Bluetooth // ist ein 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. CIMG3348_bluetooth-tastatur.jpg

Namensgebung

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Die schwedische Firma Ericsson hat die Entwicklung eines standardisierten Kurzstrecken-Funksystems -die Bluetooth-Technologie- angeregt.

Der Name "bluetooth" stammt vom Wikingerkönig Harald Blatand. Er vereinigte im zehnten Jahrhundert Dänemark und Norwegen und hatte den Spitznamen "Blauzahn"(englisch:Bluetooth).

Da dieses Funksystem die unterschiedlichsten Informations-, Datenverarbeitungs- und Mobilfunkgeräte miteinander verknüpft, entspricht dies der Philosophie von König Harald.JD

Funktionsweise

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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 z.B. 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.

Versionen

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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 (z.B. 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^*. 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 (z.B. "ping"-Anforderungen mit großen Paketen).

Abhörsicherheit

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Bluetooth ist nur dann seit Frühjahr 2005 nicht mehr als hochsicher anzusehen, wenn der PIN Code aus weniger als 4 Zeichen besteht. Die israelischen Forscher A. Wool und Y. Shaked beschrieben in ihrem Artikel ^* 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 z.B. 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

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Es gibt 4 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

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Ein Bluetooth-Netzwerk (Piconet) kann bis zu 264 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

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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

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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-Profile

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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.

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ABKÜRZUNG

BEDEUTUNG

VERWENDET FÜR

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A2DP

Advanced Audio Distribution Profile

Übermittlung von Audiodaten

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AVRCP

Audio Video Remote Control Profile

Fernbedienung für Audio/Video

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BIP

Basic Imaging Profile

Übertragung von Bilddaten

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BPP

Basic Printing Profile

Drucken

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CIP

Common ISDN Access Profile

ISDN Verbindungen über CAPI

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CTP

Cordless Telephony Profile

Schnurlose Telefonie

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DUN

Dial-up Networking Profile

Internet-Einwahlverbindung

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ESDP

Extended Service Discovery Profile

Erweiterte Diensteerkennung

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FAXP

FAX Profile

Faxen

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FTP

File Transfer Profile

Dateiübertragung

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GAP

Generic Access Profile

Zugriffsregelung

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GAVDP

Generic AV Distribution Profile

Übertragung von Audio-/Videodaten

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GOEP

Generic Object Exchange Profile

Objektaustausch

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HCRP

Hardcopy Cable Replacement Profile

Druckanwendung

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HSP

Headset Profile

Sprachausgabe per Headset

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HFP

Hands Free Profile

Schnurlose Telefonie im Auto

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HID

Human Interface Device Profile

Eingabe

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INTP

Intercom Profile

Sprechfunk

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LAP

LAN Access Profile (nur Version < 1.2)

PPP Netzwerkverbindung

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OPP

Object Push Profile

Visitenkarten-/Terminaustausch

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PAN

Personal Area Networking Profile

Netzwerkverbindungen

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SAP

SIM Access Profile

Zugriff auf SIM-Karte

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SDAP

Service Discovery Application Profile

Geräteauffindung

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SPP

Serial Port Profile

Serielle Datenübertragung

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SYNCH

Synchronisation Profile

Datenabgleich

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Siehe auch

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• Enhanced Data Rate
• IrDA
• ZigBee
• Bonjour (Apple)
• Bluejacking
• NFC
• Wireless LAN
• WiMAX

Literatur

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Bluetooth-Elk.jpg | Bluetooth-Bear.jpg

• Martin Sauter, Grundkurs Mobile Kommunikationssysteme, September 2004, ISBN 3-528-05886-2, http://www.cm-networks.de
• A. Merkle und A. Terzis: Digitale Funkkommunikation mit Bluetooth. Franzis, ISBN 3772346545

Andere Applikationen

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Bluetooth ist keineswegs auf Computerapplikationen beschränkt. Z.B. macht sich auch die Spielzeugindustrie diese Technik zunutze, siehe Bilder: zwei Puppen, ein Elch und ein Bär singen und tanzen zusammen.

Weblinks

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• bluetooth.com The Official Bluetooth Wireless Info Site (englisch)
• Offizielle Seite auf Deutsch
• bluetooth.org The Official Bluetooth Membership Site (englisch)
• Palowireless Bluetooth Resource Center (englisch)
• What is Bluetooth Technology Learn about everything related to Bluetooth technology (englisch)
• Detailinformationen zu Bluetooth Detaillierte technische Informationen über Bluetooth
• IEEE 802.15 Working Group for WPANs (englisch)

• CHIP Bluetooth-FAQ für Einsteiger
• Bluetooth Tutorial mit ausführlichen Artikeln für Spezialisten (englisch)

• remoteoverbluetooth.de ROB: Multimedia-Handy-Fernbedienung (deutsch)
• Heise Bluetooth Datenbank technische Eigenschaften in Deutschland lieferbarer Bluetooth-Produkte
• Apple Bluetooth Stack - Unterstützte Profile (englisch)
• BlueZ Official Linux Bluetooth protocol stack (englisch)
• trifinite.org demonstriert mit Sicherheitslücken in Bluetooth-Anwendungen (englisch)
• bluetooth-infos.de www.bluetooth-infos.de (deutsch)
• ^* Bluetooth Tutorial

Schnittstelle (Hardware) | Funktechnik

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