Bluetooth Mesh – mit Sicherheit eine zuverlässige Vernetzung für Licht- und Gebäudeautomation

Die Sicherheit ist in der Wireless Kommunikation ein überaus wichtiges Thema, und die Ernsthaftigkeit steigt mit der Menge an vernetzten Nodes und verschiedenen Anwendungen, die unterstützt werden.

Handelt es sich um eine simple Technologie, welche auf die Lichtsteuerung limitiert ist und sich mit keinen anderen Anwendungen kombinieren lässt, so ist ein Angriff auf ein solches Netzwerk mit einem relativ geringen Risiko verbunden. Ein Angriff kann jedoch verheerend sein, wenn das Netzwerk neben der Lichtsteuerung auch für kritische Funktionen wie beispielsweise die Klimatisierung oder Zutrittssysteme zuständig ist.

Der Trend geht jedoch genau in diese Richtung: Verschiedene Branchen werden mehr und mehr miteinander kombiniert. Dies ist der Kerngedanke von IoT, man will wegkommen von Insellösungen, wo jede Anwendung ihr eigenes, isoliertes Kommunikationsnetzwerk erfordert.

Da der Bluetooth Mesh Standard vergleichsweise jung ist, konnte dieser Aspekt schon von Beginn an angemessen berücksichtigt werden. Das neu aufgerollte Konzept resultierte in eine Architektur, die von Grund auf durchgängig mit State of the Art Sicherheitsmassnahmen versehen ist. Der Bluetooth Mesh Profile Standard ist offen, jede und jeder kann ihn einsehen und kritisch hinterfragen. Die Bluetooth SIG bietet ausserdem ein Web-Portal, um gefundene Sicherheitslücken betreffend Bluetooth zu melden.

Bluetooth Mesh ist die Wahl, wenn es um Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit geht. Eigenschaften, die bei einer Lichtsteuerung besonders wichtig sind. Gerade wenn sich Sender und Empfänger nicht in unmit-telbarer Nähe befinden und Nachrichten auf weitere Distanzen wie z.B. in einem Bürogebäude ausge-tauscht werden müssen, können die Vorteile des Mesh Netzwerkes genutzt werden.

Doch wie funktioniert Bluetooth Mesh? Bluetooth Mesh nutzt ein sogenanntes «managed flood message relay» Verfahren. Das heisst, alle Teilnehmer des Netzwerks – die Nodes - erhalten dieselbe Nachricht und können diese auch weiterleiten. Dadurch ist es möglich, mehrere tausend Teilnehmer zu erreichen und gleichzeitig trotzdem eine hohe Performance und Zuverlässigkeit des Netzwerks zu garantieren.

Das Verfahren kann mit Nachrichtendiensten aus den sozialen Medien verglichen werden. Alle Nodes können Nachrichten an das Netzwerk senden («publish») und Nachrichten abonnieren («subscribe»). Alle Nodes in einer Gruppe, welche beispielsweise am Status des Lichtwertes interessiert sind, können diese Nachrichten abonnieren. Sensoren, Schalter und Leuchten kommunizieren direkt miteinander. Durch das Konzept der Dezentralisierung entfällt eine zentrale Steuereinheit, was bedeutet, dass auch bei einem Ausfall von einem oder mehreren Nodes die Lichtsteuerung weiterhin funktioniert.

Die effiziente Datenübertragung bei Bluetooth Mesh reduziert die Belastung des Funknetzes und garantiert eine hohe Zuverlässigkeit. Die Grösse der sogenannten Payload der zu übertragenen Nachrichten ist optimiert, um möglichst wenig Funk-Traffic innerhalb des Netzwerks zu generieren. Möchte man zum Beispiel den Lichtlevel setzen, reicht es, das Kommando «Light Lightness Set» (2 Bytes) den «Lightness Level» (2 Byte) sowie einen «Transaction Identifier» (1 Byte: neue Nachricht oder erneute Übertragung), zu senden. Möchte man den Lichtlevel («Lightness Level») auf das Maximum setzen, lautet die Nachricht dann also: 0x82 4C FF FF 00.

Das standardisierte Funkprotokoll der Bluetooth SIG dient der zuverlässigen Vernetzung der Sensoren innerhalb eines Netzwerks. Die Bluetooth Technologie verfolgt einen Full-Stack Ansatz. Das heisst vom low-level (Funkteil) bis zum high-level (Anwendungsschicht) wurden technische Spezifikationen erarbeitet. Es wurden sogenannte Models definiert, die beschreiben, wie sich ein Sensor oder eine Leuchte zu verhalten haben. Dies stellt sicher, dass ein vor 30 Jahren gekaufter Bewegungsmelder auch in Zukunft noch kompatibel ist. Bluetooth stellt die nötigen Qualifizierungsinstrumente zur Verfügung und garantiert so eine globale Interoperabilität.

Zur Steuerung von LED-Treibern ist der DALI (Digital Addressable Lighting Interface) Standard weit verbreitet und ist somit die perfekte Ergänzung zum Bluetooth Mesh. Die DALI Alliance (DiiA) hat Spezifikationen veröffentlicht, welche über Farbsteuerung, Dimmlevel bis hin zu Diagnosedaten wie Energieverbrauch und Leistungsaufnahme gehen. Viele namhafte Hersteller von LED-Treibern unterstützen den Standard und garantieren somit eine herstellerunabhängige Kompatibilität.

Die SENSOTEC NET Sensoren der STEINEL Solutions unterstützen beide Standards: den Bluetooth Mesh der SIG und den DALI Standard der DiiA. Die Sensoren interagieren in einem Netzwerk als Bluetooth Mesh-zu-DALI Gateway. Damit sind heute Applikationen wie automatische und bedarfsgerechte Lichtsteuerung und Energiemonitoring möglich. Und für die Zukunft besteht bereits die Infrastruktur für neue Use Cases wie Asset Tracking oder Indoor Navigation.