Bluetooth [] ist ein in den 1990er Jahren durch die Bluetooth Special Interest Group (SIG) entwickelter Industriestandard für die Datenübertragung zwischen Geräten über kurze Distanz per Funktechnik (WPAN). Dabei sind verbindungslose sowie verbindungsbehaftete Übertragungen von Punkt zu Punkt und Ad-hoc- oder Piconetze möglich. Der Name „Bluetooth“ leitet sich vom dänischen König Harald Blauzahn (dänisch Harald Blåtand, ) ab, der Teile von Norwegen und Dänemark unter seiner Herrschaft vereinte. Das Logo zeigt ein Monogramm der altnordischen Runen ᚼ (H wie Hagalaz) und ᛒ (B wie Berkano).
Die Funkverfahren für Bluetooth wurden ursprünglich in wesentlichen Teilen durch den Niederländer Jaap Haartsen und den Schweden Sven Mattisson für Ericsson entwickelt. Andere Teile wurden vor allem von Nokia und Intel ergänzt. Bluetooth bildet eine Schnittstelle, über die sowohl mobile Kleingeräte wie Mobiltelefone und PDAs als auch Computer und Peripheriegeräte miteinander kommunizieren können. Hauptzweck von Bluetooth ist das Ersetzen von Kabelverbindungen zwischen Geräten. Sollen zwei Geräte über Bluetooth verbunden werden, muss dies auf mindestens einem der Geräte aktiv durch einen Nutzer angestoßen werden, wozu es in der Praxis – unter anderem abhängig von den Gerätetypen – unterschiedliche Verfahren gibt. Der Prozess des Verbindens heißt Koppeln oder Pairing (engl.), die Geräte sind nach dessen Erfolg gekoppelt. mini|Das Bluetooth-Logo, das sich aus den Runen ᚼ (h) und ᛒ (b), den Initialen von Harald Blauzahn, zusammensetzt
Technischer Hintergrund Geräte nach den Standards der Bluetooth SIG senden als Short Range Devices (SRD) in einem 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 WLANs, Schnurlostelefone (DECT-Telefone in Europa haben ein anderes Frequenzband) oder Mikrowellenherde verursacht werden, die im selben Frequenzband arbeiten. Um Robustheit gegenüber Störungen zu erreichen, wird ein Frequenzsprungverfahren (frequency hopping) eingesetzt, bei dem das Frequenzband in 79 Kanäle 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 (Multislot-Pakete). Am unteren und oberen Ende gibt es jeweils ein Frequenzband als Sicherheitsband (engl.: „guard band“) zu benachbarten Frequenzbereichen. Theoretisch kann eine Datenübertragungsrate von 706,25 kbit/s beim Empfang bei gleichzeitigen 57,6 kbit/s beim Senden erreicht werden (asymmetrische Datenübertragung).
Ab der Version 2.0 + EDR können Daten mit EDR (Enhanced Data Rate) maximal etwa dreimal so schnell übertragen werden, also mit rund 2,1 Mbit/s. Bereits ab 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. Allerdings können die meisten Geräte während der notwendigerweise synchronen Übertragung von Sprache lediglich drei Teilnehmer in einem Piconet verwalten.
Eine Verschlüsselung der übertragenen Daten ist ebenfalls möglich.
Klassen und Reichweite Klasse Max. Leistung Reichweite (mW) (dBm) allgemein im Freien Klasse 1 100 +20 ca. 100 m ca. 100 m Klasse 2 2,5 +4 ca. 10 m ca. 50 m Klasse 3 1 0 ca. 1 m ca. 10 m
Die tatsächlich erzielbare Reichweite hängt außer von der Sendeleistung von einer Vielzahl von Parametern ab. Hierzu zählen beispielsweise die Empfindlichkeit eines Empfängers und die Bauformen der auf Funkkommunikationsstrecken eingesetzten Sende- und Empfangsantennen. Auch die Eigenschaften der Umgebung können die Reichweite beeinflussen, beispielsweise Mauern als Hindernisse innerhalb der Funkkommunikationsstrecken. Auch die Typen der Datenpakete können wegen Unterschieden in Länge und Sicherungsmechanismen Einfluss auf die erzielbare Reichweite haben.
Um höhere Übertragungsraten über das weltweit verfügbare 2,45-GHz-ISM-Frequenzband zu ermöglichen, spezifizierte die Bluetooth SIG die Alternate-MAC/PHY-Bluetooth-Erweiterung; hierbei wird Bluetooth um die PHY- und MAC-Schicht der IEEE-802.11-Spezifikationen (WLAN-Standards) erweitert. Diese wurde mit Bluetooth 5.3 wieder verworfen.
Im Jahr 2024 gelang eine Bluetooth-Verbindung über eine Distanz von 600 km zu einem künstlichen Erdsatelliten.Patrick Klapetz: Bluetooth-Verbindung im Weltraum erfolgreich getestet. golem.de, 6. Mai 2024.
Abhör- und Eindringsicherheit Als abhörsicher oder sicher gegen unbefugtes Eindringen gelten Bluetooth-Übertragungen nur dann, wenn sie als Verbindung mit mehrstufiger dynamischer Schlüsselvergabe betrieben werden. Bei statischer Schlüsselvergabe ist die Sicherheit eingeschränkt. Bei Übertragung des Schlüssels ist genau dieser Teil der Kommunikation besonders gefährdet, da erst der erfolgreiche Schlüsselaustausch eine Verbindung schützt.
Bluetooth gilt nur dann nicht mehr als sicher, wenn der PIN-Code zu kurz gewählt ist (etwa vier Dezimalziffern oder weniger). Die israelischen Forscher Avishai Wool und Yaniv Shaked beschrieben in ihrem Artikel vom Frühjahr 2005 ein Verfahren, mit dem Lauscher eine vorhandene, abhörsichere 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 achtstellig-numerischer) PIN durch Ausprobieren geknackt werden. Dieser Brute-Force-Angriff kann durch FPGA-Boards weiter beschleunigt werden. Dies ist kein rein akademischer Angriff, und zum Beweis existiert ein frei zugängliches Programm namens BTCrack entwickelt von Thierry Zoller. Der Angreifer befindet sich nach erfolgreichem Angriff im Besitz des geheimen Verbindungsschlüssels und kann beliebige Verbindungen zu den angegriffenen Geräten aufbauen. Jedoch muss der Angreifer die Bluetooth-Adresse eines verbundenen Bluetooth-Moduls kennen. Dies kann, entgegen weitläufigen Meinungen, nicht durch den „Unsichtbarkeitsmodus“ unterbunden werden.
Dieser Angriff ist dann möglich, wenn der Angreifer die Kommunikation während des Pairing-Prozesses abhört, der Angegriffene eine Neu-Authentifizierung vornimmt und er 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 Authentifizierungslisten zu speichern und eine Reauthentifizierung per PIN zu deaktivieren. Außerdem sollten Benutzer PINs mit deutlich mehr als acht Zeichen Länge verwenden, falls die verwendete Software dies gestattet. Das Bluetooth-Protokoll sieht bis zu 16 beliebige Zeichen (128 Bit) vor. Darüber hinaus sollte eine unerwartete Aufforderung zur erneuten Authentifizierung hellhörig machen und zur Vorsicht mahnen.
Die Möglichkeit, über Bluetooth einen Fernzugriff auf Betriebssystemebene zu erlangen, wurde bereits 2006 auf dem 23. Chaos Communication Congress (23C3) demonstriert. Thierry Zoller und Kevin Finistere zeigten live eine funktionierende Remote-Root-Shell auf macOS 10.3.9 und 10.4, ausgelöst über die Bluetooth-Schnittstelle. Der Vortrag Bluetooth Hacking Revisited dokumentierte damit über die theoretische Kompromittierung des Link-Keys hinaus eine vollständige Codeausführung auf dem Zielgerät und belegte die praktische Relevanz von Bluetooth-Schwachstellen jenseits reiner Kryptoangriffe.
Fehlerbehandlung Bluetooth kennt bis zur Version 2.0 zwei elementare Arten der Fehlerbehandlung (sofern verwendet): 1/3- und 2/3-FEC-Blockcodierung; ermöglicht Fehlerkorrektur beim Empfänger ARQ (Automatic Repeat Request), ermöglicht Fehlererkennung beim Empfänger. Bei Fehlern wird das entsprechende Paket neu angefordert.
Systemarchitektur mini|Scatternet (Master = rot, Slave = grün, geparkt = blau) Ein Bluetooth-Netzwerk (Piconet) besteht aus bis zu acht aktiven Teilnehmern, welche über eine 3-Bit-Adresse angesprochen werden können. Alle nicht aktiven Geräte können im Parkmodus die Synchronisation halten und auf Anfrage im Netz aktiviert werden. Für den Parkmodus gibt es eine 8-Bit-Adresse, welche 255 Teilnehmer („slaves“) ansprechen kann. Darüber hinaus kann über die 48-Bit-Geräteadresse die Anzahl der passiven Teilnehmer nochmal erhöht werden. Der „Master“ steuert die Kommunikation und vergibt Sende-Zeitspannen (engl. „slots“) an die „Slaves“ (Zeitmultiplexverfahren). Ein Bluetooth-Gerät kann in mehreren Piconetzen angemeldet sein, allerdings nur in einem Netz als Master fungieren. Bis zu zehn Piconetze bilden ein Scatternet (von to scatter = ausstreuen), wobei die Teilnehmer untereinander in Kontakt treten können. Jedes Piconet wird durch eine unterschiedliche Frequency-Hopping-Folge identifiziert. Die Datenrate leidet in diesem Scatternet jedoch meist erheblich.
Solche selbstorganisierenden Funknetzwerke – Scatternet – werden proprietär implementiert, bis heute ist keine allgemeine Lösung standardisiert. Das ist dadurch begründet, dass kein Algorithmus definiert werden kann, der allen Anforderungen an ein Scatternet gleichzeitig gerecht wird und hinreichend schlank und damit schnell bleibt.
Bluetooth-Basisband Es werden zwei unterschiedliche physische Datenkanäle zur Verfügung gestellt. Die synchrone Datenübertragung ist zur Übertragung von Sprachdaten mit einer Datenrate von 64 kbit/s gedacht. Dieses Verfahren heißt leitungsvermittelte oder synchrone Verbindung (Synchronous Connection-Oriented – SCO). Die andere Übertragungsform ist die Paketvermittlung oder asynchrone Verbindung (Asynchronous Connectionless – ACL), die ein speicherndes Verhalten des Übertragungsgerätes voraussetzt – wie bei der Internet-Technik. Alles außer Sprache wird über ACL übertragen, neben allen Arten von Daten insbesondere auch Musik. Das Bluetooth-Protokoll unterstützt einen asymmetrischen Datenkanal mit Datenraten in der Version 1.2 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. In der EDR-Version sind höhere Datenraten erzielbar.
Bis zur Version 1.2 gibt es für die SCO-Übertragung nur HV1-, HV2- und HV3-Pakete mit guter Fehlerkorrektur (HV1) bis zu keiner (HV3). Diese Pakete enthalten Audiodaten für 1,25 ms, 2·1,25 ms oder 3·1,25 ms und werden dementsprechend alle 1,25 ms, 2·1,25 ms und 3·1,25 ms gesendet. HV1 kann benutzt werden, wenn keine anderen Daten gesendet werden müssen. Allerdings hat diese Betriebsart den höchsten Stromverbrauch, weswegen fast alle Geräte HV3-Pakete nutzen. Dies hat den Vorteil, dass man nur ein Drittel der Bandbreite für Audio benötigt und den Rest der Bandbreite für ACL-Verbindungen zum selben oder zu anderen Geräten zur Verfügung stellen kann.
Mit der Version 1.2 wurde ein erweiterter synchroner Übertragungsmodus (enhanced SCO, eSCO) eingeführt. Dazu wurden neue Pakettypen und eine flexiblere Einteilung der Übertragungsperiode eingeführt. Ebenso ermöglicht dies, andere Audio-Formate zu übertragen wie z. B. der SBC-Codec, der auch in der HFP-Version 2.0 eingeführt werden soll.