Vorteile der Many-to-Many- Verbindungen via Bluetooth Mesh

| Autor / Redakteur: Kerstin Wagner, Felix Graf * / Margit Kuther

Bluetooth Mesh: die 2017 von der Bluetooth SIG vorgestellte Technologie ermöglicht drahtlose Many-to-Many-Verbindungen.
Bluetooth Mesh: die 2017 von der Bluetooth SIG vorgestellte Technologie ermöglicht drahtlose Many-to-Many-Verbindungen. (Bild: Bluetooth SIG)

Bluetooth Mesh kann rund 32.000 Netzwerkteilnehmer zusammenschließen und ermöglicht Übertragungen auch außerhalb direkter Funkreichweite. Dies erschließt ganz neue Einsatzszenarien.

Die Interessengemeinschaft Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) führte im Jahr 2000 einen Standard für die kabellose Datenübertragung ein: Bluetooth Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR). 2010 erweiterte die Bluetooth SIG ihren Standard noch durch die Definition von Bluetooth Low Energy (BLE), bei dem die Datenübertragung mit einem geringen Energieverbrauch möglich wurde.

Die Nachfrage nach dieser drahtlosen Kommunikationstechnologie ist groß, auch weil noch weitere Verbesserungen und Weiterentwicklungen erwartet werden dürfen. BLE punktet in erster Linie mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme. Doch das BLE-Protokoll hat auch seine Nachteile: So sind nur drei Arten der Kommunikation möglich: Zwischen zwei einzelnen Geräten (Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, bidirektional, 1:1), zwischen einem Gerät und vielen anderen (One-to-Many-Kommunikation, bidirektional, 1:m) oder eine Kommunikation, bei der die Daten von einem Gerät kontinuierlich an die Umgebung gesendet werden, ohne einen bestimmten Adressaten zu haben (Broadcast-Kommunikation). Beim Broadcasting können alle BLE-Geräte in der Umgebung die Daten empfangen, aber nicht darauf antworten. Nachteilig an diesen Netzwerktopologien ist, dass das ganze Netzwerk ausfällt, wenn der Master, (Sternmittelpunkt, Central-Role) der die Daten übertragen soll, ausfällt.

Bluetooth Mesh ermöglicht Many-to-Many-Verbindungen

Im Juli 2017 stellte die Bluetooth SIG mit Bluetooth Mesh eine abermals verbesserte drahtlose Kommunikationstechnologie vor, die auf dem Kommunikationsprotokoll Bluetooth Low Energy basiert und optional verwendet werden kann. Mit Bluetooth Mesh kann ein großes Netzwerk von Many-to-Many-Verbindungen (m:m) über eine große physikalische Fläche mit bis zu 32.000 Netzwerkteilnehmern aufgebaut werden. Die Übertragung funktioniert sogar dann, wenn sich das Gerät, das die Nachricht ursprünglich gesendet hat, nicht in direkter Funkreichweite befindet.

Darüber hinaus ermöglicht die Netzwerktechnologie Bluetooth Mesh 1.0 die Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller, was bei bisherigen proprietären Lösungen wie CSRmesh nicht möglich war. Weitere Vorteile sind eine robuste und sichere Datenübertragung sowie eine sehr hohe Energieeffizienz.

Diese Eigenschaften machen Bluetooth Mesh zu einer perfekten Netzwerktechnologie für viele Anwendungsbereiche wie Gebäudeautomation, Sensornetzwerke, industrielle Fertigung oder Nachverfolgung von Gütern. Generell eignet sich Bluetooth Mesh für alle Anwendungen, die eine Kommunikation mit wenigen Daten zwischen mehreren Geräten untereinander benötigen.

Die Funktionsweise von Bluetooth Mesh

Die Netzwerktechnologie Bluetooth Mesh arbeitet mit einem Messaging-System, bei dem Nachrichten nach dem Publishing- und Subscribing-Prinzip verteilt werden. Das Senden von Nachrichten an ein Gerät mit einer bestimmten Adresse wird dabei als Publishing bezeichnet. Als Subscribing (Subskription, also Anmeldung) nennt man die Konfiguration der Geräte, bei der dem Gerät eine bestimmte Adresse zugeschrieben wird. Dieses Gerät kann dann nur noch Nachrichten empfangen, wenn diese an die spezifische Adresse versandt wurden.

Ein Beispiel: Eine Hallenbeleuchtung wird mit Bluetooth Mesh installiert. Alle Glühbirnen sind so konfiguriert, dass sie die Subskription „Hallenbeleuchtung“ erhalten. Wird über einen BT-Mesh-Switch die Meldung „On“ an die Adresse „Hallenbeleuchtung“ gesendet, schalten sich alle Glühlampen ein, die unter „Hallenbeleuchtung“ angemeldet sind. Die Datenübertragung in Bluetooth Mesh wird als „Flooding“ bezeichnet. Das bedeutet, dass es keine spezielle Route für die Nachricht durch das gesamte Netzwerk zum Slave (Empfänger) gibt. Die Nachricht wird an alle Geräte in Reichweite gesendet und dann weitergeleitet, bis sie den richtigen Slave erreicht.

Durch eine dichte Anzahl von Netzwerkteilnehmern werden so eher Hindernisse überwunden, für die man bisher auf langsamere und nicht global einheitliche Sub-GHz-Technik zurückgreifen musste. Selbst wenn sich das Gerät, das die Nachricht ursprünglich gesendet hat (Master), nicht in Funkreichweite befindet, gelangt die Nachricht zum richtigen Slave. Ist das Netzwerk aufgrund der Teilnehmerdichte eng genug, lassen sich Verbindungen redundant absichern, weshalb die Daten auch dann noch ihr Ziel finden würden, wenn ein einzelner Teilnehmer nicht mehr als Relay fungieren würde. Diese Self-Healing-Eigenschaft trägt dazu bei, dass Bluetooth Mesh zu den zuverlässigsten Netzwerken zählt und dadurch auch erstmals in der Industrie einen verbreiteten Einsatz finden wird.

Vier Arten von Knoten im Bluetooth-Mesh-Netzwerk

Die Geräte in einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk werden Knoten genannt. Es gibt vier verschiedene Arten von Knoten, die – neben Senden und Empfangen – zusätzliche Funktionen aufweisen:

Relais-Knoten: Sie leiten empfangene Nachrichten an das nächste Gerät weiter. Die Nachrichtenübermittlung funktioniert über so genannte „Hops“ (Sprünge), wobei Bluetooth Mesh maximal 127 Hops unterstützt.

Low-Power-Knoten: Einige Geräte, zum Beispiel Sensoren, müssen sehr stromsparend arbeiten. Low-Power-Knoten arbeiten in Verbindung mit einem oder mehreren anderen Knoten zusammen, die als „Freunde“ bezeichnet werden.

Freund-Knoten: Hier steht ausreichend Energie zur Verfügung, etwa durch den Anschluss an das Stromnetz. Diese Freund-Knoten arbeiten mit Low-Power-Knoten zusammen. Freund-Knoten speichern Nachrichten und leiten diese erst auf Anfrage des Low-Power-Knotens weiter.

Proxy-Knoten: Sie stellen die GATT-Schnittstelle (Generic Attribute Profile) für BLE-Geräte bereit, die keinen Bluetooth-Mesh-Stack haben. Dies ermöglicht auch eine Kommunikation zwischen BLE Mesh und einem normalen BLE-Knotenpunkt.

Im Access-Layer des OSI-Schichtenmodells lässt sich festlegen, ob nach Empfangen der Nachricht eine Bestätigungsmeldung (acknowledgment) an den Master zurückgeschickt werden soll oder nicht.

Der Aufbau eines großen Netzwerks mit vielen Geräten birgt ein hohes Risiko für eine sichere Datenübertragung. Bei der Entwicklung von Bluetooth Mesh hatte das Thema Sicherheit daher oberste Priorität. Deshalb macht die Bluetooth SIG eine sehr konkrete Vorgabe: Alle Security-Funktionen innerhalb eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks sind zwingend notwendig (mandatory).

Sicherheitsaspekte im Bluetooth Mesh

Dennoch betrifft die von Forschern des Israel Institute of Technology entdeckte Sicherheitslücke im Bluetooth Secure Simple Pairing und LE Secure Connections auch Bluetooth Mesh, da dieses auf dem BLE Stack aufbaut. Einige Hersteller betroffener Produkte bieten ein Firmware-Update an oder überarbeiten ihr Produkt. Rutronik hat eine Übersicht der betroffenen Bluetooth-Produkte aus der Linecard zusammengestellt, um den Status zu möglichen Firmware-Updates festzuhalten. Sie finden diese über folgenden Link https://bit.ly/2SIXX3s auf der Seite von Rutronik. Die wichtigsten Security-Merkmale von Bluetooth Mesh sind:

Datenverschlüsselung und Authentifizierung: Alle Nachrichten in einem Bluetooth-Mesh-Netzwerk werden verschlüsselt und authentifiziert.

Trennung der Sicherheitsaspekte: Innerhalb eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks gibt es drei verschiedene Sicherheitsaspekte: Die Anwendungs-, die Netzwerk- und die Gerätesicherheit. Sie werden unabhängig voneinander behandelt und haben jeweils ihre eigenen Sicherheitsschlüssel (siehe Kasten: „Sicherheit im Bluetooth Mesh“).

Isolierung: Das Bluetooth-Mesh-Netzwerk ist in Sub-Netze unterteilt. Diese Teilnetze sind getrennt voneinander verschlüsselt und gesichert.

Key-Refresh: Alle Sicherheitsschlüssel können im Bluetooth-Mesh-Netzwerk während eines Schlüsselaktualisierungsverfahrens geändert werden.

Nachrichtenverschleierung: Dank eines Datenschutzmechanismus ist es extrem schwierig, Knoten in einem Netzwerk aufzuspüren. Versendete Nachrichten lassen sich daher kaum nachverfolgen.

Schutz gegen Replay-Attacken: Security-Funktionen schützen das Netzwerk vor Replay-Angriffen, die zuvor gesammelte Daten zur Authentifizierung und Zugriffskontrolle verwenden (Identitätsdiebstahl).

Schutz gegen Trashcan-Attacken: Um Trashcan-Angriffe, – das Auslesen wichtiger Netzwerkinformationen aus ungültig erklärten Knoten – zu verhindern, können Knoten sicher aus dem Netzwerk entfernt werden.

Sichere Gerätebereitstellung: Neue Knoten können dem Bluetooth-Mesh-Netzwerk sicher hinzugefügt werden.

Alle diese umfangreichen Security-Funktionen machen Bluetooth Mesh zu einer interessanten Lösung für Anwendungen, die eine Kommunikation mit niedriger Datenrate zwischen mehreren Geräten benötigen. Darüber hinaus ist Bluetooth Mesh ideal für neue Anwendungsbereiche wie die vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) oder das Smart Agriculturing/Farming. Die Implementierung eines drahtlosen Sensor-Mesh-Netzwerks in Montagelinien kann das Wartungspersonal rechtzeitig warnen, bevor eine Maschine ausfällt. Oder durch den Einsatz von Mesh-Netzwerken in der Landwirtschaft werden Daten wie Boden- und Luftfeuchtigkeit oder Temperatur direkt auf das Smartphone ohne ein Gateway übertragen.

Auch ermöglicht dies eine effizientere Wasser- und Düngemittelnutzung und eine Reduktion von Pestiziden. Denn entsprechende Maßnahmen werden nur dann ergriffen, wenn die gemessenen Werte eine bestimmte Grenze unterschreiten. Bluetooth Mesh eignet sich auch für das Smart Home. Hier können den Leuchten Sensoren beifügt werden, die registrieren, ob jemand in der Nähe ist und sich nur in diesem Fall anschalten. Selbst im Sport ist Bluetooth Mesh denkbar: Im Schuh der Sportler integrierte Sensoren können die Leistungsdaten aufnehmen, welche dann über einen Bluetooth-Mesh-Master von einem Sportler zum nächsten übermittelt werden, bis sie zum Beispiel beim Trainer ankommen, der die Daten dann auswerten kann.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Umgebung für die BLE-Mesh-Technologie keine Rolle spielt. Die ab der Mesh-Spezifikation 1.0 erfüllten Industrieanforderungen erlauben unzählige Einsatzmöglichkeiten, etwa in Krankenhäusern, Fabrikanlagen, Bürogebäuden, Universitäten oder Privathäusern. Wo immer eine drahtlose, sichere und robuste Kommunikation zwischen einer großen Anzahl an Geräten nötig ist, ist Bluetooth Mesh eine nähere Betrachtung wert.

* Kerstin Wagner ist Product Sales Manager Wireless,

* Felix Graf ist Product Sales Manager Wireless, beide sind bei Rutronik in Ispringen

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