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Bluetooth Mesh ermöglicht völlig neue Applikationen

Mit der Mesh-Technologie lassen sich Bluetooth-Geräte zu einem Netz zusammenschließen. Durch die Erweiterung des Bluetooth 4 Low Energy können viele Geräte auch über größere Distanzen energieeffizient und sicher miteinander kommunizieren. Nicht zuletzt durch das Erfüllen von Industriestandards sind völlig neue Einsatzszenarien sind möglich.

Als Bluetooth Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR) im Jahr 2000 eingeführt wurden, ging es um den Ersatz von Kabelverbindung für die Übertragung von Sprache und Daten. 2010 definierte die Interessensgemeinschaft Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) Bluetooth Low Energy (BLE) mit einer verringerten Leistungsaufnahme.
Heutzutage dürfte es nahezu unmöglich sein, ein Gerät zu finden, das nicht mit Bluetooth-Technologie ausgestattet ist. Die Nachfrage nach der drahtlosen Kommunikationstechnologie ist groß Weiterentwicklungen und Verbesserungen werden erwartet. BLE punktet in erster Linie mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme. Doch das BLE-Protokoll hat entscheidende Nachteile. So sind nur zwei Arten der Kommunikation möglich: Zwischen zwei einzelnen Geräten (Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, Bild 1) und zwischen einem Gerät und vielen anderen (One-to-Many-Kommunikation, Bild 2). Außerdem können die Bluetooth BR/EDR- und BLE-Geräte nicht miteinander kommunizieren - selbst wenn sie auf dem gleichen Gerät implementiert sind, arbeiten sie unabhängig voneinander. Viele Anwendungen und Umgebungen benötigen jedoch einen Standard, der die Kommunikation unter allen verbundenen Geräten auf einmal ermöglicht.

Die perfekte Netzwerktechnologie
Im Juli 2017 stellte Bluetooth SIG mit Bluetooth Mesh eine abermals verbesserte drahtlose Kommunikationstechnologie vor, die auf dem Bluetooth Low Energy Kommunikationsprotokoll-Stack basiert. Mit Bluetooth Mesh kann ein großes Netzwerk von Many-to-Many-Verbindungen (m2m, Bild3) über eine große physikalische Fläche aufgebaut werden. Die Übertragung funktioniert sogar dann, wenn sich das Gerät, das die Nachricht ursprünglich gesendet hat, nicht in direkter Funkreichweite befindet. Darüber hinausermöglicht Bluetooth Mesh Networking die Kommunikation zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller, bei der Weiterentwicklung des Standards wurde auf eine herstellerübergreifende Interoperabilität Wert gelegt. 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 z.B. Gebäudeautomation, Sensornetzwerke, industrielle Fertigung und Nachverfolgung von Gütern. Generell gilt: Bluetooth Mesh eignet sich für alle Anwendungen, die Kommunikation zwischen vielen Geräten benötigen.

Wie funktioniert Bluetooth Mesh?
Bluetooth Mesh arbeitet mit einem Messaging-System, bei dem Nachrichten nach dem Publish/Subscribe-Prinzip verteilt werden. Das Senden von Nachrichten an ein Gerät mit einer bestimmten Adresse wird als Publishing bezeichnet. Geräte können so konfiguriert werden, dass sie Nachrichten empfangen, die an eine bestimmte Adresse gesendet werden. Dieser Vorgang wird als Subskription, also Anmeldung, bezeichnet. 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 Empfänger gibt. Die Nachricht wird an alle Geräte in Reichweite gesendet und dann weitergeleitet, bis sie den richtigen Empfänger erreicht.
Damit ist das Problem der begrenzten Datenübertragung durch Hindernisse gelöst. Selbst wenn sich das Gerät, das die Nachricht ursprünglich gesendet hat, nicht in Funkreichweite befindet, gelangt die Nachricht trotzdem zum richtigen Empfänger. Es treten in der Datenübertragung keine Fehler auf, selbst wenn ein einzelnes Gerät nicht in der Lage wäre, Daten weiterzuleiten. Das macht Bluetooth Mesh zu einem sehr zuverlässigen Netzwerk.
Die Geräte in einem Bluetooth Mesh-Netzwerk werden Knoten genannt. Es gibt vier verschiedene Arten von Knoten, die - neben Senden und Empfangen - zusätzliche Funktionenaufweisen:

  • Relais-Knoten: Sie leiten empfangene Nachrichten an das nächste Gerät weiter. wobei empfangene Nachrichten auch nochmals gesendet werden können. Die Nachrichtenübermittlung funktioniert über so genannte "Hops" (Sprünge), wobei Bluetooth Mesh maximal 127 Hops unterstützt.
  • Low-Power-Knoten: Einige Geräte, wie 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 Verfügun, z.B. 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-Konten weiter.
  • Proxy-Knoten: Sie stellen die GATT-Schnittstelle (Generic Attribute Profile) für BLE-Geräte bereit, die nicht über den Bluetooth-Mesh-Stack verfügen. Damit ist auch eine Kommunikation zwischen BLE- und BT-Mesh-Knoten möglich.

Ist Bluetooth Mesh sicher?
Der Aufbau eines großen Netzwerks mit vielen Geräten birgt ein hohes Risiko für eine sichere Datenübertragung. Bei der Entwicklung von Bluetooth Mesh war Security oberste Priorität. Deshalb macht Bluetooth SIG eine sehr konkrete Virgabe: Alle Security-Funktionen innerhalb eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks sind zwingend notwendig (mandatory) Die wichtigsten Security-Merkmale 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 Anwendungssicherheit, die Netzwerksicherheit und die Gerätesicherheit. Sie werden unabhängig voneinander behandelt und für alle drei Aspekte gibt es verschiedene Sicherheitsschlüssel:
    1. Applikationsschlüssel (AppKey): Damit werden Daten für verschiedene Anwendungen, z.B. Beleuchtung, abgesichert.
    2. Netzwerkschlüssel (NetKey): Sie gelten für alle Geräte im Netzwerk, so dass eine sichere Datenübertragung möglich ist.
    3. Geräteschlüssel (DevKey): Jeder Knoten hat einen eindeutigen Geräteschlüssel. Mit diesem Schlüssel können Geräte einem Netzwerk hinzugefügt werden.
  • Isolierung: Das Bluetooth-Mesh-Netzwerk ist in Sub-Netze unterteilt. Diese Teilnetze sind getrennt voneinander verschlüsselt und voreinander gesichert.
  • Key-Refresh: Alle Sicherheitsschlüssel können im Bluetooth-Mesh-Netzwerk während eines Schlüsselaktualisierungsverfahrens geändert werden.
  • Nachrichtenverschleierung: Es ist schwierig, die im Netzwerk versendeten Nachrichten nachzuverfolgen. Außerdem ist dank eines Datenschutzmechanismus extrem schwierig, Knoten im Netz aufzuspüren.
  • Schutz gegen Replay-Attacken: Security-Funktionen schützen das Netzwerk vor Replay-Angriffen.
  • Schutz gegen Trashcan-Attacken: Um Trashcan-Angriffe (das Auslesen von wichtigen 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.

Diese Vorteile und die umfangreichen Security-Funktionalitäten machen Bluetooth Mesh zu einer perfekten Lösung für für Anwendungen, die eine Kommunikation zwischen vielen Geräten benötigen. Darüber hinaus ist Bluetooth Mesh ideal für neue Anwendungsbereiche wie z.B. die vorausschauende Wartung. Die Implementierung eines drahtlosen Sensor-Mesh-Netzwerks in Montagelinien kann das Wartungspersonal rechtzeitig warnen, bevor eine Maschine ausfällt.
Ein weiterer Vorteil: Die Umgebung spielt für die BLE- Mesh-Technologie überhaupt keine Rolle. Durch die ab Spezifikation 1.0 erfüllten Industrieanforderungen sind unzählige Einsatzmöglichkeiten denkbar: Ob in Krankenhäuser, Fabrikanlagen, Bürogebäuden, Universitäten oder Privathäusern. Wo immer eine drahtlose, sichere, robuste und skalierbare Kommunikation zwischen einer großen Anzahl an Geräten neue Anwendungen ermöglicht, ist Böuetooth Mesh die richtige Wahl.

 

Komponenten gibt es auf www.rutronik24.de.

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Image 1: Point-to-point communication (1:1)
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