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Bluetooth

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Bluetooth /ˈbluːtuːθ/ ist ein in den 1990er Jahren ursprünglich von Ericsson entwickelter Industriestandard gemäß IEEE 802.15.1 für die drahtlose (Funk-)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. Hauptzweck von Bluetooth ist das Ersetzen von Kabelverbindungen zwischen Geräten. Es gibt verschiedene Geräte mit Bluetooth (zum Beispiel Bluetooth-Headset).

Funktionsweise

Bluetooth-Geräte senden als Short Range Devices im lizenzfreien ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band) zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz. Sie dürfen weltweit zulassungsfrei betrieben werden. Störungen können aber zum Beispiel durch WLAN-Netze, schnurlose (drahtlose) 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 jedoch auch Pakettypen, bei denen die Frequenz 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 1 Mbps beim Herunterladen (Download) bei gleichzeitigen 57,6 kbps beim Heraufladen (Upload) erreicht werden. Seit der Version 2.0 können Daten durch EDR (Enhanced Data Rate) maximal etwa dreimal so schnell übertragen werden, also mit rund 2,1 Mbit/s. Bereits seit Version 1.1 kann ein Bluetooth-Gerät gleichzeitig bis zu sieben Verbindungen aufrechterhalten, wobei sich die beteiligten Geräte die verfügbare Bandbreite teilen müssen (shared medium).

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

Geschichtliches

1994 wurde die Firma Ericsson mit einer Studie beauftragt, die einen Ersatz für Kabelverbindungen finden sollte. Aufgrund des Studienergebnisses formulierten die Firmen Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel einen Standard, der verbindliche Spezifikationen festlegte. Die Namensgebung „Bluetooth“ ist eine Hommage an den im 10. Jahrhundert lebenden Wikingerkönig Harald Blauzahn (Harald Blåtand, engl. Bluetooth). Harald Blåtand hatte Skandinavien weitgehend christianisiert und vereint. Die Wahl eines schwedischen Namensgebers erfolgte aufgrund der hohen Beteiligung der schwedischen Firma Ericsson an der Bluetooth-Entwicklung.

Versionen

Eine Auswahl wichtiger Eigenschaften der bisherigen Bluetooth-Versionen sind:

  • Bluetooth 1.0 und 1.0B
enthielt Sicherheitsprobleme durch Bluetooth Hardware Device Address Transmission (BD_ADDR)
maximale Datenübertragungsrate von 723,2 kbit/s
  • Bluetooth 1.1
Indikator für die Signalstärke hinzugefügt Received Signal Strength Indicator (RSSI)
maximale Datenübertragungsrate von 723,2 kbit/s
  • Bluetooth 1.2
weniger empfindlich gegen statische Störer (zum Beispiel WLAN) durch Adaptive Frequency-Hopping spread spectrum (AFH)
maximale Datenübertragungsrate von 723,2 kbit/s
  • Bluetooth 2.0
etwa dreifache Datenübertragungsgeschwindigkeit durch Enhanced Data Rate (EDR) mit maximal 2,1 Mbit/s

Für die weitere Zukunft sind höhere Übertragungsgeschwindigkeiten durch den Einsatz von Ultrabreitband geplant.


Viele Mobiltelefone sind per Bluetooth verwundbar[1]. Angreifer können per Bluetooth hohen finanziellen Schaden durch den Anruf kostenpflichtiger Hotlines und SMS-Dienste verursachen, private Nutzerdaten lesen, Telefonbucheinträge schreiben und die Liste angerufener Nummern zwecks Vertuschung manipulieren. Allgemeine, geräteunabhängige DoS-Attacken auf Protokollebene sind mit einfachen Mitteln machbar (zum Beispiel „ping“-Anforderungen mit großen Paketen).

Klassen & Reichweite

Klasse            Max. Leistung in (mW)      Max. Leistung in (dBm)       Reichweite im Freien
Klasse 1 100 mW 20 dBm ~100 m
Klasse 2 2.5 mW 4 dBm ~50 m
Klasse 3 1 mW 0 dBm ~10 m

Die Reichweite hängt stark von der Antennenbauform ab, sowie von Störungen und Hindernissen wie zum Beispiel Mauern. Heise benutzt die o.a. Reichweiten.

Abhörsicherheit

Bluetooth ist nur dann seit Frühjahr 2005 nicht mehr als hochsicher anzusehen, wenn der PIN Code zu kurz gewählt ist (etwa 4 Dezimalziffern oder weniger). Die israelischen Forscher A. Wool und Y. Shaked beschrieben in ihrem Artikel [2] ein Verfahren, mit dem Lauscher eine vorhandene, (abhör-)sichere Verbindung unterbrechen und unter Umständen in eine neue Verbindung einbrechen können. Dieses Daten-Phishing beruht darauf, eine bestehende Verbindung durch entsprechende Störsignale zu unterbrechen und die Teilnehmer dazu zu bewegen, erneut eine authentifizierte Verbindung aufzubauen. Dabei müssen die Angegriffenen erneut ihre PIN bei den verwendeten Geräten eingeben. Die daraufhin stattfindende Authentifizierung mit Neuaushandlung des Verbindungsschlüssels kann dann mit einfach erhältlicher Spezialhardware abgehört und bei schlecht gewählter (weil zum Beispiel vierstellig-numerischer) PIN durch Ausprobieren geknackt werden. Der Angreifer befindet sich danach im Besitz des geheimen Verbindungsschlüssels und kann beliebige Verbindungen zu den angegriffenen Geräten aufbauen. Jedoch muss der Angreifer die Bluetooth Adresse eines verbunden Bluetooth Moduls kennen. Dies kann durch den „Unsichtbarmodus“ unterbunden werden.

Die Autoren räumen aber ein, dass dieser Angriff nur möglich ist, wenn der Angreifer die Möglichkeit hat, die Kommunikation während des Pairing-Prozesses abzuhören, der Angegriffene eine Neu-Authentifizierung vornimmt und er dabei eine zu kurze PIN verwendet.

Für Geräte, die die Schlüssel permanent speichern, besteht demnach keine Gefahr, da nach Verbindungsstörungen oder manuellem erneuten Verbindungsaufbau keine erneute PIN-Authentifizierung ausgelöst wird, sondern auf den auf beiden Geräten gespeicherten Schlüssel zurückgegriffen wird. Als Schutz vor solchen Angriffen empfehlen die Autoren daher, Gegenstellen möglichst selten mit PIN-Eingabe anzumelden. Sicherer sei es, einmal erkannte Gegenstellen dauerhaft in den jeweiligen Authentifzierungslisten zu speichern und eine Reauthentifizierung per PIN zu deaktivieren. Außerdem sollten Benutzer PINs mit deutlich mehr als vier Zeichen Länge verwenden, falls die verwendete Software dies gestattet. Das Bluetooth-Protokoll sieht bis zu 16 beliebige Zeichen (128 Bit) vor. Darüberhinaus sollte eine unerwartete Aufforderung zur erneuten Authentifizierung hellhörig machen und zur Vorsicht mahnen.

Fehlerbehandlung

Bluetooth kennt drei Arten von Fehlerbehandlung:

  1. ⅓ FEC (Forward Error Control), jedes Bit wird zwei Mal wiederholt: b0 b0 b0 b1 b1 b1 b2 b2 b2 b3 b3 b3
  2. ⅔ FEC, ein mathem. Generatorpolynom wird benutzt, um 10 Bit in 15 Bit zu codieren
  3. ARQ (Automatic Request), ein Datenpaket wird solange wiederholt, bis eine positive Quittung empfangen oder ein Timeout überschritten wird

Systemarchitektur

Scatternet

Ein Bluetooth-Netzwerk (Piconet) kann bis zu 260 Teilnehmer umfassen, wovon acht Geräte gleichzeitig aktiv sein können (3bit adressiert) und 256 (8bit adressiert) währenddessen geparkt werden. Alle nicht aktiven Geräte können im Parkmodus die Synchronisation halten und auf Anfrage im Netz aktiviert werden. Das Piconetz 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. Die synchrone Datenübertragung ist zur Übertragung von Audiodaten, speziell von Sprachdaten, mit einer Datenrate von 64 kBit/s gedacht. 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. Seit 2005 kann zum Verbindungsaufbau zweier Bluetooth Geräte optional NFC genutzt werden. Dieses zusätzliche RF-Protokoll unterstützt Bluetooth insbesondere beim erstmaligen Pairing von BluetOBEX.

Bluetooth-Protokollarchitektur

Die Bluetooth-Spezifikation wurde von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) entwickelt. Diese beinhaltetProtokolle, mit denen eine Entwicklung interaktiver Dienste und Anwendungen möglich wird, die über drahtlose Funkverbindungen betrieben werden. Diese werden mit Hilfe von interoperablen Funkmodulen hergestellt. Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat zudem auch verschiedene Einsatzmodelle der drahtlosen Bluetooth-Technologie entworfen. Die Spezifikation beinhaltet eine Beschreibung der Protokolle, mit denen diese Einsatzmodelle implementiert werden können.

Bluetooth-Profile

Datei:CIMG3348 bluetooth-tastatur.jpg
Bluetooth-Tastatur

Daten zwischen Bluetooth Geräten werden durch so genannte Profile ausgetauscht, die für bestimmte Anwendungsbereiche festgelegt sind. Wenn eine Bluetooth Verbindung aufgebaut wird, tauschen die Geräte ihre Profile aus und legen damit fest, welche Dienste sie für die jeweiligen anderen Partner zur Verfügung stellen können und welche Daten oder Befehle sie dazu benötigen. Ein Headset fordert beispielsweise von einem Bluetooth kompatiblen Mobiltelefon einen Audiokanal an und steuert über zusätzliche Datenkanäle die Lautstärkeregelung.

Unten eine Auswahl einiger Profile, die für Bluetooth implementiert sind. Es kommen ständig neue Profile hinzu, da Bluetooth somit sehr flexibel auf neue Geräteanforderungen reagieren kann.


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
HSP 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
SYNCH Synchronisation Profile Datenabgleich

Siehe auch

Literatur

Andere Applikationen

Bluetooth ist keineswegs auf Computerapplikationen beschränkt. So macht sich auch die Spielzeugindustrie diese Technik zunutze, beispielsweise um Puppen und Spielzeugtiere untereinander kommunizieren und interagieren zu lassen.

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