Die Bluetooth-Spezifikation hat eine Reihe von Revisionen durchlebt, um die wachsenden Anforderungen in der schnelllebigen Welt der Entwicklung des Internet der Dinge (IoT) zu berücksichtigen. Nachfolgend zusammengestellte Überlegungen können zur Entscheidung beitragen, welcher Bluetooth-Standard sich am besten für die jeweilige IoT-Anwendung eignet und wann oder ob ein Übergang auf eine jüngere Bluetooth-Version erfolgen sollte.

Aktuelle Bluetooth-Standards im Überblick

Die Markteinführung von Bluetooth 4.0 im Jahre 2010 ergänzte den Standard um energiesparende Funktionalität. Es war in erster Linie zur Reduzierung des Energieverbrauchs und der Kosten in drahtlosen Personal-Area-Networks gedacht.

Ende 2013 wurde Bluetooth 4.1 eingeführt und bot gegenüber 4.0 drei wesentliche Weiterentwicklungen. Durch die automatische Koordination des Funkübertragung im Zusammenwirken mit 4G weden Kanalüberlappungen vermieden, sodass beide Protokollversionen auf ihrem höchsten Potenzial arbeiten können. Pairing verbessert das Power-Management der Geräte und ermöglicht ihnen ein automatisches Ein- und Ausschalten. Bluetooth-Geräte können nun gleichermaßen  als Hub und als Endpunkt tätig sein, sodass Peripheriegeräte unabhängig voneinander kommunizieren können.

Bluetooth 4.2 kam im Jahre 2014  in IoT-Designs der nächsten Generation zum Einsatz und bietet mehr Sicherheit und bessere Internet-Konnektivität. Zu den wesentlichen Features zählen eine erweiterte Länge des LE-Datenpakets, LE Secure Connections, Link Layer Privacy, Link Layer Extended Scanner Filter Policies sowie IP-Konnektivität für Bluetooth-Low-Energy-Geräte (BLE), wobei IPSP zu einer IPv6-Verbindungsoption für die BLE-Technologie hinzugefügt wurde.

Künftig wird Bluetooth 5.0 die Reichweite vervierfachen, die Geschwindigkeit verdoppeln und eine 8-fache Steigerung der Datenübertragungskapazität von energiesparenden Bluetooth-Verbindungen bieten sowie außerdem eine flexiblere IP-Unterstützung.

Flexiblere Gestaltung der Internet-Konnektivität

Für Entwickler, die ihre Designs über Bluetooth direkt an das Internet der Dinge anbinden möchten, bietet die Bluetooth-Version 4.2 zwei Möglichkeiten.  Entscheidend ist dabei, ob die Konnektivität zum IoT über vorhandene IPv4-Systeme oder via IPv6-Netzwerke der nächsten Generation erfolgen soll.

Die Erweiterung der Spezifikation 6LoWPAN (Low Power Wireless Personal Area Networks) um den IPv6-Standard der Internet Engineering Task Force (IETF) bedeutet eine nahezu unerschöpfliche Zahl an Adressen, die zur Anbindung von Geräten an das IoT zur Verfügung stehen. Jedes drahtlos vernetzte „Ding“ kann somit seine eigene, einzigartige Adresse besitzen und ohne zwischengeschaltetes Gateway oder einen Server durchlaufen zu müssen, mit dem IoT kommunizieren.

Eckdaten

Vierfache Reichweite, doppelte Geschwindigkeit und achtfache Übertragungskapazität. Mit diesen Eckdaten soll die kommende Bluetooth-Spezifikation 5.0 gegenüber Bluetooth 4.2 aufwarten. Ganz besonders punkten will der neue Bluetooth-Standard aber mit seinen Fähigkeiten zur Anbindung von Geräten an das Internet der Dinge.

Die Konnektivität über IPv6 stellt Bluetooth-Entwicklern nun in Version 4.2 in Form des Internet Protocol Support Profile (IPSP) zur Verfügung, das die auf Bluetooth zugeschnittene Version des IoT-Protokolls 6LoBTLE verwendet. 6LoBTLE nutzt die Tatsache, dass Bluetooth-Verbindungen ähnliche Charakteristika wie die von IEEE 802.15.4 aufweisen und Entwickler viele der für IPv6 über dieses Protokoll definierten Mechanismen zur Übertragung von IPv6 auf Bluetooth einsetzen können.

Im Falle von Bluetooth mit Low-Energy-Technologie übernimmt das IPSP alle zur Einrichtung der Bluetooth/6LoWPAN-Verbindung erforderlichen Schritte. Das versetzt Bluetooth-Geräte an unterschiedlichen Stellen im Internet in die Lage, sich gegenseitig zu entdecken und Link-Layer-Verbindungen aufzubauen. Das Generic Attribute Profile (GATT) von Bluetooth hilft festzustellen, ob IPSP unterstützt wird, während das Protokoll L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol) der Version 4.1 zum Datenaustausch dient.

Bluetooth-Low-Energy-Internet-Gateways via GATT

In Zukunft wird der gesamte Internetzugriff über IPv6 erfolgen. Derzeit jedoch verwenden die meisten ISPs das ältere IPv4-Protokoll. Entwickler können entweder den IPv6-Zugriff, der auf Mobilgeräteplattformen wie Android zur Verfügung steht, nutzen, um auf andere externe 6LoBTLE-Verbindungen zuzugreifen, oder sie finden Alternativen, die mit älteren IPv4-Systemen zusammenarbeiten können.

Ein Energiemanagement steuert auf diesem für Bluetooth-Low-Energy ausgelegten Chip-System (SoC) über die Energiemodi EM0 bis EM4, welche Funktionsbereiche aktiv sind.

Ein Energiemanagement steuert auf diesem für Bluetooth-Low-Energy ausgelegten Chip-System (SoC) über die Energiemodi EM0 bis EM4, welche Funktionsbereiche aktiv sind. Silicon Labs

In der Bluetooth-Version 4.0 wurde die IPv4-Connectivity mithilfe des Bluetooth-Network-Encapsulation-Protokolls (BNEP) erreicht, das über einen zwischengeschalteten IPv4-Router oder ein Gateway den Zugang zum Internet erlaubt. Die Einschränkung dieser Methode besteht jedoch in der in hohem Maße anwendungsspezifischen Gateway-Funktionalität.

Die Erweiterung von Bluetooth 4.1 um das L2CAP-Protokoll sowie um Smart Internet Gateways über das Bluetooth Generic Attribute Profile (GATT) in Version 4.2 vereinfacht die Entwicklung solcher Systems beträchtlich.

Mit den Smart Internet Gateways der Bluetooth-Version 4.2 erfolgen Internetverbindungen nicht mehr auf Sensor-by-Sensor- oder App-by-App-Basis. Durch diese neue Fähigkeit ist die Abbildung von GATT in Internet-HTTP-Verbindungen weitgehend unkompliziert und über alle Sensorzugriffe auf Dienste und Daten hinweg standardisiert. Bluetooth-GATT-Fähigkeiten wie beispielsweise der HTTP Proxy Service (HPS) und Restful APIs werden die Verbindung von Bluetooth-Low-Energy-Geräten mit dem Internet weiter vereinfachen.

Mehr Sicherheit durch Datenverschlüsselung

Zum Schutz von sensiblen Daten beinhaltet der Bluetooth-Standard 4.2 zusätzliche Sicherheitsmerkmale wie LE Secure Connections und LE Privacy.

Bislang war der für die Datensicherheit bei Bluetooth verantwortliche Hauptfunktionsblock das Secure Simple Pairing (SSP), bei dem Geräteverbindungen erst dann hergestellt wurden, wenn mehrere Kodierungsschlüssel erzeugt und verteilt worden waren. Die Bestandteile sind ein kurzzeitiger Short-Term Key (STK) sowie drei dauerhafte Schlüssel, nämlich für die Link-Layer-Verschlüsselung und Authentifizierung (LTK), die Auflösung der Signatur der Verbindung (Connection Signature Resolution, CSRK) sowie die Identitätsauflösung (IRK).

Für das Schlüssel-Management enthält Bluetooth 4.2 eine asymmetrische Elliptic Curve Cryptography (ECC) mit elliptischen Kurven gemäß FIPS (Federal Information Processing Standards). Außerdem nutzt der Standard 4.2 die FIPS-zertifizierte AES-CCM-Kryptographie zum Verschlüsseln von Nachrichten. Daraus resultiert eine erhöhte Link-Layer-Datensicherheit zwischen benachbarten Geräten, die drahtlose Verbindungen gegen Bedrohungen wie Abhören sowie in manchen Fällen auch vor MITM-Angriffen (Man-in-the-Middle) schützt.

Bei der Bluetooth-Version 4.0 ließen sich private Geräteadressen häufig ändern, um es Angreifern zu erschweren, Geräte zu verfolgen und an Informationen zu gelangen. Damit ein Bluetooth-Gerät eine Verbindung einrichten kann, generiert das Protokoll private Adressen mithilfe des Identify Resolution-Schlüssels (IRK) und nutzt diese während des Verbindungsprozesses gemeinsam.

Höherer Datendurchsatz bei geringerem Energieverbrauch

Das Sicherheitsmerkmal LE Privacy von Bluetooth 4.2 verwaltet die Auflösung privater Adressen sowohl im Controller- als auch im Host-Device und unterstützt ferner eine „White List“ mit Adressen von Geräten auf Controller-Ebene, von denen Daten angenommen werden. Neben einem höheren Datenschutz reduziert sich damit die Häufigkeit der Inbetriebnahme des Geräts, was den Energieverbrauch senkt.

Die Bluetooth-Version 4.2 bietet gegenüber ihren Vorläufern eine höhere maximale Übertragungsleistung für BLE Power Class 1 – von +10 auf +20 dB. Somit lassen sich viele Bluetooth-Designs ohne externes Netzteil implementieren und Platz auf der Leiterplatte sowie Kosten einsparen.

Bei Bluetooth 4.2 ist es gelungen, die Paketübertragungskapazität gegenüber der Version 4.1 nahezu zu verzehnfachen (von 27 Byte auf 251 Byte). Alleine diese Verbesserung wäre ein triftiger Grund für Entwickler von IoT-Netzwerken, ein Upgrade von 4.1 vorzunehmen. Außerdem bietet Bluetooth 4.2 einen bis zu zweieinhalbfach höheren Datenbereich.

Beide Verbesserungen machen die Kommunikation zwischen Geräten als auch Verbindungen über das Internet effizienter und erlauben häufigere Firmware-Updates sowie ein schnelleres Hochladen von Sensor-Protokolldaten in ein Smartphone, in die Cloud oder auf Server beziehungsweise Router von ISP-Providern.

Mehr Leistung mit Bluetooth 5.0

Die in wenigen Monaten zu erwartende Version 5.0 von Bluetooth soll die vierfache Reichweite, die doppelte Geschwindigkeit und die achtfache Übertragungskapazität erreichen. Mit ihrer primären Ausrichtung auf die kommende IoT-Technologie wird die Spezifikation 5.0 auch neue Funktionen für Dienste wie beispielsweise Standortübermittlung bieten. Eine weitere Ergänzung der Bluetooth-Technologie ist eine echte Mesh-Netzwerkfunktion, um die derzeitigen Ad-hoc-Scatternet-Konfigurationen zu ergänzen oder zu ersetzen.

In Arbeit für Version 5.0 sind Verbesserungen im Physical Layer von Bluetooth, um Datenpakete mit 2 MBit/s (bisher 1 MBit/s) übertragen zu können. Außerdem soll die Reichweite von Bluetooth-Low-Energy-Verbindungen (BLE) erhöht werden. Version 5.0 wird es ermöglichen, komplexe IoT-Sicherheits-, Routing- und Netzwerkprotokolle zusätzlich zu BLE laufen zu lassen. In Bluetooth-fähigen 6LoWPAN-Netzen werden diese Verbesserungen das Bündeln verschiedener Nachrichten in einem einzigen Paket ermöglichen, wodurch BLE wegen geringerer Paketverluste energieeffizienter, schneller und zuverlässiger werden könnte.

Bluetooth unterstützte ursprünglich nur Konfigurationen mit maximal einem Master und sieben Slaves in einem einzigen sternförmigen Piconet. Seit der Version 4.1 konnten Entwickler erweiterte Netze mit wesentlich mehr Geräten schaffen, und zwar durch den Einsatz von Scatternets (eine Gruppe von unabhängigen und asynchronen Piconets), die mindestens ein Bluetooth-Gerät gemeinsam enthalten. Ein solches Netzwerkmodell erlaubt keine nahtlose und zuverlässige Kommunikation zwischen Knoten, ohne vorher eine Master-Slave-Beziehung aufzubauen, was hinsichtlich Latenz und Zuverlässigkeit kostspielig sein kann.

Weitere Vorteile durch Verwendung der Mesh-Topologie

Eine Bluetooth-Arbeitsgruppe (SIG, Special Interest Group) arbeitet zur Zeit an einer Mesh-Topologie. Der Vorteil der Mesh-Topologie ist, dass sie die derzeitige Master-Slave-Differenzierung vermeidet. Was die Nachrichtenübertragung betrifft, werden alle Knoten gleich gestaltet. Alle Knoten partizipieren von einem Netzwerk von eng benachbarten Verbindungen, wobei jeder Knoten Daten für das Netzwerk übermittelt und mit der Datenverteilung zusammenarbeitet.

Zusätzlich zu den Verbesserungen gegenüber den Versionen 4.1 und 4.2 bezüglich Internet-Connectivity, Geschwindigkeit, Reichweite, Übertragungskapazität und Datensicherheit wird Bluetooth 5.0 weitere Eigenschaften aufweisen, die Entwicklern bei der Realisierung von noch schnelleren Geräten mit geringerem Energiebedarf helfen.

Dazu gehören Verbesserungen in der Link-Layer-Topologie zur Unterstützung von gleichzeitigen Slave-Master-Funktionen, die es mehr als einem LE-Slave erlauben, sich mit mehr als einem Master zu verbinden. Auch wird es Slave-Geräten ermöglicht, zur gleichen Zeit die Funktion sowohl als Master wie auch als Slave zu übernehmen.

Beacon-Advertisements mit niedrigem Tastverhältnis versetzen BLE-Geräte in die Lage, Verbindungen mit weniger häufigen Eingriffen und deshalb geringerem Energieverbrauch aufrecht zu erhalten. Hinzu kommen neue und aktualisierte Bluetooth-Profile, einschließlich solcher für Human Interface Devices (HIDs), Nachrichtenzugriff, Telefonie, Synchronisation und Dateitransfer.

Einflussnahme auf künftige IoT-Anforderungen

Bluetooth 5.0 wird die Spezifikation von aktuellen und künftigen IoT-Anforderungen beeinflussen. Bei Problemen wie Interferenzen und Mehrwegeempfang erleichtern intelligente Mesh-Netzwerke durch einen neuen isochronen Kanal die Übertragung von Echtzeitdaten (beispielsweise Audiosequenzen). Ein neues Frequenzwechselverfahren (Frequency Hopping Scheme) sorgt für eine bessere Kanalumschaltung zwischen den derzeitigen Bluetooth-l-Kanälen und den physikalischen isochronen Datenkanälen. Mehrere neue Methoden verbessern die Berechnung der relativen Richtung von Signalen anderer Bluetooth-Beacons.

Aufgrund des rasanten Wachstums des Internet der Dinge können Entwickler laufende Weiterentwicklungen von Bluetooth und anderen Protokollen für Mobilgeräte in immer kürzeren Abständen erwarten.