Bluetooth: Alles Wissenswerte über den beliebten Funkstandard

Die Übertragung von Daten zwischen verschiedenen digitalen Endgeräten stellt in der Regel kein Problem dar, vorausgesetzt Sie haben gerade das richtige Verbindungskabel parat. Ist dieses nicht vorhanden, müssen Sie den langen Umweg über ein WLAN oder die Cloud gehen, um etwa die Fotos vom letzten Abend mit Ihren Freunden teilen zu können. Aber es gibt noch eine weitere Methode, mit der der Transfer von Bildern, Videos und Audiodateien ganz einfach funktioniert. Der Name: Bluetooth. Die Nutzungsmöglichkeiten: nahezu unbegrenzt.

Der Begriff Bluetooth beschreibt eine Netzwerktechnologie, die von der Arbeitsgruppe IEEE 802.15.1 des US-amerikanischen Institute of Electrical and Electronics Engineers zu einem Industriestandard für Funkverbindungen erhoben wurde. Bluetooth dient der verbindungslosen oder verbindungsorientierten Punkt-zu-Punkt-Übertragung von Sprache und Daten zwischen verschiedensten digitalen Endgeräten. Das Hauptziel der Technik besteht darin, Kabelverbindungen zu ersetzen bzw. gänzlich obsolet zu machen, was vor allem für mobile Endgeräte wie Smartphones und Tablets von Vorteil ist.

Im Vergleich zu anderen Transfertechnologien wie USB, LAN oder WLAN ist Bluetooth auf einen Datentransfer über eher kurze Distanzen sowie einen simplen und energiesparenden Verbindungsaufbau spezialisiert. Da im Vergleich zu den anderen genannten Techniken in der Regel nur geringere Übertragungsgeschwindigkeiten erreicht werden, kann der Versand allzu großer Datenpakete allerdings etwas länger dauern. Für einzelne Dateien oder weniger komplexe Dienste und Anwendungen stellt Bluetooth jedoch zweifelsohne die Ideallösung dar.

Die Erfindung von Bluetooth rührt vom allseits bekannten Problem des „Kabelsalats“ her: Schon seit den 1980er Jahren wurde mit verschiedenen Mitteln versucht, herkömmliche, kabelgebundene Verbindungstechniken durch kabellose Alternativen zu ersetzen. Ein vielversprechender Kandidat war die Infrarottechnik, die z. B. für die Kommunikation von Computern mit Druckern eingesetzt wurde. Der relativ hohe Stromverbrauch sowie die Notwendigkeit, einen direkten „Sichtkontakt“ zwischen den zu verbindenden Geräten herzustellen und aufrechterhalten zu müssen, verhinderten jedoch, dass sich die Technologie durchsetzte.

In den 1990er Jahren rief dann ein Konsortium aus den Elektronikunternehmen Ericsson, IBM, Intel, Nokia und Toshiba die Bluetooth Special Interest Group (kurz: Bluetooth SIG) ins Leben, die eine eigene technologische Lösung entwickeln sollte. „Bluetooth“ war bis zu diesem Zeitpunkt nur der Codename des Projekts, doch in Ermangelung anderer Vorschläge wurde er bald als endgültiger Markenname übernommen.

Dass die beteiligten Firmen Ericsson und Nokia beide aus Skandinavien stammen, dürfte bei der Namenswahl ein ausschlaggebender Faktor gewesen sein: Das Wort „Bluetooth“ soll nämlich an Harald Blauzahn, den dänischen Wikingerkönig, erinnern. Dieser schaffte es im 10. Jahrhundert, die verfeindeten Teile Norwegens und Dänemarks zu einem Königreich zu vereinen. Das ikonische Bluetooth-Symbol stellt übrigens eine Kombination aus den altnordischen Runen ᚼ und ᛒ dar, die für Harald Blauzahns Initialen (HB) stehen.

Bluetooth ist das Ergebnis einer Kooperation zahlreicher Parteien. So ist das grundsätzliche Funkverfahren im Wesentlichen auf die Arbeit des niederländischen Professors Jaap Haartsen und des Schweden Sven Mattisson zurückzuführen, die beide für das Mobilfunk- und Internetunternehmen Ericsson arbeiteten. Andere Aspekte verdankt Bluetooth wiederum zu großen Teilen den Technikkonzernen Intel und Nokia. Wir erklären Ihnen die technischen Hintergründe.

Voraussetzung dafür, dass ein digitales Gerät als „Bluetooth-fähig“ gilt, ist eine entsprechende Software zur Steuerung des Datentransfers sowie ein spezieller Bluetooth-Chip, der über eine Sende- und eine Empfangseinheit verfügt und fest in der Hardware verbaut ist. Zu den bekannten Herstellern solcher Chips zählen etwa Atheros, Nordic Semiconductor oder Toshiba. Man kann auch einen Bluetooth-Adapter an die USB-Schnittstelle eines Geräts anschließen und es somit um diese Funktion erweitern.

Die dedizierte Bluetooth-Frequenz liegt in einem lizenzfreien ISM-Band zwischen 2,402 GHz und 2,480 GHz. Kompatible Geräte, die den Standards der Bluetooth SIG entsprechen, dürfen als sogenannte Short Range Devices (SRD) weltweit zulassungsfrei in diesem Frequenzbereich senden. Um sich dafür eindeutig identifizieren zu können, verfügt jedes Gerät über eine individuelle, 48 Bit lange MAC-Adresse.

Eine Verbindung kann von jedem beliebigen Gerät ausgehen, das sich dadurch zu einem „Master“ („Meister“) gegenüber den „Slaves“ („Sklaven“, also den beteiligten Geräten) erhebt und dadurch ein sogenanntes „Piconetz“ (ein Bluetooth-Netzwerk) einrichtet. Dieses bleibt so lange bestehen, bis der Master die Bluetooth-Funktion in seinem System wieder deaktiviert. Geräte, die sich in ein Piconetz einwählen wollen, „lauschen“ im Scan-Modus alle 2,56 Sekunden nach einem Signal des Masters. Der Verbindungsaufbau erfolgt dann durchschnittlich innerhalb von 1,28 Sekunden. Die Verbindung zweier oder mehrerer Geräte via Bluetooth wird auch „Pairing“ („Paaren“) genannt.

In der Praxis müssen sich die Teilnehmer eines Piconetzes in unmittelbarer Nähe zueinander aufhalten und die Bluetooth-Funktion auf ihrem jeweiligen Gerät aktiviert haben. Die Aktivierung erfolgt je nach Gerät über eine spezielle Software, ein Kontrollfeld oder eine Taste, auf der das Bluetooth-Symbol zu sehen ist. Der Verbindungsaufbau muss daraufhin mittels einer (meist vierstelligen) PIN autorisiert werden, die auf dem Bildschirm des Slave-Geräts angezeigt wird oder im jeweiligen Handbuch vermerkt ist. Dieser auch als „Schlüsselvergabe“ bezeichnete Vorgang dient der Sicherheit gegenüber Dritten und muss in der Regel nur einmalig stattfinden. Danach wird das „gepaarte“ Gerät in einer Liste gespeichert und verbindet sich immer automatisch, sobald es sich in Reichweite des Piconetzes befindet – vorausgesetzt, Bluetooth ist aktiviert.

Maximal acht aktiv teilnehmende Bluetooth-Geräte bilden ein sogenanntes Piconetz. Außerdem können theoretisch bis zu ca. 200 weitere Geräte im energiesparenden Standby- bzw. PARK-Modus gleichzeitig im Netzwerk verweilen und auf Anfrage aktiviert werden. Ein Bluetooth-Gerät kann zugleich in mehreren Piconetzen als Slave angemeldet sein, aber in nur einem selbst als Master fungieren. Bis zu zehn Piconetze bilden ein sogenanntes Scatternetz. Jedes darin enthaltene Gerät kann mit den anderen in Kontakt treten. Darunter leidet jedoch die Datenübertragungsrate.

Jeder Bluetooth-Chip kommt mit einem sogenannten Protokollstapel bzw. -stack daher. Dabei handelt es sich um ein Software-Paket, das die Dienste für die Verwendung verschiedener Bluetooth-Profile beinhaltet. Ähnlich wie die Treiber auf einem Computer legen diese Profile fest, welche Art von Daten zwischen Geräten übertragen werden können und welche Dienste dadurch verfügbar sind. Die Profile, die ein Gerät beherrscht, kann man meist an seinen technischen Daten ablesen. Um bestimmte Funktionen nutzbar zu machen, müssen alle beteiligten Geräte dieselben Profile unterstützen. Oftmals kann man fehlende Profile z. B. über die Internetseite des Chip-Herstellers bzw. Stack-Anbieters beziehen und ergänzen.

Die folgende Tabelle enthält einige häufig verwendete Standardprofile. Da aber ständig neue Profile hinzukommen, um flexibel auf neue Geräteanforderungen reagieren zu können, erhebt sie keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Für Bluetooth existieren zahlreiche Verwendungsmöglichkeiten und Einsatzbereiche, weswegen im Folgenden nur einige Beispiele genannt werden sollen.

• Computer und Notebooks: Viele aktuelle Windows- und Linux-Betriebssysteme unterstützen standardmäßig Bluetooth. Ein in der Hardware verbauter Chip ermöglicht die Anbindung verschiedener Peripheriegeräte wie Mäuse, Tastaturen, Kopfhörer und Drucker. Zudem wird die Funktechnik für Security-Tokens im Rahmen der Zwei-Faktor-Authentifizierung verwendet.
• Mobilgeräte: Bluetooth-Chips sind in praktisch allen modernen Handys und Tablets integriert. Mit ihrer Hilfe lassen sich z. B. Dateien, Fotos und Videos mit dem Heimcomputer synchronisieren.
• Audio-Ausgabegeräte: Viele kabellose Lautsprecher und Headsets verfügen über Bluetooth, womit MP3-Dateien direkt vom Smartphone abgespielt werden können.
• Freisprechanlagen: Wird das Smartphone per Bluetooth mit der Freisprechanlage im Autoradio oder im Motorradhelm gekoppelt, können eingehende Anrufe direkt entgegengenommen werden. Bei gut ausgestatteten Kraftfahrzeugen ist auch der Bordcomputer mit der Funktechnik kompatibel, sodass über die Cockpit-Anzeige durch die Kontakte und Menüs auf dem Handy navigiert werden kann.
• Fitnessgeräte und Smart-Home-Technik: Manche Fitnesstracker und Smartwatches senden Gesundheitsdaten per Bluetooth direkt an eine Gesundheits-App auf dem Smartphone. Bluetooth-fähige Küchengeräte, Alarmsysteme, elektronische Schlüssel und digitale Bilderrahmen tragen außerdem zum weltweiten Siegeszug der Smart-Home-Systeme bei.
• Spielzeuge und Gaming-Konsolen: Die Spielzeugindustrie bringt ständig neue Puppen und Action-Figuren auf den Markt, die miteinander per Bluetooth kommunizieren und interagieren können. Auch die Game-Controller von beliebten Videospielkonsolen wie der Nintendo Switch, PlayStation 4 und Xbox One funktionieren über den Funkstandard.
• Medizintechnik: Hörgeräte höherer Preisklassen können dank Bluetooth mit Freisprechfunktionen ausgestattet werden. Zudem ist es damit möglich, fortschrittliche Arm- und Beinprothesen, Insulinpumpen und Blutzuckermessgeräte per Funk zu konfigurieren.
• Industrie: Die kabellose Kommunikationstechnik bringt nicht zuletzt die Industrie selbst voran, indem sie Maschinen und Fertigungsanlagen miteinander vernetzt und es somit ermöglicht, Produktionsprozesse weitgehend zu automatisieren.

Mitte 1999 wurde mit Bluetooth 1.0a die erste Version des neuen Funkstandards mit einer damaligen Datenübertragungsrate von 732,2 kbit/s herausgebracht. Jedoch hatte sie, genau wie ihr Nachfolger 1.0b, mit einigen anfänglichen Mängeln und Sicherheitsproblemen zu kämpfen. Erst Bluetooth 1.1 (Anfang 2001) bildete ein solides Fundament für marktfähige Produkte. Seitdem wurde das System kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert, wobei besonderes Augenmerk auf Sicherheit, Störungsresistenz und Verbindungsgeschwindigkeit gelegt wurde.

Das Ergebnis ist eine Vielfalt an Bluetooth-Versionen, die aufeinander aufbauen und sich vor allem in ihrer maximal möglichen Datenübertragungsrate, aber auch in ihrer Funktionalität und ihrem Anwendungsbereich unterscheiden.

Mittlerweile existieren also über zehn Bluetooth-Versionen, die mit Ausnahme der energiesparenden Variante 4.0 LE allesamt miteinander kompatibel sind. Ältere Versionen als Bluetooth 3.0 kommen in der Praxis aber nur noch selten vor.

Nachdem manche Benutzer und Experten zeitweilig schon von Bluetooth als „sinkendem Stern“ sprachen, revitalisierte Version 4.0 LE die Technologie. Mithilfe des Low-Energy-Protokollstapels waren noch nie dagewesene Energieeinsparungen möglich, dank denen Bluetooth auch auf Kleinstgeräten wie Smartwatches, elektronischen Türschlössern und intelligenten Glühbirnen einsetzbar wurde. Seitdem gilt der bald 20 Jahre alte Funkstandard als eine der wichtigsten Triebkräfte des Internets der Dinge (Internet of Things, kurz: IoT).

Version 4.1 erlaubt es Kleinstgeräten inzwischen, auch ohne einen „Vermittler“ mit anderen Geräten zu kommunizieren. So kann ein Fitness-Armband einen Pulsmesser direkt ansteuern, ohne den Umweg über ein Smartphone gehen zu müssen. Eine weitere Neuerung ist die Unterstützung von IPv6, wodurch jedes Bluetooth-fähige IoT-Gerät eine eigene IP-Adresse erhält, über die es von seinem Benutzer aus dem Internet ansteuerbar ist. Als technischer Höchststand galt bislang jedoch die Version 4.2, die sich durch kleinere Datenpakete sowie eine höhere Geschwindigkeit, längere Akkulaufzeit und mehr Sicherheit auszeichnet.

Aber auch das ist noch nicht das Ende der Fahnenstange: Im Dezember 2016 brachte die SIG das lang erwartete Bluetooth 5 heraus, das weiterhin auf IoT-Geräte spezialisiert ist und sich gegenüber seinem Vorgänger nochmal in jeder Hinsicht verbessert hat. So sollen bei einem gleichbleibend geringen Energieverbrauch eine um 800 Prozent erhöhte Sendekapazität sowie Reichweiten von bis zu 200 Metern (draußen) bzw. 40 Metern (drinnen) möglich sein. Dies solle auch dazu beitragen, die Entwicklung der sogenannten Beacons weiter voranzutreiben. Dabei handelt es sich um kleine Bluetooth-Sender, die z. B. in Museen eingesetzt werden, um zusätzliche Informationen auf die Smartphones von Besuchern zu senden.

Zwar ist die Anzahl der Geräte, die die neue Version unterstützen, zurzeit noch recht übersichtlich – einige Experten handeln Bluetooth 5 aber schon als „technischen Meilenstein“, der (zumindest im IoT-Bereich) sogar WLAN den Rang ablaufen könnte.

Bezüglich der Frage nach der maximalen Reichweite von Bluetooth lassen sich bislang drei Klassen unterscheiden, die sich nach dem Bedarf des jeweiligen Geräts richten:

Es muss erwähnt werden, dass der Einsatz von Bluetooth-Technologie immer einen Kompromiss zwischen Datenrate/Reichweite und Stromverbrauch erfordert. Version 4.0 beispielsweise benötigt im Low-Energy-Modus nur sehr wenig Strom, erreicht aber auch nur 1 Mbit/s bei einer Reichweite von höchstens 10 Metern. Im Normalbetrieb können maximal 25 Mbit/s erzielt werden, wodurch die Reichweite, aber auch der Energiebedarf proportional steigen. Hersteller Bluetooth-fähiger Geräte müssen daher genau kalkulieren, wie sie ihre Produkte konfigurieren, damit sie für ihren Einsatzzweck geeignet sind. Lediglich die neueste Version Bluetooth 5 ist dank fortschrittlichen Energiesparmaßnahmen zu Reichweiten von 200 Metern im Außenbereich und 40 Metern im Innenbereich imstande, kann aber auch im LE- oder EDR-Modus betrieben werden.

Insgesamt ist die maximale Reichweite eines Bluetooth-fähigen Geräts immer davon abhängig, ob es in Außenbereichen oder drinnen (z. B. innerhalb einer Wohnung) eingesetzt wird. Der Grund: Hindernisse wie Mauern, große Möbel oder metallische Strukturen können die Verbindung stören. Die Bauform der auf den Funkkommunikationswegen eingesetzten Sende- und Empfangsantennen und die Art der zu versendenden Datenpakete sind weitere Parameter, die für die Reichweite einer Bluetooth-Verbindung ausschlaggebend sein können.

Verschiedene Verfahren, die man unter dem Sammelbegriff „Frequency Hopping“ zusammenfassen kann, haben die Störanfälligkeit von Bluetooth von Version zu Version nachhaltig verringert. Dabei wird das verwendete Frequenzband in einzelne, gleich große Kanäle unterteilt, die mehrere Tausend Mal pro Sekunde bzw. je nach Bedarf gewechselt werden, um konstant störungsfrei senden zu können. So wird weitestgehend sichergestellt, dass sich die Bluetooth-Kommunikation und andere Funkverbindungen wie WLAN, LTE oder Mikrowellen nicht in die Quere kommen.

Dank Verschlüsselung und verschiedener anderer Sicherheitsmechanismen gilt Bluetooth gemeinhin als relativ sicher. Jedoch wurde bereits mehrfach bewiesen, dass auch neuere Versionen des Funkstandards angreifbar sind, z. B. aufgrund fehlerhafter Implementierungen seitens der Hersteller.

Der beliebteste Angriffspunkt ist dabei fast immer die Schlüsselvergabe beim Pairing, wobei Cyberkriminelle versuchen, an die zur Autorisierung verwendete PIN zu gelangen. Da diese in der Regel nur einmal pro Verbindungsaufbau vergeben werden muss, ist das Zeitfenster für solche Angriffe üblicherweise äußerst kurz.

Es gibt jedoch einen Trick, der weder großartige IT-Kenntnisse noch spezielle Technik erfordert: Beim „Bluesmack“ stören Angreifer eine bereits bestehende Bluetooth-Verbindung. Dadurch sind die ahnungslosen Benutzer gezwungen, erneut eine PIN auszutauschen, die die Angreifer dann abfangen, um sich Zugang zum jeweiligen Gerät zu verschaffen. Infolgedessen können sie Datenströme abhören und manipulieren („Bluesnarfing“) und finanzielle Schäden anrichten, indem sie kostenpflichtige Hotlines und SMS-Dienste anrufen („Bluebugging“). Damit solch eine Attacke gelingt, müssen sich die Angreifer jedoch in der Nähe der zu hackenden Geräte aufhalten.

Als Bluetooth-Nutzer können Sie einige Vorbeugungsmaßnahmen treffen:

• Fragen Sie schon vor dem Kauf eines digitalen Geräts, ob es möglich ist, bei Bluetooth-Verbindungen manuell eine PIN zu vergeben (von Herstellern festgelegte Standardschlüssel wie „0000“ oder „1234“ bieten nicht genügend Sicherheit).
• Deaktivieren Sie die Option „Secure Simple Pairing“ (automatische Verbindung zu neuen Geräten ohne PIN, z. B. bei Bluetooth 2.1 + EDR) und gehen Sie dazu über, jede Bluetooth-Verbindung nur noch manuell herzustellen.
• Wählen Sie einen langen PIN-Code mit mindestens acht numerischen Zeichen, soweit es die Software gestattet.
• Verwenden Sie den „Unsichtbarkeitsmodus“, der Ihren Bluetooth-Nutzernamen anonymisiert.
• Vermeiden Sie es, Bluetooth an belebten Orten wie z. B. öffentlichen Plätzen zu verwenden, da hier die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass sich ein spezialisierter Hacker in Ihrer unmittelbaren Nähe aufhält.
• Speichern Sie vertrauenswürdige Geräte in Ihrer Bluetooth-Geräteliste. Dadurch entfällt die erneute PIN-Eingabe bei einem späteren Verbindungsaufbau, sodass ein wichtiger Angriffspunkt wegfällt.
• Wenn bei einer bereits bestehenden Verbindung eine erneute Autorisierung per PIN verlangt wird, sollte das ein Alarmsignal für Sie sein. Unterbrechen Sie in diesem Fall vorerst den Verbindungsversuch und wechseln Sie Ihren Aufenthaltsort, um aus der Reichweite eines möglichen Angreifers zu gelangen.
• Deaktivieren Sie Bluetooth sofort nach Gebrauch. Schalten Sie Bluetooth nur an, wenn Sie es auch wirklich nutzen wollen – dies schont auch den Akku Ihres digitalen Geräts.

Bluetooth wurde schon häufig für tot erklärt; zu kompliziert und langsam war die Funktechnik im Vergleich zur herrlich einfachen und flotten Datenübertragung per Kabel. Doch diese Ansicht ist längst überholt, denn spätestens mit der energiesparenden Version 4.0 hat sich Bluetooth einen Namen gemacht – nämlich als die Triebfeder des wegweisenden Internets der Dinge. Und wenn sich Wirtschaftsexperten in einem Punkt einig sind, dann darin, dass intelligenten Alltagsgegenständen wie Fitness-Trackern, Smart-Home-Devices und Kfz-Bordcomputern die Zukunft gehört. Wir können also davon ausgehen, dass Bluetooth seinen Ruf als Industriestandard noch lange verteidigen wird.