대기 상태로 두는데, 블루본은 이 점을 악용합니다.

 

특히 일부 경우에는 사용자가 직접 페어링하지 않아도 근처 기기에 무선으로 접근해 기기에 저장된 파일을 열람하거나 탈취하고, 카메라를 원격으로 활성화하거나 도청하는 등의 위험성이 컸습니다.

 

이 사건 이후 블루투스 보안은 더욱 강화되었으며, 최신 장치들은 암호화 및 인증 절차가 크게 개선되지만, 그렇다 하더라도 블루투스를 안전하게 사용하려면

 

사용하지 않을 때는 블루투스를 꺼두기.

출처가 불분명한 장치와의 연결 금지.

운영체제와 블루투스 펌웨어를 최신 상태로 유지하기.

공개 장소에서는 자동 연결 기능을 제한하기.

 

등 의 수칙을 지키는 것이 좋습니다.

 

 

마무리

 

블루투스는 단순히 기기를 무선으로 연결하는 기술처럼 보이지만, 실제로는 주파수 도약, 동기화, 페어링, 암호화 등 여러 복잡한 기술이 함께 동작하는 정교한 통신 방식입니다.

 

그리고 이처럼 블루투스 기기마다 기능이 다른 이유는 클래스와 프로파일이 다르기 때문입니다.

그래서 같은 블루투스 기기처럼 보여도, 어떤 프로파일을 지원하느냐에 따라 음악만 되는지, 통화까지 되는지, 입력 장치로 쓸 수 있는지가 달라집니다.

 

이러한 구조 덕분에 블루투스는 이어폰, 키보드, 마우스, 스마트워치 같은 생활용 기기부터 산업용 센서와 제어 장치까지 다양한 환경에서 안정적으로 활용되고 있습니다.

 

 

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