Bluetooth

Grundprinzip und technische Grundlagen

Bluetooth ist ein von der Bluetooth Special Interest Group (SIG) entwickelter Industriestandard zur drahtlosen Datenübertragung über kurze Entfernungen in einem Wireless Personal Area Network (WPAN). Er verbindet etwa Mobiltelefone, Computer, Kopfhörer, Eingabegeräte, Sensoren und Maschinenkomponenten und ersetzt vor allem Kabel. Möglich sind verbindungslose und verbindungsorientierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen sowie selbstorganisierte Ad-hoc- oder Piconetze. Das erstmalige Verbinden zweier Geräte heißt Koppeln oder Pairing.

Bluetooth arbeitet als Short Range Device (SRD) im weltweit zulassungsfrei nutzbaren ISM-Band zwischen 2,402 und 2,480 GHz. Da dort auch andere Funkanwendungen und Mikrowellenherde stören können, nutzt Bluetooth ein Frequenzsprungverfahren: Das Band wird in 79 Kanäle mit jeweils 1 MHz Abstand aufgeteilt, zwischen denen bis zu 1600-mal pro Sekunde gewechselt wird. Adaptive Frequency Hopping (AFH) kann bereits belegte oder gestörte Frequenzen auslassen.

Die theoretische asymmetrische Datenrate älterer Versionen beträgt 706,25 kbit/s beim Empfang und gleichzeitig 57,6 kbit/s beim Senden. Bluetooth 2.0 + EDR erreicht durch Enhanced Data Rate rund 2,1 Mbit/s. Seit Version 1.1 kann ein Gerät bis zu sieben Verbindungen gleichzeitig unterhalten; alle Teilnehmer teilen sich jedoch die verfügbare Bandbreite. Bluetooth überträgt Sprache und andere Daten und kann die Übertragung verschlüsseln.

Die Reichweite richtet sich nicht nur nach der Sendeleistung, sondern auch nach Empfängerempfindlichkeit, Antennen, Pakettypen und Hindernissen wie Mauern. Klasse 1 arbeitet mit maximal 100 mW beziehungsweise +20 dBm und erreicht allgemein etwa 100 m. Klasse 2 nutzt 2,5 mW beziehungsweise +4 dBm und erreicht allgemein etwa 10 m, im Freien etwa 50 m. Klasse 3 nutzt 1 mW beziehungsweise 0 dBm und erreicht allgemein etwa 1 m, im Freien etwa 10 m. 2024 gelang eine Bluetooth-Verbindung über 600 km zu einem künstlichen Erdsatelliten; dies ist jedoch kein typischer Anwendungsabstand.

Netzwerk, Datenkanäle und Verbindungsaufbau

Ein Piconet besteht aus höchstens acht aktiven Geräten. Ein Primary, früher „Master“, steuert die Kommunikation und weist den Secondary-Geräten, früher „Slaves“, Sendezeitfenster zu. Inaktive Geräte können im Parkmodus synchron bleiben. Dafür steht eine 8-Bit-Adresse für bis zu 255 Secondary-Geräte zur Verfügung; zusätzlich können passive Teilnehmer über ihre 48-Bit-Geräteadresse verwaltet werden. Ein Gerät darf mehreren Piconetzen angehören, aber nur in einem davon Primary sein. Bis zu zehn miteinander verbundene Piconetze bilden ein Scatternet. Allgemeine Verfahren für solche Netze sind nicht standardisiert, und ihre Datenrate fällt meist deutlich ab.

Das Basisband stellt zwei Kanaltypen bereit. SCO (Synchronous Connection-Oriented) ist eine synchrone, leitungsvermittelte Verbindung für Sprache mit 64 kbit/s. ACL (Asynchronous Connectionless) ist eine asynchrone Paketverbindung für andere Daten, darunter auch Musik und Steuerinformationen. Version 1.2 ermöglicht über ACL asymmetrisch höchstens 732,2 kbit/s in einer und 57,6 kbit/s in der Gegenrichtung oder symmetrisch 433,9 kbit/s je Richtung. EDR erhöht diese Werte. Mit Version 1.2 kam eSCO als flexiblere synchrone Übertragung hinzu.

Ein klassisches Bluetooth-Paket enthält einen 72-Bit-Zugriffscode, einen 54-Bit-Header und 0 bis 2745 Bit Nutzdaten; Bluetooth 2.0 + EDR erlaubt beim Typ 3-DH5 bis zu 8168 Bit Nutzdaten.

Ein Controller identifiziert sich über eine eindeutige 48-Bit-MAC-Adresse. Unverbundene Geräte prüfen im Scan-Modus in Abständen von bis zu 2,56 Sekunden insgesamt 32 Sprungfrequenzen. Ist die Adresse unbekannt, sucht das Primary zunächst mit einer Inquiry-Nachricht und stellt anschließend über eine Page-Nachricht den Kontakt her. Bei bekannter Adresse entfällt Inquiry. Durchschnittlich gelingt der Aufbau innerhalb eines halben Scanintervalls, bei 2,56 Sekunden also nach etwa 1,28 Sekunden. Seit 2005 kann Near Field Communication (NFC) das erstmalige Pairing unterstützen.

Bei Inaktivität stehen drei Energiesparzustände bereit: HOLD unterbricht die Teilnahme vorübergehend, beispielsweise für 200 bis 500 ms. SNIFF lässt ein Gerät nur periodisch, etwa alle 50 ms, für bestimmte Zeitfenster lauschen und wird häufig eingesetzt. PARK hält die Synchronisation aufrecht, erlaubt aber keine aktive Datenübertragung. Bluetooth Low Energy ist dagegen kein einzelner Energiesparmodus, sondern ein eigener Protokollstapel für besonders niedrigen Energieverbrauch.

Protokolle, Profile und Fehlerbehandlung

Die Bluetooth-Spezifikation ordnet ihre Kommunikationsregeln hierarchisch in einem Protokollstapel. Vereinfacht befindet sich eine untere Schicht auf dem Host-Gerät und eine obere auf dem Bluetooth-Modul; gemeinsam stellen und sichern sie die Verbindung. Ein Bluetooth-Stack ist außerdem ein Softwarepaket aus Treibern und Diensten, das einem Betriebssystem die Nutzung der Funkhardware ermöglicht. Bekannte Beispiele sind BlueZ unter Linux sowie die Stacks von Microsoft, Toshiba und Widcomm/Broadcom.

Bluetooth-Profile legen oberhalb der grundlegenden Protokolle fest, wie ein bestimmter Dienst funktioniert. Nach dem Verbindungsaufbau wählen die Geräte ein passendes Profil und bestimmen damit die verfügbaren Daten und Befehle. Ein Headset fordert beispielsweise einen Audiokanal vom Mobiltelefon an und nutzt zusätzliche Datenkanäle zur Lautstärkeregelung oder Anrufsteuerung.

Bis Bluetooth 2.0 gibt es zwei grundlegende Verfahren zur Fehlerbehandlung. Die 1/3- und 2/3-FEC-Blockcodierung (Forward Error Correction) fügt redundante Informationen hinzu, sodass der Empfänger Fehler korrigieren kann. Bei ARQ (Automatic Repeat Request) erkennt der Empfänger einen Fehler und fordert das betroffene Paket erneut an.

Sicherheit

Der ältere Bluetooth-Standard unterscheidet drei Sicherheitsmodi. Modus 1 besitzt außer dem Frequenzwechsel keine Sicherheitsmechanismen. In Modus 2 setzen einzelne Dienste auf Anwendungsebene Authentifizierung und gegebenenfalls Autorisierung durch. In Modus 3 erfolgt bereits beim Verbindungsaufbau eine Authentifizierung auf der Verbindungsebene; Verschlüsselung bleibt optional.

Eine Übertragung gilt nur mit mehrstufiger dynamischer Schlüsselvergabe als abhör- und eindringsicher. Statische Schlüssel bieten weniger Schutz, und besonders der Schlüsselaustausch ist gefährdet, weil die Verbindung erst danach geschützt ist. Kurze PINs von ungefähr vier Dezimalziffern oder weniger sind unsicher. Bluetooth erlaubt bis zu 16 beliebige Zeichen beziehungsweise 128 Bit.

A. Wool und Y. Shaked beschrieben 2005 einen praktischen Angriff: Ein Angreifer stört eine bestehende Verbindung, erzwingt eine erneute Authentifizierung, hört die Neuaushandlung des Schlüssels mit und probiert eine schwache PIN per Brute Force aus. Das frei verfügbare Programm BTCrack von Thierry Zoller demonstriert diesen Ansatz. Der Angreifer muss die Bluetooth-Adresse kennen; der „Unsichtbarkeitsmodus“ verhindert dies nicht zuverlässig. Dauerhaft gespeicherte Schlüssel schützen vor diesem speziellen Ablauf, weil nach einer Störung keine neue PIN-Eingabe nötig ist. Empfohlen werden dauerhaft gespeicherte bekannte Gegenstellen, möglichst seltene PIN-Neuanmeldungen, PINs mit deutlich mehr als acht Zeichen und Misstrauen bei unerwarteten Aufforderungen zur erneuten Authentifizierung.

Fehlerhafte oder unvorsichtig konfigurierte Geräte können außerdem unbefugte Anrufe und SMS, das Lesen oder Ändern persönlicher Daten sowie Denial-of-Service-Angriffe ermöglichen. 2006 demonstrierten Thierry Zoller und Kevin Finistere auf dem 23. Chaos Communication Congress eine Remote-Root-Shell auf macOS 10.3.9 und 10.4 über Bluetooth und damit eine vollständige Codeausführung auf dem Zielgerät.

Entwicklung der Versionen

Die Entwicklung eines funkbasierten Kabelersatzes begann bei Ericsson nach einer Machbarkeitsstudie von 1994. Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel gründeten 1998 die Bluetooth SIG. Version 1.0a erschien im Juli 1999, 1.0b im Dezember 1999 und die erste solide Produktgrundlage, Version 1.1, im Februar 2001.

Bluetooth 1.2 vom November 2003 brachte AFH und eSCO und erreichte maximal 1 Mbit/s. Bluetooth 2.0 + EDR vom November 2004 steigerte die Rate auf maximal 2,1 Mbit/s. Version 2.1 + EDR vom August 2007 ergänzte Secure Simple Pairing, Quality of Service und Extended Inquiry Response. Bluetooth 3.0 + HS vom April 2009 sah einen WLAN-basierten Highspeed-Kanal mit theoretisch 24 Mbit/s vor; eine geplante UWB-Variante mit bis zu 480 Mbit/s wurde im Oktober 2009 aufgegeben.

Bluetooth 4.0 wurde am 17. Dezember 2009 verabschiedet und führte Bluetooth Low Energy ein. Es kann eine Übertragung in weniger als fünf Millisekunden aufbauen und bis 100 m aufrechterhalten, überträgt in dieser Ausprägung aber keine Audiodaten. Geräte mit Classic und Low Energy heißen „Smart Ready“. Version 4.1 vom Dezember 2013 erlaubte Kleinstgeräten Host- und Client-Betrieb. Version 4.2 vom Dezember 2014 verbesserte Sicherheit, Geschwindigkeit und Energieverbrauch.

Bluetooth 5 wurde am 6. Dezember 2016 verabschiedet. Es erreicht bis 2 Mbit/s, mit EDR bis 3 Mbit/s, und zwischen Geräten der 5.x-Reihe bis zu 200 m. Standortdienste und Periodic Advertising kamen hinzu. Version 5.1 ergänzte Direction Finding zur präzisen Richtungsbestimmung. Version 5.2 führte LE Audio, Broadcast Audio und den energiesparenden Codec LC3 ein. Version 5.3 verbesserte unter anderem die Kontrolle der Mindestlänge von Verschlüsselungsschlüsseln. Version 5.4 vom 7. Februar 2023 ergänzte unter anderem Periodic Advertising with Response und verschlüsselte Advertising-Daten.

Bluetooth 6.0 erschien im September 2024. Channel Sounding bestimmt mit Phase-Based Ranging (PBR) und Round-Trip Timing (RTT) Abstand und Richtung genauer. Verbesserungen am Isochronous Adaptation Layer senken Audiolatenzen; Fragmentpausen sind statt fester 150 µs zwischen 0 und 10000 µs einstellbar. Version 6.1 vom Mai 2025 verbesserte Datenschutz durch Randomized Resolvable Private Addresses, Energieverbrauch und Verschlüsselungssteuerung. Version 6.2 vom November 2025 stärkte Channel Sounding gegen amplitudenbasierte Angriffe, führte Authenticated Advertisement ein und verkürzte Intervalle isochroner Verbindungen von 7,5 ms auf 375 µs. Version 6.3 vom Mai 2026 korrigierte die Entfernungsbestimmung, erweiterte wegen knapper Bitmasken die HCI-Darstellung und verringerte Anforderungen an Bluetooth Classic beziehungsweise BR/EDR.

Typische Einsatzbereiche

Am Computer verbindet Bluetooth Headsets, Lautsprecher, Mäuse, Tastaturen und Mobiltelefone. Es dient außerdem zur Kontaktsynchronisation, Dateiübertragung, Bereitstellung eines mobilen Internetzugangs, Übertragung von Bewegungsdaten und Zwei-Faktor-Authentifizierung nach dem U2F-Standard der FIDO-Allianz. Notebooks besitzen die Hardware oft eingebaut; andere Computer können USB-Adapter verwenden.

In Fahrzeugen koppeln Autoradios Mobiltelefone als Freisprechanlage. Sie können Anrufe annehmen oder starten und Angaben wie Rufnummer oder Namen aus dem Telefonbuch anzeigen. Bluetooth-Headsets bieten abhängig von Geräten, Chips und Profilen zusätzliche Steuerfunktionen. Tragbare Lautsprecher, Heim-Stereoanlagen und Kopfhörer nutzen Bluetooth für Musik. Codecs wie aptX HD, LDAC und bei Bluetooth LE LC3plus ermöglichen hochwertige Wiedergabe; erste LC3plus-Geräte werden ab 2024 genannt.

Spielkonsolen wie Wii, Switch, PlayStation 3 bis 5 sowie Xbox One S und Xbox One X verwenden Bluetooth für Controller. Bluetooth-Hotspots können Zugriff auf Internet oder Unternehmensnetzwerke geben; Motorradsprechanlagen erreichen laut Artikel bis zu 1,6 km.

In der Industrie ermöglicht AFH störungsresistente Verbindungen zwischen Maschinenkomponenten. Bluetooth wurde unter anderem als Träger für PROFINET-Daten auf Feldbus-Ebene und für Anwendungen auf Sensor-Aktor-Ebene vorgesehen. In der Haustechnik wird es für Automation, Alarmsysteme und digitale Schlüssel eingesetzt.

In der Medizintechnik dient Bluetooth zur Einstellung moderner Arm- und Beinprothesen, etwa von Standphasendämpfung und Maximallast. Hörgeräte empfangen darüber Audiosignale. Insulinpumpen kommunizieren mit Blutzuckermessgeräten, Fernbedienungen oder Computern; beim kontinuierlichen Glukosemonitoring gelangen Sensordaten an ein Empfangsgerät oder Smartphone. Auch manche EKG-Geräte übertragen ihre Aufzeichnungen per Bluetooth.