Bluetooth. Marco Leuenberger

Transkript

1 Bluetooth 1. Juni 2012

2 Inhalt Was ist Bluetooth?... 3 Geschichte... 3 Anwendungsbereiche... 3 Verbindungsverwaltung... 3 Vernetzung... 5 Piconet (Mono-Slave-Modus)... 5 Piconet(Multi-Slave-Modus)... 5 Scatternet... 6 Bluetooth Protokollstapel... 6 Datenübertragung... 8 Bluetooth-Geräteadresse... 9 Bluetooth-Paketformat... 9 Zugriffscode... 9 Paketkopf (Header) Die Nutzdaten (Payload) Bluetooth-Klassen Bluetooth Versionen Bluetooth Bluetooth Hacking Bluesnarfing Bluejacking Bluebugging Quellen

3 Was ist Bluetooth? Bluetooth ist eine Funktechnologie, die es erlaubt, Geräte wie z.b. Handys, Laptops, Headsets, Tastaturen und Mäuse über kurze Distanzen kabellos zu verbinden. Der Hauptzweck von Bluetooth ist das Ersetzen von Kabelverbindungen zwischen Geräten und somit Kabellos Daten zu übertragen. Geschichte Der Name Bluetooth stammt vom Wikinger König Harald Baluzahn, welcher im 10. Jahrhundert lebte. Er war weit für seine guten Kommunikationsfähigkeiten bekannt. Bluetooth war eigentlich der Codename für die entwickelte Technik. Der Name wurde aber mangels fehlender Alternativen auch als Marktnamen übernommen. Bereits 1980 wurden erste Versuche gestartet, die Kabel um den PC zu ersetzen. Der zu hohe Stromverbrauch, die gegenseitige Störung usw. verhinderten jedoch den Durchbruch dieser Anfänge. Neben Funk, war auch die Infrarottechnik beliebt. Zuerst sah es auch aus als würde sich diese Technik durchsetzen. Im August 1993 schlossen sich ca. 30 Unternehmen (unter anderen IBM und HP) zusammen und gründeten IrDA (Infrared Data Association). Ziel war es, ein einheitliches Protokoll für die kabellose Übertragung von Daten zu entwickeln. Viele Erkentnisse von IrDa flossen bei der Entwicklung von Bluetooth ein. Der zentrale Nachteil von der Infrarottechnik war der erforderliche Sichtkontakt zu den Geräten gründeten Ericsson, Nokia, IBM, Toshiba und Intel die Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG). Die erste Version 1.0a wurde im Juli 1999 veröffentlicht. Im Dezember desselben Jahres folgte die Version 1.0b. Erst im Februar 2001 erschien eine neue Version 1.1 von Bluetooth. Erst diese Version galt als Basis für markttaugliche Produkte, da die vorherigen Versionen gröbere Fehler aufwiesen. Anwendungsbereiche Anfangs war Bluetooth nur für den Kabelersatz rund um den PC gedacht. Später jedoch kamen viele weitere Anwendungsbereiche dazu. Bluetooth fand auch Anwendung im Gebiet der Tele- und Datenkommunikation. Heute ist fast jedes Smartphone mit Bluetooth ausgerüstet. So können zum Beispiel Fotos und Lieder verschickt werden, zu Zweit ein Spiel gespielt werden usw. Auch im Audiobereich ist Bluetooth anzutreffen. Es gibt auch diverse Bluetoothlautsprecher. Dank einem Bluetoothheadset hat man während dem Telefonieren beide Hände frei und kann so zum Beispiel legal beim Autofahren telefonieren. Verbindungsverwaltung Jedes Bluetooth-Gerät, das nicht an einem Piconet teilnimmt, und nicht abgeschaltet ist, befindet sich im Bereitschaftszustand (standby). Dieser Zustand zeichnet sich durch eine sehr geringe Stromaufnahme aus, da lediglich die interne Uhr des Gerätes weiter betrieben wird. Vom Bereitschaftszustand kann auf zwei Arten in den Erkundigungszustand (inquiry) übergegangen werden: Entweder will das Gerät selbst ein Piconet aufbauen oder erkundet, ob bereits eine Kommunikation im Gange ist. 3

4 Falls die Erkundigung nach anderen Geräten erfolgreich war, wechselt ein Bluetooth-Gerät in den Ausrufen-Zustand (paging). Auch im Zustand page sind wiederum verschiedene Rollen festgelegt. Nachdem ein Gerät oder Geräte gefunden wurden, kann ein Master damit beginnen Verbindungen zu den einzelnen Geräten herzustellen, also ein Piconet aufbauen. Der Master kann nun fortfahren, weitere Geräte aufzurufen und sie so dem Piconet hinzuzufügen. Sobald ein Gerät seine Sprungfolge der des Piconet angepasst hat, wechselt es in den Zustand verbunden (connected). Der Verbunden- Zustand umfasst den aktiven Zustand (active), sowie die drei Energiesparzustände parken (park), schnüffeln (sniff) und halten (hold). Ist einmal eine Verbindung hergestellt, kann ein Bluetooth-Gerät einen der drei Energiesparzustände einnehmen: - Schnüffeln (sniff): Im Sniff-Modus kann eingestellt werden, in welchen Intervallen der Masteraufruf ausgewertet wird. Das Zeitintervall nach dem der Slave periodisch zum Empfang bereit ist, wird zwischen Master und Slave abgesprochen. Von den drei Energiesparmodi hat der Sniff-Mode noch die höchste Leistungsaufnahme. - Halten (hold): In diesem Modus nimmt der Slave nicht mehr aktiv an der Übertragung teil, kann aber immer noch gewisse Pakete übertragen bzw. empfangen. Der Slave behält in diesem Modus seine AMA und die Synchronisationsinformationen. Der Halten-Modus wird durch den Master gesetzt. - Parken (park): Im Parkmodus nimmt der Slave überhaupt nicht mehr aktiv an der Kommunikation im Piconet teil. Der Slave verliert in diesem Modus seine AMA, erhält aber eine neue Adresse, mit denen er vom Master weiterhin angesprochen werden kann, die Parked Member Adress (PMA), die 8 Bit gross ist. Bis zu 255 Slaves können somit durch einen Master geparkt werden. Geparkte Geräte sind immer noch über die Sprungsequenz im Piconet synchronisiert und wachen zu bestimmten Zeitpunkten auf, um sich erneut zu synchronisieren. 4

5 Vernetzung Bluetooth-Geräte nutzen das 2.4-GHz-ISM-Band (Industrial, Scientific and Medical Band), für welches keine Lizenz erforderlich ist. Bluetooth nutzt das so genannte Frequency Hopping Spread Spectrum kurz FHSS (deutsch: Frequenzsprungverfahren). FHSS verwendet 79 Kanäle innerhalb des 2.4-GHz- ISM-Bandes von denen jeder 1 MHz breit ist. Die Reihenfolge der Frequenzsprünge ist zufällig und wird mit einem Pseudozufallsgenerator bestimmt. Jede Frequenz ist für eine gewisse Zeitspanne aktiv. Piconet (Mono-Slave-Modus) Die einfachste Verbindung besteht zwischen zwei Geräten. Diese Bilden zusammen ein Piconet. Innerhalb des Piconets übernimmt ein Gerät die Rolle des Masters und das Andere die Rolle des Slaves. Grundsätzlich kann jedes Gerät die Rolle eines Masters übernehmen. Die Rolle des Masters ist also keine feste Zuteilung der Geräte. Die Rolle des Masters wird von dem Gerät übernommen, welches den Verbindungsaufbau begonnen hat. Solange sich in einem Piconet nur zwei Geräte befinden spricht man von dem sogenannten Mono-Slave-Modus. Piconet(Multi-Slave-Modus) In einem Piconet können sich maximal 256 Geräte befinden. Befinden sich mehr als zwei Geräte in einem Piconet spricht man von dem sogenannten Multi-Slave-Modus. Von den 256 Geräten können maximal acht Geräte aktiv sein (ein Master und sieben Slaves). Der Grund, weshalb nur 8 Geräte gleichzeitig aktiv sein können, liegt an der 3 Bit grossen Adresse, welche Bluetooth verwendet. Die anderen Geräte befinden sich im sogenannten Parkmodus. Sie beteiligen sich nicht mehr aktiv an der Kommunikation und senden auch keine Daten. Jedoch synchronisieren sie sich mit dem Master und warten darauf, dass der Master sie wieder in den aktiven Kommunikations-Modus holt. Der erste Schritt bei der Bildung eines Piconets ist, dass der Master seine Gerätekennung und den Wert seines Clocks aussendet. Die Frequenzsprungfolge wird durch die Gerätekennung festgelegt. Jedes aktive Gerät erhält eine 3 Bit grosse Active Member Address (AMA) und jedes geparkte Gerät erhält eine 8 Bit grosse Parked Member Adress (PMA). Alle Geräte innerhalb eines Piconets folgen der selben Sprungsequenz. 5

6 Scatternet Es ist möglich, dass sich mehrere Piconets überlappen und so ein Scatternet bilden. In einem Scatternet folgt jedes Piconet seiner eigenen Sprungfolge. Will ein Gerät an mehr als nur einem Piconet teilnehmen, muss es sich jeweils auf das Piconets synchronisieren, an dem es zu einem bestimmten Zeitpunkt teilnehmen will. Ist ein Gerät ein Slave, muss es sich auf die Sprungfolge des Piconets synchronisieren, an dem es teilnehmen will. Bevor ein Gerät ein Piconet verlässt, informiert es den Master darüber, dass es nun für eine Zeit nicht mehr erreichbar sein wird. Ein Master kann ebenso sein Piconet verlassen und zum Slave in einem anderen Piconet werden. Die Kommunikation zwischen zwei Piconets erfolgt durch Geräte, welche immer zwischen diesen Piconets hin und her springen. Bluetooth Protokollstapel Ein Protokollstapel ist in der Datenübertragung eine Architektur von Kommunikationsprotokollen. Anschaulich sind die einzelnen Protokolle dabei als fortlaufend nummerierte Schichten eines Stapels übereinander angeordnet. Jede Schicht benutzt dabei zur Erfüllung ihrer speziellen Aufgabe die jeweils tiefere Schicht im Protokollstapel. Grundlegende Protokolle von Bluetooth: - Radio Dieses Protokoll behandelt die Funkübertragung, genutzte Frequenzen, Modulation und Sendeleistung. - Baseband Das Basebandprotokoll ist für den Verbindungsaufbau und das Zeitverhalten verantwortlich. - Link Manager Protocol, LMP Der Link Manager steuert den Verbindungsaufbau und die Verbindungsverwaltung zwischen zwei Geräten, inklusive Sicherheitsfunktionen. 6

7 - Logical Link Control and Adaption Protocol, L 2 CAP Das L 2 CAP ist ein Protokoll der Sicherheitschicht, das die höheren Schichten an die Fähigkeiten des Basisbandes anpasst und Übertragungsdetails verbirgt. - Service Discovery Protocol, SPD Das SDP dient zur Erkennung und Suche nach Diensten mit bestimmten Eigenschaften und der Beschreibung von Diensten innerhalb der Funkreichweite eines Bluetooth-Gerätes. - Radio Frequency Communication, RFCOMM Das RFCOMM dient als Ersatz für ein Kabel, das eine Serielle Schnittstelle emuliert (z.b. für den Anschluss von Tastatur, Maus, Modem etc). - Telephony Control Protocol Specification Binary, TCS BIN TCS BIN ist ein ist ein Bit-orientiertes Protokoll für die Sprach- und Datenverbindung zwischen zwei Bluetooth-Geräten. In erster Linie dient es zur Steuerung von Telefon- bzw. Telefoniefunktionen. - Host Controller Interface, HCI Die HCI-Schnittstelle bietet Zugang zum Baseband und zur Verbindungssteuerung. Das HCI kann als die Schnittstelle zwischen der Hardware in einem Bluetooth-Gerät und der Software angesehen werden. - Object Exchange Protocol, OBEX Das OBEX Protokoll dient der Datenübertragung zwischen zwei Geräten. 7

8 Datenübertragung Wie bereits erwähnt, nutzt Bluetooth das 2.4-GHz-ISM-Band ( GHz). Das Band ist in 79 Kanäle mit einem Abstand von je 1 MHz (f = k, k = 0,, 78) aufgeteilt. Am unteren Ende gibt es ein sogenanntes Lower Guard-Band mit einer Breite von 2 MHz und am oberen Ende wird der Frequenzbereich durch ein 3.5 MHz breites Upper Guard-Band abgeschlossen. Ein Kanal ist in 625μs Intervalle, den sogenannten Slots, eingeteilt. Jeder Slot nutzt eine andere Frequenz. Dies führt zu einer Sprungrate von 1600 Sprünge pro Sekunde. Der Sender und der Empfänger besitzen abwechslungsweise Sendeberechtigung. Ein Kanal ist durch eine pseudo-zufällige Sprungsequenz zwischen den 79 Kanälen dargestellt. Jedes Gerät, welches aktiv an der Kommunikation beteiligt ist, muss der Sprungfolge folgen, welche der Master vorgibt. Sobald ein Master Daten auf der Frequenz f k gesendet hat, kann der angesprochene Slave auf der Frequenz f k+1 antworten. Üblicherweise beginnen die Übertragungen des Masters in den geraden Zeitschlitzen und die der Slaves in den Ungeraden. Neben Datenpaketen, welche einen Slot lang sind gibt es auch Pakete welche 3 oder 5 Slots lang sind, sogenannte multi-slot packets. Sobald ein Master oder Slave Pakete sendet, das 3 oder 5 Slots lang ist, bleibt der Sender auf der gleichen Frequenz. Innerhalb eines Pakets findet kein Frequenzwechsel statt. Nach der Übertragung des Pakets folgt der Wechsel auf die Frequenz, die durch die Sprungfolge vorgegeben ist. Die Sprungsequenz wird durch die Geräteadresse des Masters vorgegeben. 8

9 Bluetooth-Geräteadresse Jedem Bluetooth-Gerät ist eine weltweit eindeutige Bluetooth-Geräteadresse (Bluetooth Device Address) zugeordnet. Die 48-Bit grosse Adresse ist in drei Teile unterteilt. - LAP Lower Address Part, 24 Bit - UAP Upper Address Part, 8 Bit - NAP Non-significant Address Part, 16 Bit Bluetooth-Paketformat Dies stellt die Struktur eines Bluetooth-Pakets dar. Ein Paket besteht in der Regel aus den folgenden drei Feldern: - Zugriffscode (Access Code) - Paketkopf (Header) - Nutzdaten (Payload) Zugriffscode Ein Paket beginnt mit einem Access Code, der 72 Bit lang ist, falls ein Paketkopf folgt, andernfalls ist er nur 68 Bit gross. Der Access Code wird zur Synchronisation und Identifizierung eines Piconets, zur Geräteabfragung und zum Geräteruf genutzt. Es gibt drei verschiedene Zugriffscodetypen: - Channel Access Code (CAC) Dieser dient zur Synchronisation und Erkennung eines Piconets. Der CAC wird mit jedem Paket, das über das Piconet versendet wird, geschickt. - Device Access Code (DAC) Dieser wird zum übertragen bestimmter Kennungen während des Geräterufs genutzt. - Inquiry Access Code (IAC) Dieser wird zur Geräteabfrage verwendet. Präambel (Preamble) Die Präambel ist ein festgelegtes Muster von 4 Zeichen, dass nach folgendem Schema definiert ist: Falls das der Präambel folgende Synchronisationsfeld mit einer 0 beginnt, lautet die Präambel 0101, anderenfalls Synchronisationsfeld (Synchronization) Das Synchronisationsfeld ist 64 Bit gross und wird von der LAP abgeleitet. Falls der Zugriffscode zu einer Datenübertragung genutzt werden soll (also CAC), so wird der LAP des Masters verwendet. Falls ein Gerät gerufen werden soll (also ein DAC), wird der LAP des gerufenen Gerätes verwendet. Anhang (Trailer) Der Trailer wird dem Zugriffscode angefügt, sobald ein Paketkopf dem Access Code folgt. Der Trailer ist wie die Präambel ein fest definiertes Muster vo vier Zeichen. Die Anhangssequenz ist entweder 1010, wenn das MSB eine 0 ist, oder 0101, wenn das MSB eine 1 ist. 9

10 Paketkopf (Header) Der Paketkopf eines Bluetooth-Pakets ist 54 Bit gross und enthält Informationen über die Verbindung. Der Header besteht aus sechs Feldern: AMA (Active Member Address) Die AMA wird einem Gerät innerhalb eines Piconets vorübergehend durch den Master zugewiesen. Die Adresse 0 ist die Master-Adresse. Sobald ein Master Daten an einen Slave sendet, wird die AMA als Empfängeradresse interpretiert. Will ein Slave Daten an den Master senden, so entspricht die AMA der Adresse des Absenders, also des Slave. Auf Grund der Grösse der AMA (3 Bit) können sich nur 8 aktive Geräte innerhalb eines Piconets befinden. Das Typfeld (Type) Das Typefeld dient zur Kodierung des Pakettyps. Durch den Pakettyps ist z.b. die Paket Grösse (1, 3 oder 5 Slots) definiert. Flow-Bit (F, Flusskontrolle) Sobald ein Paket mit gelöschtem F-Bit empfangen wird, muss die Datenübertragung angehalten werden. Ein Gerät signalisiert damit, dass der Empfangspuffer voll ist. Die Übertragung wird dann wieder aufgenommen, wenn das F-Bit auf 1 gesetzt ist. ARQN (Acknowledgement Number) Eine positive Empfangsbestätigung wird durch eine 1, eine Negative als 0 signalisiert. SEQN (Sequence Number) Mit diesem Bit kann ein Paketverlust erkannt werden. Prüfsumme (HEC, Header Error Correction) Mit der 8 Bit grossen Prüfsumme kann erkannt werden, ob Daten im Header verfälscht wurden. Die Nutzdaten (Payload) Die Nutzdaten eines Bluetooth-Pakets können bis zu 343 Bytes gross sein. Das Datenfeld der Nutzdaten besteht aus bis zu drei Teilen: - Nutzdaten-Header - Eigentliche Nutzdaten - Prüfungsnummer Bluetooth-Klassen Es gibt 3 Verschiedene Bluetooth-Klassen, welche sich in der Sendeleistung und ihrer Reichweite unterscheiden: Klasse Max. Leistung [mw] Max. Leistung [dbm] Reichweite im Freien [m] Klasse ca. 100 Klasse ca Klasse ca Die tatsächlich erzielbare Reichweite hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Beispiele sind die Empfindlichkeit der Sender und Empfänger, Hindernisse wie z.b. Mauern, Bäume usw. Auch die zu übertragende Datengrösse kann der Reichweite beitragen. 10

11 Bluetooth-Versionen - Bluetooth 1.0a und 1.0b (Juli, Dezember 1999) - Bluetooth 1.1 (Februar 2001) - Bluetooth 1.2 (November 2003) - Bluetooth 2.0 (November 2004) - Bluetooth EDR (August 2007) - Bluetooth HS (April 2009) - Bluetooth 4.0 (Juni 2010) Bluetooth Low Energy (BLE) Classic Bluetooth Bluetooth High Speed EDR = Enhanced Data Rate (deutsch: Verbesserte Datenrate) HS = High Speed Bluetooth 4.0 Die Bluetooth Version 4.0 wurde am 30. Juni 2010 von der Bluetooth SIG veröffentlicht. Die neue Version umfasst Classic Bluetooth, Bluetooth High Speed und Bluetooth Low Energy Protokolle. Bluetooth High Speed basiert auf Wi-Fi und Classic Bluetooth basiert auf den älteren Protokollen von Bluetooth. Bluetooth Low Energy (BLE), früher als Wibree bekannt, ist ein Teil von Bluetooth 4.0 und besitzt ein völlig neuen Protokollstapel. BLE wird als Alternative der vorherigen Bluetooth Versionen angeboten und wird, wie der Name schon sagt, im Bereich Low Energy verwendet. Die vorläufigen Namen WiBree und Bluetooth ULP (Ultra Low Power) wurden von dem neuen Namen Bluetooth (BLE) ersetzt. Ende 2011 wurden die neuen Logos (Bluetooth Smart Ready für Hosts und Bluetooth Smart für Sensoren) für BLE eingeführt. 11

12 Bluetooth Hacking Bluesnarfing Bluesnarfing ist eine spezielle Form von Snarfing über eine Bluetooth-Verbindung. Snarfing im Allgemeinen ist Informationsdiebstahl oder Datenmanipulation in kabellosen Netzwerken wie WLAN oder eben Bluetooth. Der Begriff Snarf ist ist vermutlich ein Kunstwort aus snort (aufschnupfen) und scarf (verschlingen). Bluesnarfing erlaubt den Zugang auf den Kalender, das Adressbuch, s und Textmitteilungen. Unter Anderem kann damit auch auf private Fotos und Videos zugegriffen werden. Programme wie Blooover nutzen ohne Wissen des Anwenders eine Sicherheitslücke aus. Jedes Gerät, welches die Bluetooth-Verbindung angeschaltet hat, kann Opfer dieser Attacke werden. Etwas sicherer ist das Gerät, wenn die Sichtbarkeitsfunktion ausgeschaltet ist. Absolute Sicherheit ist jedoch nur dann gewährleistet, wenn die Bluetoothfunktion komplett ausgeschaltet ist. Entdeckt wurde die Möglichkeit des Bluesnarfing im November 2003 von der Sicherheitsfirma A.L. Digital. Bluesnarfing basiert auf einem Fehler im Object-Exchange(OBEX)-Protokoll von Bluetooth. Bluejacking Bluejacking bezeichnet das Senden unaufgeforderter Nachrichten über Bluetooth an bluetoothfähige Geräte, wie z.b. Mobiltelefone und Laptops. Dabei wird eine so genannte vcard, welche normalerweise eine Nachricht im Namensfeld (z.b. für Bluedating oder Bluechat) enthält, an ein anderes bluetoothfähiges Gerät gesendet. Auch hier wird eine Sicherheitslücke im OBEX- Protokoll ausgenützt. Da Bluetooth eine sehr begrenzte Reichweite hat, muss der Hacker in geringer Reichweite sein oder mit entsprechender Ausrüstung ausgerüstet sein. Bluejacking wurde von einem malaysischen IT-Berater durchgeführt, der sein Mobiltelefon dazu nutzte, für Sony Ericsson zu werben. Er erfand ebenfalls den Namen Bluejacking. Normalerweise ist harmlos, doch die Leute, welche gebluejacked werden, generell nicht wissen, was los ist, könnten sich möglicherweise denken, dass ihr Handy eine Fehlfunktion aufweist. Durch Bluejacking können jedoch auch Virusattacken durchgeführt werden. Bluebugging Bluebugging erlaubt es Benutzer von Mobiltelefonen, auf fremden Mobiltelefonen Befehle auszuführen, ohne dass es die Zielperson selbst mitbekommt. Auch hier muss der Hacker in kleinerer Reichweite zu seinem Opfer sein oder über eine entsprechende Ausrüstung verfügen. Der Angreifer kann so auf diverse Funktionen des Mobiltelefons zugreifen, wie z.b. das Lesen und Verschicken von SMS, das Tätigen und Mithören von Anrufen, sowie die Bearbeitung des Adressbuches oder das Verbinden zum Internet. 12

13 Quellen weise/index4.html