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BLE Grundlagen

Bluetooth Low Energy (BLE) ist ein drahtloses Kommunikationsprotokoll für energieeffiziente IoT-Geräte. Dieses Kapitel erklärt die fundamentalen Konzepte.

BLE vs. Bluetooth Classic​

EigenschaftBluetooth ClassicBLE
Einführung1999 (v1.0)2010 (v4.0)
Reichweite~100m~100m
Datenrate1-3 Mbps125 kbps - 2 Mbps
Latenz100+ ms6 ms
StromverbrauchHochUltra-niedrig
AnwendungAudio, DateienSensoren, IoT

BLE-Stack​

Schichten im Detail​

SchichtAbkürzungFunktion
Physical LayerPHY2.4 GHz ISM-Band, GFSK-Modulation, 40 Kanäle (37 Daten + 3 Advertising)
Link LayerLLAdvertising, Scanning, Connection Management, Encryption auf Paketebene
L2CAPL2CAPLogical Link Control and Adaptation Protocol - Multiplexing, Fragmentierung
ATTATTAttribute Protocol - Client-Server Modell für Datenattribute
GATTGATTGeneric Attribute Profile - Strukturierung von Services und Characteristics
GAPGAPGeneric Access Profile - Geräteerkennung, Verbindungsaufbau, Rollen
SMPSMPSecurity Manager Protocol - Pairing, Bonding, Key Distribution

Detaillierte Schicht-Beschreibungen​

Physical Layer (PHY)​

Der Physical Layer ist die unterste Schicht und definiert die Funkübertragung:

  • Frequenzband: 2.400 - 2.4835 GHz (ISM-Band, lizenzfrei)
  • Modulation: GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying)
  • Kanäle: 40 Kanäle à 2 MHz Bandbreite
    • Kanal 37 (2402 MHz): Advertising
    • Kanal 38 (2426 MHz): Advertising
    • Kanal 39 (2480 MHz): Advertising
    • Kanäle 0-36: Datenkanäle
  • Datenraten (BLE 5.0+):
    • 1 Mbps (LE 1M PHY) - Standard
    • 2 Mbps (LE 2M PHY) - Schneller
    • 125/500 kbps (LE Coded PHY) - Längere Reichweite

Der Link Layer verwaltet die Funkverbindung:

  • Advertising: Periodisches Senden von Advertising-Paketen
  • Scanning: Empfangen und Filtern von Advertising-Paketen
  • Initiating: Verbindungsaufbau zu einem Advertiser
  • Connection: Bidirektionale Kommunikation
  • Frequency Hopping: Kanalwechsel nach jedem Connection Event
  • Whitening: Bitfolgen-Scrambling zur Reduktion von DC-Bias

L2CAP bietet:

  • Protokoll-Multiplexing: Mehrere Protokolle über eine Verbindung
  • Fragmentierung: Große SDUs in kleine PDUs aufteilen
  • Flow Control: Credit-basierte Flusskontrolle (LE Credit Based Flow Control)

Feste Kanäle in BLE:

  • CID 0x0004: ATT
  • CID 0x0005: LE Signaling
  • CID 0x0006: SMP

BLE-Zustandsmaschine​

Zustandsbeschreibungen​

ZustandBeschreibungTypische Rolle
StandbyKeine Funkaktivität, minimaler StromverbrauchAlle
AdvertisingSendet periodisch Advertising-Pakete auf Kanälen 37, 38, 39Peripheral
ScanningEmpfängt Advertising-Pakete, kann Scan Requests sendenCentral
InitiatingWartet auf Advertising eines bestimmten Geräts, sendet Connect RequestCentral
ConnectionAktive bidirektionale DatenverbindungBeide

Rollen in BLE​

Rollenverteilung​

RolleGAP-RolleFunktionRessourcenBeispiele
CentralInitiatorInitiiert Verbindung, steuert TimingMehr RAM/CPUSmartphone, Computer, Hub
PeripheralAdvertiserAdvertised, stellt Daten bereitWeniger RessourcenSensoren, Wearables, Beacons
Broadcaster-Nur Advertising, keine VerbindungMinimaliBeacon, Eddystone
Observer-Nur Scanning, keine VerbindungVariabelPresence Detection

Mehrfache Verbindungen​

Ein Central kann mit mehreren Peripherals gleichzeitig verbunden sein:

Central (Smartphone)
├── Peripheral 1 (Smartwatch)
├── Peripheral 2 (Fitness Tracker)
├── Peripheral 3 (Heart Rate Monitor)
└── Peripheral 4 (Smart Lock)

Ab BLE 5.0 kann ein Gerät auch gleichzeitig Central und Peripheral sein.

Advertising​

Peripherals senden Advertising-Pakete auf den drei Advertising-Kanälen:

Advertising-Typen​

PDU TypeConnectableScannableDirectedUse Case
ADV_IND✓✓✗Standard, für alle sichtbar
ADV_DIRECT_IND✓✗✓Schnelle Reconnection zu bekanntem Gerät
ADV_NONCONN_IND✗✗✗Beacons, Broadcast-only
ADV_SCAN_IND✗✓✗Broadcast mit zusätzlichen Daten
ADV_EXT_IND✓/✗✓/✗✓/✗BLE 5.0 Extended Advertising

Advertising-Intervall​

Das Advertising-Intervall bestimmt, wie oft ein Gerät advertised:

IntervallStromverbrauchEntdeckungszeitUse Case
20 msSehr hoch~60 msSchnelle Erkennung
100 msHoch~300 msBalance
1000 msNiedrig~3 sBatterie-kritisch
10240 msMinimal~30 sLangzeit-Beacons

Advertising-Daten​

Ein Advertising-Paket enthält bis zu 31 Bytes Nutzlast (BLE 4.x) oder 255 Bytes (BLE 5.0 Extended):

Advertising Data Structure:
┌─────────┬─────────┬──────────────┐
│ Length  │  Type   │    Data      │
│ (1 byte)│(1 byte) │ (Length-1)   │
└─────────┴─────────┴──────────────┘

Häufige AD Types:

TypeNameBeschreibung
0x01FlagsAdvertising-Flags (LE General Discoverable, etc.)
0x02Incomplete 16-bit UUIDsTeilweise Service-UUIDs
0x03Complete 16-bit UUIDsAlle 16-bit Service-UUIDs
0x07Complete 128-bit UUIDsAlle 128-bit Service-UUIDs
0x08Shortened Local NameGekürzter Gerätename
0x09Complete Local NameVollständiger Gerätename
0x0ATX Power LevelSendeleistung in dBm
0xFFManufacturer DataHerstellerspezifische Daten

Connection-Parameter​

Nach Verbindungsaufbau werden Parameter ausgehandelt:

ParameterBereichDefaultBeschreibung
Connection Interval7.5 ms - 4 s~50 msZeit zwischen Connection Events
Slave Latency0 - 4990Anzahl übersprungener Events
Supervision Timeout100 ms - 32 s2 sTimeout für Verbindungsverlust

Berechnung der effektiven Latenz​

Effektive Timeout = Supervision Timeout
Effektive Latenz = Connection Interval × (1 + Slave Latency)

Beispiel:
- Connection Interval: 50 ms
- Slave Latency: 4
- Effektive Latenz: 50 ms × 5 = 250 ms

Connection Event​

Frequenzen und Kanäle​

BLE nutzt 40 Kanäle im 2.4 GHz ISM-Band:

Kanalübersicht​

KanalFrequenzTypVerwendung
372402 MHzAdvertisingPrimär Advertising
02404 MHzDatenConnection
12406 MHzDatenConnection
......DatenConnection
102424 MHzDatenConnection
382426 MHzAdvertisingPrimär Advertising
112428 MHzDatenConnection
......DatenConnection
362478 MHzDatenConnection
392480 MHzAdvertisingPrimär Advertising

Frequency Hopping​

BLE verwendet Adaptive Frequency Hopping (AFH):

  1. Datenkanäle wechseln nach jedem Connection Event
  2. Schlechte Kanäle werden aus der Channel Map entfernt
  3. Reduziert Interferenzen mit WLAN und anderen 2.4 GHz Geräten
Hop Sequence (vereinfacht):
Event 1: Kanal 5
Event 2: Kanal 23
Event 3: Kanal 11
Event 4: Kanal 31
...

Security-Relevante Eigenschaften​

Was BLE NICHT automatisch macht​

Wichtig

BLE ist nicht standardmäßig sicher!

EigenschaftStandard-ZustandKonsequenz
VerschlüsselungAusDaten im Klartext lesbar
AuthentifizierungAusJeder kann sich verbinden
IntegritätsschutzAus (ohne Verschlüsselung)Daten manipulierbar
PrivacyBegrenztMAC-Tracking möglich
AuthorizationKeineAlle Characteristics offen

Häufige Entwicklerfehler​

FehlerBeschreibungKonsequenz
Just Works PairingKeine zusätzliche AuthentifizierungMITM-Angriffe möglich
Keine ZugriffskontrollenCharacteristics ohne Security LevelJeder kann lesen/schreiben
Sensible Daten im AdvertisingGewicht, ID, etc. öffentlichPrivacy-Verletzung
Hardcoded KeysSchlüssel in App/FirmwareEinfache Extraktion
Schwache VerschlüsselungXOR, Base64, ROT13Trivial zu brechen
Kein Replay-SchutzKeine Nonces/CounterReplay-Angriffe möglich

Security Mode 1 (Encryption-basiert)​

LevelNameBeschreibung
1No SecurityKeine Sicherheit
2UnauthenticatedJust Works Pairing
3AuthenticatedPasskey/OOB Pairing
4LE Secure ConnectionsECDH + Authenticated
Weiterführend