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Bluetooth

Industriestandard für die Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz
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Bluetooth /ˈbluːtuːθ/ ist ein Industriestandard für die drahtlose Vernetzung von Geräten über kurze Distanz. Bluetooth bietet eine drahtlose Schnittstelle, über die sowohl mobile Kleingeräte wie Mobiltelefone und PDAs als auch Computer und Peripheriegeräte miteinander kommunizieren können. Ein solches Netzwerk wird auch als Wireless Personal Area Network (WPAN) bezeichnet. Für besonders kurze Reichweiten wurde NFC entwickelt.

Datei:CIMG3348 bluetooth-tastatur.jpg
Bluetooth-Tastatur

Geschichte

Die Entwicklung von Bluetooth begann 1994 bei Ericsson, als man nach einer Möglichkeit suchte, die Kabel zwischen Mobiltelefonen und Zusatzgeräten zu ersetzen. Zusammen mit anderen Industriepartnern gründete man 1998 die Bluetooth SIG, um Bluetooth als de-facto-Standard zu etablieren. Um dies zu erreichen, setzte man sich das Ziel, einen Transceiver zu spezifizieren mit geringen Herstellungskosten, flexiblen Einsatzmöglichkeiten, niedrigem Energieverbrauch, Robustheit gegenüber Störungen und der Fähigkeit, Daten für multimediale Anwendungen zu übertragen. Der Bluetooth-Standard ist inzwischen von der Arbeitsgruppe der IEEE für WPANs als IEEE 802.15.1 adaptiert worden.

Der Name Bluetooth stammt vom dänischen König Harald Blåtand (der Nachname bedeutet soviel wie Blauzahn), dem es im Mittelalter als erstem gelang, große Bereiche Skandinaviens (Teile von Dänemark, Schweden und Norwegen) unter seiner Herrschaft zu vereinen. So wie Harald Blåtand die Skandinavier einte, soll Bluetooth die Landschaft der Kommunikation elektronischer Kleingeräte einen.

Ein Ziel der Bluetooth-Entwickler ist es, die verschiedensten Geräte ohne Konfiguration durch den Benutzer miteinander kommunizieren zu lassen. Dies geschieht durch so genannte Profile.

Einen ähnlichen Ansatz kann man bei Apples Rendezvous finden (hier ist es jedoch die herkömmliche Netzwerkstruktur).

Bluetooth-Modul

 
Bluetooth Klasse-1 USB-Stick

Die Basis eines Bluetooth-Systems ist ein Mikrochip, das Bluetooth-Modul. Es benötigt wenig Energie, bietet integrierte Sicherheitsmechanismen und ist günstig herzustellen. Somit kann es in einer breiten Palette von elektronischen Geräten eingesetzt werden. Prinzipiell besteht ein Bluetooth-Modul aus einem HF-Teil und einem Basisband-Controller, der die Schnittstelle zum Hostsystem, zum Beispiel dem PC, Laptop oder Handy darstellt. In der Norm sind drei Sendeleistungsklassen mit 1 mW (0 dBm), 2,5 mW (4 dBm) und 100 mW (20 dBm) definiert, die Reichweiten von 10 m bis 100 m zulassen. Die Stromaufnahme ist gering, liegt im Standby-Betrieb bei 0,3 mA und erreicht maximal 300 mA. Die Empfangsteile besitzen eine Empfindlichkeit von min. -70 dBm und arbeiten mit einer Kanalbreite von 1 MHz.

Funktionsweise

Bluetooth-Geräte senden im lizenzfreien ISM-Band (von Industrial-, Scientific-, Medical-Band) zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz. Sie dürfen weltweit zulassungsfrei betrieben werden. Störungen können aber z.B. durch WLAN-Netze, schnurlose Telefone, Garagentoröffner oder Mikrowellenherde verursacht werden, die im gleichen Frequenzband arbeiten. Um Robustheit gegenüber Störungen zu erreichen, wird ein Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping) eingesetzt, bei dem das Frequenzband in 79 Frequenzstufen im 1-MHz-Abstand eingeteilt wird, die bis zu 1600 Mal in der Sekunde gewechselt werden (es gibt auch Pakettypen, bei denen nicht so oft gewechselt wird). Am unteren und oberen Ende gibt es jeweils ein Frequenzband als Sicherheitsband (Guard Band) zu benachbarten Frequenzbereichen. Theoretisch kann eine Datenübertragungsrate von 723,2 kbps beim Herunterladen bei gleichzeitigen 57,6 kbps beim Heraufladen erreicht werden. Mit der Version 2.0 - auch EDR (Enhanced Data Rate) genannt - können Daten etwa dreimal so schnell übertragen werden, also mit rund 2,2 Mbit/s. Schon in Version 1.1 implementiert: Ein Bluetooth-Gerät kann gleichzeitig bis zu sieben Verbindungen aufrechterhalten, wobei sich diese Geräte die verfügbare Bandbreite teilen müssen.

Bluetooth unterstützt die Übertragung von Sprache und Daten. Eine Verschlüsselung der transportierten Daten ist ebenfalls möglich.

Reichweite

Trotz der geringen theoretischen Reichweite der Bluetooth-Geräte von 10 bis 100 Metern (Klasse I: 100 mW --> 100 m, Klasse II: 2,5 mW --> 20 m, Klasse III: 1 mW --> 10 m) sollte man sich nicht in falscher Sicherheit wiegen. Mit einem modifizierten Bluetooth-USB-Dongle mit Richtfunkantenne ist es zum Beispiel möglich, ein Bluetooth-Handy bei Sichtkontakt noch aus etwa 1,6 Kilometer Entfernung anzusprechen.

Abhörsicherheit

Die behauptete Datensicherheit gegen Abhören ist seit Frühjahr 2005 erklärtermaßen Geschichte. Zwei israelische Funk-Entwickler gaben öffentlich bekannt, daß sie sich mit einem einfachen, leicht nachvollziehbaren Verfahren jederzeit in eine vorhandene, angeblich (abhör-)sichere Verbindung einnisten können. Dieses Daten"fishing" beruht darauf, dass bestimmte Codes des Funk-Empfänger- und Funk-Sende-Moduls neu ausgetauscht werden, wenn eine gezielt eingebrachte Funk-"Störung" des vorhandenen Verkehrs auftritt, wobei sie eben abge"fischt" werden und zum Miteinklinken in eine bisher durch Authentifizierung als sicher geltende Verbindung dienen. Ab dem Moment wird alles offenbar, was verborgen bleiben sollte. Von der abgefischten PIN bis zur TAN, die man für eigene Zwecke abzweigt, bevor sie durch gezieltes Stören zum Geldspeicher von Onkel Dagobert gelangen kann. Panzerknackers Glückstag, wenn der die TAN umgehend für eine gut vorbereitete Transaktion in ein nicht auslieferndes Offshore-Paradies investiert (Quelle: SPIEGEL, 24/2005, Seite 156)

Systemarchitektur

Ein Bluetooth-Netzwerk (Piconet) kann bis zu 255 Teilnehmer umfassen, wovon acht Geräte gleichzeitig aktiv sein können. Es besteht aus einem Master und bis zu sieben weiteren Teilnehmern (Slave). Der Master steuert die Kommunikation und vergibt Sendeslots an die Slaves. Ein Bluetooth-Gerät kann in mehreren Piconetzen angemeldet sein, allerdings nur in einem Netz als Master. Bis zu zehn Piconetze bilden ein Scatternet (von to scatter = ausstreuen), wobei die Teilnehmer untereinander in Kontakt treten können. Hierbei wird jedes Piconet durch eine unterschiedliche Frequency-Hopping-Folge identifiziert.

Bluetooth-Basisband

Es werden zwei unterschiedliche physikalische Datenkanäle zur Verfügung gestellt. Einmal bis zu drei Datenkanäle zum Beispiel für Sprache mit einer festen Datenrate von 64 kbit/s, also mit definierter Bandbreite wie bei ISDN. Dieses Verfahren heißt leitungsvermittelte oder synchrone Verbindung. Die andere Übertragungsform ist die Paketvermittlung oder asynchrone Verbindung, die ein speicherndes Verhalten des Übertragungsgerätes voraussetzt, wie bei der Internet-Technik. Das Bluetooth-Protokoll unterstützt einen asymmetrischen Datenkanal mit Datenraten von maximal 732,2 kbit/s in eine Richtung und 57,6 kbit/s in die Gegenrichtung, oder eine symmetrische Datenverbindung mit 433,9 kbit/s in beide Richtungen.

Werden gerade keine synchronen Datenpakete versandt, kann Bluetooth die asynchrone Übertragung anbieten. Hierüber werden alle Dienste, sowohl das Versenden von Nutzdatenpaketen als auch die Übermittlung von Steuerinformationen, zwischen zwei Bluetooth-Stationen abgewickelt.

Bluetooth-Datenpakete bestehen aus einem 72-bit-Zugriffscode, einem 54-bit-Header sowie einem variablen Nutzdatenfeld von 0 bit bis 2745 bit (Pakettyp DH5) Länge. Für Bluetooth 2.0+EDR sind bis zu 8168 bit Nutzdaten pro Paket (3-DH5) möglich.

Verbindungsaufbau

Sobald Bluetooth-Geräte in Betrieb gesetzt werden, identifizieren sich die einzelnen Bluetooth-Controller innerhalb von zwei Sekunden über eine individuelle und unverwechselbare 48 bit lange Seriennummer. Im Standby-Modus lauschen unverbundene Geräte in Abständen von 1,28 Sekunden nach Nachrichten und kontrollieren dabei 32 Hop-Frequenzen. Eine Verbindung kann von einem beliebigen Gerät ausgehen, das sich dadurch zum Master erhebt. Der Kontakt zu den Slaves wird durch eine Inquiry-Nachricht (von inquiry (engl.) = Erkundigung) und danach durch eine Page-Message (von to page (engl.) = (per Lautsprecher) ausrufen, message (engl.) = Nachricht) hergestellt, falls die Hardware-Adresse der Geräte unbekannt ist. Bei bekannter Adresse fällt der erste Schritt weg. Im Page-Zustand sendet der Master 16 identische Page-Telegramme auf 16 unterschiedlichen Hopping-Frequenzen, die für die Slaves bestimmt sind. Danach befinden sich die Stationen im Status "Verbunden". Durchschnittlich wird eine Verbindungsaufnahme innerhalb von 0,6 Sekunden erreicht.

Wenn keine Daten zu übertragen sind, kann der Master in einem Piconet seine Slave-Einheiten in einen Hold-Modus zur Stromersparnis versetzen. Weitere Low-Power-Zustände, die vor allem für Portable-Anwendungen wie Mobiltelefone geeignet sind, sind der SNIFF- und PARK-Modus. Im SNIFF-Modus (von to sniff (engl.) = schnüffeln) arbeitet ein Slave in einem reduzierten Zyklus, während im PARK-Modus ein Gerät weiterhin synchronisiert bleibt, aber nicht am Verkehr teilnimmt.

Bluetooth-Profile

Folgende Profile sind für Bluetooth implementiert:

ABKÜRZUNG BEDEUTUNG VERWENDET FÜR
A2DP Advanced Audio Distribution Profile Übermittlung von Audiodaten
AVRCP Audio Video Remote Control Profile Fernbedienung für Audio/Video
BIP Basic Imaging Profile Übertragung von Bilddaten
BPP Basic Printing Profile Drucken
CIP Common ISDN Access Profile ISDN Verbindungen über CAPI
CTP Cordless Telephony Profile Schnurlose Telefonie
DUN Dial-up Networking Profile Internet-Einwahlverbindung
ESDP Extended Service Discovery Profile Erweiterte Diensteerkennung
FAXP FAX Profile Faxen
FTP File Transfer Profile Dateiübertragung
GAP Generic Access Profile Zugriffsregelung
GAVDP Generic AV Distribution Profile Übertragung von Audio-/Videodaten
GOEP Generic Object Exchange Profile Objektaustausch
HCRP Hardcopy Cable Replacement Profile Druckanwendung
Headset Headset Profile Sprachausgabe per Headset
HFP Hands Free Profile Schnurlose Telefonie im Auto
HID Human Interface Device Profile Eingabe
INTP Intercom Profile Sprechfunk
LAP LAN Access Profile (nur Version < 1.2) PPP Netzwerkverbindung
OPP Object Push Profile Visitenkarten-/Terminaustausch
PAN Personal Area Networking Profile Netzwerkverbindungen
SAP SIM Access Profile Zugriff auf SIM-Karte
SDAP Service Discovery Application Profile Geräteauffindung
SPP Serial Port Profile Serielle Datenübertragung
Sync Synchronisation Profile Datenabgleich

siehe auch

Literatur

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