Drahtlose lokale Netzwerke, Teil 3: Bluetooth, ZigBee

netplanet Werbung

Im dritten Teil über drahtlose lokale Netzwerke werden zwei weitere, populäre Funktechnologien namens Bluetooth und ZigBee näher beleuchtet und beschrieben. Während Bluetooth sich vor allem im Bereich des Kurzstreckenfunks einen Namen gemacht hat, ist ZigBee ein Funkprotokoll zur Vernetzung von Heimgeräten und wird der Vollständigkeit halber hier behandelt.

Bluetooth

Bluetooth ist ein Kommunikationsprotokoll, das ebenfalls im lizenzfreien Frequenzbereich zwischen 2,4 und 2,5 GHz sendet und vornehmlich für den Kurzstreckenfunk zur Bildung von so genannten Personal Area Networks gedacht ist. Damit sind Netzwerke gemeint, die weitgehend in unmittelbarer Umgebung des Benutzers existieren sollen, deshalb mit sehr geringer Reichweite arbeiten und deshalb auch auf relativ günstiger Hardware aufbauen. Ein Beispiel für solche Netzwerke ist das Verbindungen von Mobiltelefonen mit anderen Mobiltelefonen, PDA oder Notebooks, um über die so aufgebaute Bluetooth-Verbindung Daten auszutauschen.

Begonnen wurden die ersten Entwicklungen im Jahre 1994 von den Mobilfunkausrüstern Nokia und Ericsson, die gemeinsamen an einem einheitlichen Kommunikationsprotokoll zum drahtlosen Datenaustausch zwischen Mobiltelefonen und Zubehör arbeiteten. Vier Jahre später wurde im Jahre 1998 mit weiteren Partnern die Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG) als Industrieverband gegründet, die fortan die Weiterentwicklung von Bluetooth forcierte. Der etwas zungenbrecherische Begriff "Bluetooth" ist, glaubt man der Legende, ein typisches Ergebnis einer durchzechten Nacht von Entwicklern. Entwickler von Nokia und Ericsson haben wohl den Begriff in Anlehnung des dänischen Wikingerkönigs Harald Blåtand gewählt, der im zehnten Jahrhundert lebte und für seine Kommunikations- und Kompromissfreude bekannt war. Unter anderem fiel die damalige Vereinigung Norwegens und Dänemarks in seine Amtszeit. Da der Begriff "Blåtand" soviel wie "Blauzahn" bedeutet, wurde die englische Übersetzung des Nachnamens der Name für den Kurzstreckenfunk.

Bluetooth wurde von Anfang an als robustes Kommunikationsprotokoll konzipiert, das auch dann noch auf dem stark genutzten, so genannten ISM-Band ("Industrial, Scientific and Medical Band") senden kann, wenn es Störungen auf diesem Frequenzband gibt. Diese Störungen werden meist durch andere Kleinsender ausgelöst, wie zum Beispiel durch funkbasierte Türöffner, Mobilstationen, WLAN-Netzwerke, aber auch durch Mikrowellenherde, die zwar stark abgeschirmt sind, aber mit einer vielfachen Sendeleistung Kurzwellensignale zum Aufheizen verwenden.

Aus diesem Grund sind in Bluetooth folgende Mechanismen integriert, die mit eventuell vorhandenen Störungseffekten möglichst zuverlässig auskommen können:

  • Reichweiten
    Bluetooth-Geräte werden in drei Klassen eingeteilt, die sich in der Größe der Sendeleistung unterscheiden. Geräte der Klasse 1 senden mit maximal 100 Milliwatt Sendeleistung in einer Reichweite von ca. 100 Metern, Geräte der Klasse 2 mit maximal 2,5 Milliwatt (etwa 50 Meter Reichweite im Freien und 10 Meter in Gebäuden) und Geräte der Klasse 3 mit maximal 1 Milliwatt (etwa 10 Meter Reichweite im Freien und 1 Meter in Gebäuden). Viele Geräte, die nur eine sehr kurze Reichweite benötigen, beispielsweise Mobiltelefone zum Datenaustausch mit anderen Mobiltelefonen oder Headsets, müssen deshalb nur Klasse-2-Geräte sein, da hier keine hohen Reichweiten für Bluetooth-Verbindungen notwendig sind.
  • Frequenzsprungverfahren (Frequence Hopping)
    Der von Bluetooth genutzte Frequenzbereich von 2,402 bis 2,480 GHz wird in 79 logische Kanäle von jeweils 1 MHz Bandbreite aufgeteilt. Zwischen diesen 79 Kanälen können Bluetooth-Geräte während einer Datenübertragung springen. Gibt es partielle Störungen im ISM-Band, können diese durch das Frequenzsprungverfahren - bis zu einem gewissen Grad - kompensiert werden.
  • Fehlerkorrektur
    Eingebaute Fehlerkorrekturverfahren sorgen im Störungsfalle dafür, dass zu übertragende Daten abgesichert werden. Dadurch sinkt im Einsatzfall zwar die effektive Datenübertragungsrate, in so einem Fall wird jedoch die Notwendigkeit einer zusätzlichen Übertragungssicherung höher bewertet, als die maximal erreichbare Übertragungsbandbreite.
  • Verschlüsselung
    Bluetooth besitzt von Hause aus einen Verschlüsselungsmechanismus, der auf Basis von symmetrischer Verschlüsselung (siehe hierzu auch Verschlüsselungsverfahren) arbeitet. Damit eine Bluetooth-Kommunikation erfolgen kann, ist es notwendig, dass alle beteiligten Bluetooth-Geräte sich kennen. Dies wird mit dem so genannten Pairing gemacht, bei dem nach anderen Geräten gesucht wird und nach Eingabe eines Schlüssels das jeweilige Gerät als vertrauenswürdig eingestuft wird, mit dem dann Daten ausgetauscht werden können. Dieser Autorisationsschlüssel ist dann gleichzeitig auch der Schlüssel für die Verschlüsselung.

Auch wenn Bluetooth den gleichen Frequenzbereich wie WLAN nutzt, konkurrieren beide Verfahren nicht direkt miteinander, sondern ergänzen sich durch ihre Zielsetzung. Während WLAN eher dazu gedacht ist, das Netzwerkkabel abzulösen, ersetzt Bluetooth in erster Linie Kabel für EDV- und Telefonzubehör. Also vornehmlich in Umgebungen, in denen nicht sehr viele Anschlussoptionen notwendig sind, sondern es hauptsächlich wichtig ist, dass Daten zuverlässig von einem zum anderen Gerät übertragen werden können.

Um diese Anforderung zu erfüllen, gibt es die so genannten Bluetooth-Profile. Das sind standardisierte Kommunikationsschnittstellen, die allesamt Bluetooth als Übertragungsmedium nutzen und in die Bluetooth-Bausteine eingebaut sind und jegliches Vorhandensein oder Nachinstallieren von gesonderten Treibern unnötig macht.

Profilname Bezeichnung
A2DP Advanced Audio Distribution Profile
Übermittlung von Stereo-Audiosignalen
HSP Headset Profile
Anbindung eines Headsets
OPP Object Push Profile
Austausch von Visitenkarten
PAN Personal Area Networking Profile
Netzwerkverbindung über Bluetooth
SAP SIM Access Profil
Zugriff auf die SIM-Karte eines Mobiltelefons
SPP Serial Port Profile
Bereitstellung einer seriellen Schnittstelle

Auswahl einiger Bluetooth-Profile

Werden zwei Bluetooth-Geräte miteinander durch ein Pairing verbunden, tauschen diese zunächst gegenseitig ihre Liste der lokal verfügbaren Bluetooth-Profile aus. Anhand dieser verfügbaren Profile kann dann eine Datenkommunikation etabliert werden. Wird beispielsweise via Bluetooth ein Headset (geräteunabhängige Ohrhörer-Mikrofon-Kombination) an ein Mobiltelefon gekoppelt, wird beim Pairing der beiden Geräte auf dem Mobiltelefon erkannt, dass das Headset HSP zur Headset-Anbindung unterstützt und spricht das Headset fortan mit HSP an.

Abgrenzung von Bluetooth zu WLAN

Zwar sendet auch WLAN im ISM-Band zwischen 2,4 und 2,5 GHz, dennoch handelt es sich bei beiden Technologien und grundverschiedene Protokolle, die miteinander nicht kompatibel sind und auch völlig unterschiedliche Zielausrichtungen haben:

Bluetooth WLAN
Schneller Datenaustausch zwischen mobilen Geräten untereinander oder zu stationären Geräten. Ausrichtung Drahtloser Netzwerkzugang, vornehmlich stationär.
Personal Area Networks (Netzwerke in unmittelbarer Umgebung des Benutzers) Zielgruppe Local Area Networks (Netzwerke in lokaler Umgebung, beispielsweise Haushalt oder Büro)
1 MBit/s brutto (effektiv ca. 720 KBit/s), in Version 2.0 bis zu 2,1 MBit/s. Bandbreite Übertragung 11 MBit/s (802.11b) bzw. 54 MBit/s (802.11a und g)
Eher gering (ausgerichtet auf mobile Geräte). Stromverbrauch Mäßig.
Schlüssellänge 128 Bit, Schlüsselvergabe im Autorisierungsvorgang (Pairing) integriert Verschlüsselung Unterschiedliche Verfahren mit WEP und WPA und unterschiedlichen Schlüssellängen. Unverschlüsselte Übertragung möglich und oft auch voreingestellt.
Sehr robust, da mit Frequenzsprungverfahren Störungen im Funkbereich kompensiert werden können. Fehleranfälligkeit Eher empfindlich, da Kanäle zugeordnet sind und im Störungsfall die Bandbreite heruntergefahren und im Zweifelsfall ein neuer freier Kanal gesucht werden muss.

ZigBee

ZigBee ist eine weitere Funktechnologie für Netzwerke, die hauptsächlich zur Vernetzung von Haushaltsgeräten und -komponenten entwickelt wurden. Die Aktivitäten begannen 1998 mit einer Arbeitgruppe des niederländischen Unternehmens Philips Electronics, die einen ersten Entwurf für eine derartige Funklösung unter dem Namen HomeRF-Lite vorstellte. Im Jahre 2001 wurde die IEEE-Arbeitsgruppe 802.15.4 gebildet, die fortan die Entwicklungen unter dem Namen Protocol for Universal Radio Links (PURL) fortführte. Ein Jahr später bildete sich, ähnlich wie bei WLAN, eine Herstellerallianz mit dem Namen ZigBee Alliance, die damit begann, die oberen Protokollschichten (siehe hierzu auch Schichtenmodelle) zu definieren. Der Begriff ZigBee leitet sich übrigens aus dem Tanz der Bienen ab, die sie vollführen, um damit ihren Artgenossen den Weg zu einer Nahrungsquelle zu weisen. Da dies einem Zickzack-Tanz ähnelt, ist dies, neben der englischen Übersetzung des Begriffes "Biene" ein Teil des so gebildeten Kunstwortes.

Der genutzte Frequenzbereich liegt ebenfalls im lizenzfreien ISM-Band bei 2,4 GHz und konkurriert in diesem Bereich deshalb mit WLAN und Bluetooth (wobei in Europa und den USA Ausweichfrequenzbereiche vorhanden sind). Da jedoch ZigBee mit dem Anspruch eines niedrigen Energieverbrauches entwickelt wurde, um ZigBee-Geräte beispielsweise auch batteriebetrieben zu implementieren, ist die Nutzung des Funkäthers ausgesprochen effizient und relativ störungsarm gegenüber möglicherweise konkurrierenden WLAN- und Bluetooth-Verbindungen.

Die grundsätzliche Idee hinter ZigBee steckt in der Art der Verarbeitung der zu übertragenden Daten. Denken Sie beispielsweise an einen Lichtschalter: Wenn Sie den Schalter betätigen, geht entweder das Licht an oder aus. Es ist also unnötig, vom Schalter direkt zu erfahren, ob der Schaltvorgang erfolgreich war oder nicht, denn die Reaktion des Schaltvorganges ist in der Regel unmittelbar nachprüfbar, in dem das Licht an- oder ausgeht. Genau diese Arbeitsweise von eher "dummen" Übertragungsvorgängen wie solchen Schaltvorgängen oder die regelmäßige Übertragung von Sensorwerten benötigen zum einen keine permanent geschaltete Funkverbindung und zum anderen auch nur wenig Interaktion; es ist in vielen Fällen schlicht nicht erforderlich, jede erfolgreiche Paketübertragung vom Empfänger quittiert zu bekommen.

Ebenfalls bemerkenswert vereinfacht ist der Protokollaufbau von ZigBee selbst: Im Schichtenmodellaufbau (siehe hierzu auch Schichtenmodelle) fehlt in der Sicherungsschicht die so genannte Logical Link Control (LLC), die dazu dient, dass höhere Schichten mit der MAC-Schicht kommunizieren können. Dieses Überspringen des Sicherungsprotokolls LLC (und damit eigentlich das bewusste Missachten der IEEE-802-Grundidee) dient ebenfalls einzig und allein dazu, den gesamten Protokollaufbau kompakter zu halten, die Verarbeitung zu vereinfachen und damit letztendlich auch Funkkapazitäten und Stromverbrauch so niedrig wie möglich zu halten.

Weiter getrieben wird die Ressourcenschonung durch die Definition von zwei Geräteklassen: Geräte mit vollständigen Gerätefunktionen (Full Function Devices - FFD) und Geräte mit reduzierten Gerätefunktionen (Reduced Function Devices - RFD). Einziger Unterschied zwischen beiden Geräteklassen ist, dass RFD-Geräte nur zu FFD-Geräten Verbindung aufnehmen können, FFD-Geräte aber auch untereinander kommunizieren können. Daraus ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten zum Netzaufbau:

  • Aufbau in Stern-Topologie
    In einer sternförmig aufgebauten Netztopologie ist ein FFD-Gerät der zentrale Punkt des Netzwerks, an den alle anderen ZigBee-Geräte (egal ob RFD- oder FFD-Geräteklasse) angebunden sind.
  • Aufbau eines dezentralen Netzwerks
    In einer dezentralen Netztopologie gibt es eine vermaschte Netzstruktur, in der verschiedene ZigBee-Geräte untereinander verbunden sind. Da nur FFD-Geräteklassen miteinander verbunden werden können, bilden diese Geräte das Kernnetzwerk, an die dann eventuelle RFD-Geräte verbunden sind.

Zentrale Verwaltungsaufgaben in einem ZigBee-Netzwerk übernimmt ein FFD-Gerät, in dem es als so genannter PAN-Coordinator fungiert (die Abkürzung "PAN" steht für "Personal Area Network"). Ein PAN-Coordinator sendet ein so genanntes Beacon-Signal und ermöglicht so, dass im Netzwerk noch unbekannte ZigBee-Geräte durch dieses Signal Kontakt zum Netzwerk aufnehmen können (wenn sie authentifiziert werden können).

Beim Aufbau der Funkschnittstelle wurde bei ZigBee ebenfalls der Schwerpunkt darauf gelegt, bei einer möglichst geringen Sendeleistung eine hohe Störfestigkeit zu haben. Dies wird, ähnlich wie bei Bluetooth, mit einer Vielzahl von definierten Funkkanälen und einem Frequenzsprungverfahren realisiert. Im Gegensatz zu Bluetooth gibt es jedoch Verfeinerungen wie beispielsweise zugesicherte Kanalbereiche, die ZigBee-Geräte untereinander aushandeln können, so bald diese erkennen, das bestimmte Kanäle nicht von anderen Geräten genutzt werden. Auch das spart letztendlich Strom.

Weiterführende Literatur

Buchempfehlungen zum Thema Zugang ins Internet

In Partnerschaft mit Amazon.de

Weiterführende Links

http://www.bluetooth.org/
Offizielle Homepage von Bluetooth

http://www.zigbee.org/
Offizielle Homepage der ZigBee Alliance

WERBUNG
Zum Beginn dieser Seite