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Mesh-Vernetzung

Sensoren per Bluetooth vernetzt

Bluetooth-Technologie ist eine der am weitesten verbreiteten kabellosen Kommunikationstechnologien der Welt. Seit ihrer Einführung im Jahr 2000 hat sie ihren Weg in Milliarden von Geräten gefunden und wurde systematisch weiterentwickelt. Das neueste Kapitel in der Geschichte von Bluetooth nennt sich Mesh-Vernetzung. Sie ermöglicht gerade Anwendungen in der produzierenden Industrie und Gebäudeautomation.

Bild: Bluetooth SIG, Inc. Headquarters

Bild: Bluetooth SIG, Inc. Headquarters

Die Bluetooth Special Interest Group (SIG) hat eine ganze Reihe von Bluetooth-Sorten veröffentlicht. Es handelt sich um eigenständige Standards, die den Einsatz der Funk-Technologie für immer mehr Anwendungen optimieren. Die erste eigenständige Variante von Bluetooth war Bluetooth BR/EDR (Basic Rate/Enhanced Data Rate), die als Ersatz für kabelgebundene Technologien, beispielsweise für Audio-Produkte konzipiert war. Grundsätzlich sorgt Bluetooth BR/EDR dafür, dass sich ein Gerät mit einem anderen Gerät vernetzen kann. Dabei wird eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung unter dem Begriff Pairing hergestellt. Die zweite Variante war Bluetooth Low Energy (LE), eine Technologie, die auf möglichst geringen Energieverbrauch optimiert wurde. Bluetooth LE-Geräte können ebenfalls Punkt-zu-Punkt- aber auch Hub-and-Spoke-Verbindungen herstellen. Geräte übertragen dabei Daten, die jedes andere im direkten Funkbereich empfangen kann (1:m-Topologie).

Der Many-to-Many-Funk

Mit Bluetooth Mesh-Vernetzung wird es nun möglich, eine Many-to-Many-Verbindung (m:m) zwischen drahtlosen Geräten herzustellen. Außerdem können Geräte Daten an andere weiterleiten, die sich nicht im Funkbereich des Ursprungsgeräts befinden. Die Bluetooth Mesh-Vernetzung ist auf Bluetooth LE angewiesen. Bluetooth LE bildet das Kommunikationsprotokoll, das dem Mesh-Netzwerk zugrunde liegt.

Publish und Subscribe

Bluetooth Mesh Networking nutzt ein Kommunikationssystem, das auf den Prinzipien Publish und Subscribe basiert. Geräte können Nachrichten an Adressen ‘veröffentlichen’, deren Bedeutung ein Benutzer verstehen kann, beispielsweise ‘Leuchte 1 Shop-Floor links’. Geräte können daneben so konfiguriert werden, dass sie Nachrichten ‘abonnieren’ – also empfangen – die von anderen Geräten an bestimmte Adressen gesendet werden. Veröffentlicht ein Gerät eine Nachricht an eine bestimmte Adresse, erhalten alle anderen Geräte, die diese Adresse abonniert haben, eine Kopie davon, verarbeiten sie und reagieren regelbasiert. Mit Mesh-Netzwerken können Geräte über große Entfernungen hinweg installiert werden und miteinander kommunizieren. Zum Beispiel ist es in einem großen Produktionskomplex aufgrund von Wänden und anderen physikalischen Barrieren nicht möglich, direkten Funkkontakt von einem Gerät auf der einen Seite des Gebäudes zu einem anderen auf der gegenüberliegenden Seite oder sogar in einem angrenzenden Gebäude herzustellen. Die Bluetooth Mesh-Vernetzung löst dieses Problem, indem einige Geräte im Netzwerk die Funktion eines Relays übernehmen, also Daten weiterleiten. Über Relays kann man so mit Geräten kommunizieren, die sich nicht im Funkbereich des ursprünglichen Senders befinden. Eine Nachricht kann über maximal 127 Hops mehrfach weitergeleitet werden – genug für eine große physische Entfernung.

Managed Flooding

Bluetooth Mesh nutzt einen Ansatz, der als Flooding bekannt ist, um Nachrichten auszugeben und weiterzuleiten. Die Nachrichten werden dabei nicht über einen festgelegten Pfad übertragen, der von einer bestimmten Abfolge festgelegter Geräte abhängt. Stattdessen empfangen alle Geräte in Reichweite die Nachrichten. Die Relays übermitteln die Nachricht weiter. Beim Flooding sind keine speziellen Systeme erforderlich, die als zentralisierte Router fungieren und deren Ausfall das gesamte Netzwerk außer Betrieb setzen könnten.

Freunde für Low Power Nodes

Sehr leistungsbegrenzte Geräte wie Sensoren lassen sich als Low Power Nodes kennzeichnen. Diese Knoten arbeiten in Verbindung mit einem oder mehreren anderen Geräten, die als Freunde bezeichnet werden und nicht leistungsbegrenzt sind. Sie speichern im Namen der adressierten Low Power Nodes Nachrichten und geben sie auf Nachfrage weiter. Durch die Zusammenarbeit mit einem Freund kann selbst ein Niedrigenergiesensor Funk für den Empfang von Nachrichten nutzen – und zwar in einer für ihn sinnvollen Häufigkeit, da er den Nachrichten nicht dauerhaft zuhören muss.

Unterstützung von Geräten

Im Gegensatz zur Bluetooth Mesh-Vernetzung ist Bluetooth Low Energy (LE) nicht neu. Viele der Geräte auf dem Markt, einschließlich der meisten modernen Smartphones und Tablets, können daher über Proxy Nodes auf ein Bluetooth Mesh-Netzwerk zugreifen. Bluetooth LE-Geräte nutzen diese Eigenschaften, um Daten zum Mesh-Netzwerk zu senden und von dort zu empfangen.

Abgesicherte Kommunikation

Gerade in industriellen Mesh-Netzen braucht es Mechanismen für die IT-Sicherheit: Jedes Paket wird verschlüsselt und authentifiziert. Replay-Angriffe werden durch die Vergabe von Sequenznummern erschwert und Man-in-the-Middle-Angriffen durch asymmetrische Kryptographie bei wichtigen Prozeduren vorgebeugt. Ebenso ist Schutz gegen Trash-Can-Angriffe gegeben, die sich gegen ausgemusterte Geräte wenden. Sicherheitsschlüssel werden bei Bedarf erneuert. Die Sicherheit des Netzwerks und die Sicherheit einzelner Anwendungen wie Beleuchtung, Heizung oder physische Gebäudesicherheit sind voneinander unabhängig. Um Netzwerk-Layer-Operationen abzusichern, dazu zählen Weitergabe und Sicherung von Nachrichteninhalten, kann man verschiedene Sicherheitsschlüssel nutzen.

Mögliche Anwendungen

Bei der Entwicklung des neuen Standards für Mesh-Netze haben die Bluetooth-Entwickler eine Reihe von Anwendungen ins Auge gefasst:

  • Gebäudeautomation – Neue Steuerungs- und Automatisierungssysteme, von der Beleuchtung über die Heizung und Kühlung bis hin zur Sicherheitstechnik, werden Gebäude intelligenter machen. In Mesh-Netzen können Tausende drahtlose Geräte in diesen Gebaäuden miteinander kommunizieren.
  • Drahtlose Sensornetzwerke – Der Markt für drahtlose Sensornetzwerke (WSN) wächst schnell. Vor allem in industriellen Anwendungen können Firmen mit ihnen Kosten- und Effizienzinitiativen unterstützen. Meshes sollen hier die industriespezifisch hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Sicherheit erfüllen.
  • Anlagen- und Geräteverfolgung – Schon mit Bluetooth LE lassen sich Geräte über kurze Distanzen überwachen. Mit der Mesh-Vernetzung soll dies in komplexen Gebäuden und Anlagen möglich werden.

Die Technik steht seit Juli 2017 zur Verfügung. Schon bald wird sich zeigen, für welche Anwendungen sich die Mesh-Vernetzung via Bluetooth etablieren wird.

Bild: Bluetooth SIG, Inc. Headquarters

Bild: Bluetooth SIG, Inc. Headquarters


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