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作者：王一鸣 来源：物联江湖（iot521） 物联网智库 整理发布 转载请注明来源和出处
从本质上来讲，蓝牙Mesh技术并非无线通信技术，而是一种网络（组网）的技术，用于构建“多对多通信连接”的网络。 纵观蓝牙技术的发展旅程，SIG不断地追求着无线连接的性能：传输速率（EDR-Enhanced Data Rate、AMP）、低功耗（Sniff Subrating、BLE）、网络接入（6LoWPAN、Mesh）和安全配对（SSP），以满足各种应用对近距离通信的需求。 原本，SIG主要是聚焦于“以人为中心的边缘网络”进行技术创新,而如今，蓝牙适用的范围已经逐渐拓展到所有物联网边缘场景：“蓝牙增强速率技术（BR / EDR）”的应用从无线耳机发展到鼠标键盘；“蓝牙低功耗技术”应用于手表、手环，发掘了可穿戴市场；而“蓝牙Mesh组网技术”则瞄准了整个（边缘域）物联网市场，包括消费领域和工业领域。 从最新的组网构架（Mesh组网）中，让我们逐渐地看清了蓝牙技术联盟对物联网通信的预想，以及对边缘网络的理解。 一、为物联网不断前行的蓝牙Mesh 为了开发和应用的方便，蓝牙技术联盟在蓝牙Mesh中加入了“情景（Scene）”这一概念，可以将网络中的一部分节点、元素、状态、操作行为“捆绑”在一起，形成“物”的联动机制，使得应用的内涵丰富多姿，且易于开发和理解。 通过携带特殊的16位情景序号，一个触发节点可以通过发布一个消息，就实现一组节点设备改变各自运行状态，形成物与物内在关联的场景。开发人员可以利用丰富的情景预设，向用户交付最佳的应用体验。 在安全方面，蓝牙技术联盟从应用到网络，设计、部署了多层次的防护措施。 1.在蓝牙Mesh技术中，引入各类秘钥：Netkey、AppKey、DevKey,以对应用、网络、节点进行全面的认证。并且，网络中的启动配置设备（配网节点-Provisioner：负责其它所有节点入网的认证和密钥分配）可以配置黑名单，并控制全网更改秘钥（秘钥刷新程序），将嫌疑节点踢出蓝牙Mesh网络； 2.通过NetKey派生的隐私Key，可以模糊化蓝牙网络PDU报头，以防止定向的窃听和追踪； 3.通过在网络PDU中引入序列号（Sequence Number）和IV索引（IV Index），避免“重放攻击”，欺骗节点作出未授权的处理和响应。 纵观蓝牙Mesh技术，它转变了传统蓝牙以“人”为中心的网络特性（集中化网络），而转向“多点对多点”的网络架构，以满足“物”的连接需求为协议开发的宗旨。 在局部空间中，从应用到网络连接，设计了一整套基础网络构建的规范和标准，简化开发和运营的难度。它兼容低功耗蓝牙技术，满足电池驱动设备低频低量的连接需求。 它采取强制执行的安全策略：入网必须认证、连接必须加密，以及具有秘钥动态更新、关键字节等其它安全措施。其技术的开放性，为物联网应用生态的构建提供了基础。 从蓝牙Mesh技术中也能看到，它并没有关于互联网连接、服务的设计。在实际应用开发中，该部分主要由应用的开发者自己来完成。此外，泛洪的信息传播模式（“管理型网络泛洪”），虽然采用了一些优化措施（TTL等），但对网络的扩展扩容有较大影响，还需要进一步地设计优化方案。 在物联网的边缘，越来越多的网络技术开始考虑“物”的连接需求，Mesh组网、多点对多点、低功耗连接、非对等网络等理念，不断嵌入到局部空间的网络设计当中，边缘网络作为物联网技术的先行者，将成为物联网生态建立的基石和保证。 二、蓝牙Mesh网络架构 蓝牙Mesh通过网状网的组网结构，可以实现室内的大范围网络覆盖。节点（Node）组成了蓝牙Mesh的主干网络，在Node之间使用了低功耗蓝牙的技术进行对连，而具有不同能力特性的节点在网络中承担了不同的角色。 承担网络角色，需要节点之间遵守蓝牙Mesh的语法（通信规则、数据格式）进行对话，通过协商组成网络并向应用提供网络路由服务。 节点间的网络协商过程，是通过“消息携带组网信息”，从“源地址向目的地址传递”，并形成“网络信息的交互”而构成的。 1. 网络地址 蓝牙Mesh网络中，统一的地址长度为16位，分四种类型：单播地址（unicast address）、组播地址（group address）、虚拟地址（virtual address）、未分配地址（unassigned）。 (1)单播地址（Unicast Address） 单播地址在蓝牙Mesh网络中具有唯一性，可以标识出节点内的一个元素，节点在接入网络的时候被分配获得。一个mesh网络可以有32767个单播地址。 (2)组播地址（group address） 组播地址即是多播地址，标识一个或多个元素。SIG预定义了四类组播：“All-proxies”, “All-friends”,“All-relays” 和 “All-nodes”。开发者也可以将多个元素自定义到一个多播地址，便于应用的统一控制和管理。 (3)虚拟地址（Virtual Address） 虚拟地址可以赋给一个或多个元素，且可以由多个节点共有。虚拟地址类似于标签，可以在设备出厂前就配置，标签可以使得节点容易在网络被识别和应用。例如，可以表示某个厂商生产的某一个特定型号的摄像头。 (4)未分配地址（unassigned） 16位全零的地址，表示元素还没有配置地址。 2.消息（Message） 蓝牙mesh网络通过消息承载数据信息进行通信。一个节点可以通过消息来询问其它节点的状态，也可以将自己状态消息发送给别的节点。在蓝牙mesh技术规范中，定义了很多种类型的消息。 在蓝牙mesh网络中，无论节点间相距多远,所有节点均可以订阅某一节点发布的状态数据。 (1)消息的应用类型: 消息有两种应用类型：控制消息（Control Message）和接入消息（Access Message） 控制消息（Control Message），是与蓝牙mesh网络操作有关的消息，例如Low Power Node和Friend Node之间的连接请求消息。 接入消息（Access Message），该类消息会携带节点中的模型和状态值，用来实现节点之间对模型状态的查询和控制。应用层通过接入消息中的操作码(opcode) 和参数，来识别并执行设备的相关操作。 接入消息有两种交互类型：有应答（acknowledged）消息和无应答（unacknowledged）消息。 有应答消息：表示该消息需要“提问-应答”式的交互，消息发送方需要接收方的响应。响应消息携带相关的状态信息，以向发送方表示某种操作执行成功，并反馈操作执行后的状态值。如果没有响应，发送方可以重复发送该消息。 无应答消息：发送方向接收方发送消息，但不需要回复。 (2)消息的操作类型 消息中包含三种消息的操作类型：GET、SET、STATUS。三种操作类型对应三种信息操作的方式： GET：发送节点使用GET消息，向一个或多个节点请求元素模块中的状态值。 SET：发送节点使用SET消息，向一个或多个节点设置或改变某些状态值。 STATUS：该消息是应答消息，是对GET消息或SET消息的响应。STATUS消息中会携带当前的状态值，返回给GET/SET消息的发送节点。 3.节点模式 根据节点在实际应用中承担的不同角色，将其分成三类模式：服务器模式（Server Model）、客户端模式（Client Model）、控制模式（Control Model）。 (1)服务器模式（Server Model） “服务器”，可以理解为“处理器”和“执行器”，其对两部分内容进行了定义： 数据的定义：定义了元素模型中的状态属性（格式、类型）和相关消息。状态属性包括状态（state）、状态转换（state transitions）, 状态绑定（state bindings）等等。 行为的定义：定义了各类实体操作（Behaviors），以及这些操作和状态参数的对应关系。例如，当蓝牙电灯就收到一个“开关状态为‘On’”的消息时，它就给灯泡通电发光。 (2)客户端模式（Client Model） “客户端”可以理解为“操作端”或“触发器”，它没有状态信息，但定义了消息的格式和收发方式，用于获取“服务器”提供的应用服务：发送信息、查询状态、控制开关、调节级别等等。“客户端”就像是电视机的遥控机，由人来操作并切换电视频道。 (3)控制模式（Control Model） 控制模式兼具了服务器模式和客户端模式，并且还定义了各模式之间数据交互的处理逻辑（规则和行为），即称为“控制器逻辑(Controller logic)”。 4.Publish/Subscribe 发布和订阅 在实际应用中，节点发送应用消息的行为称为“发布”。消息的发布方向是组地址或者虚拟地址。在应用设计中，组地址或者虚拟地址通常代表一个空间区域或同一类设备，易于用户和应用系统统一辨识和使用。 “订阅”就是某个节点被配置成可以接受某个特定消息。换一种说法，节点“订阅”了某消息，就意味着它可以读取该消息的内容。 生成消息的节点（客户端）“发布”消息，使用消息的节点（服务器）“订阅”消息。 发布和订阅关系举例： 在由电灯和开关组成的蓝牙Mesh网络应用中： (1)开关1可以发布消息到厨房组地址 (2)电灯1号、2号、3号订阅了厨房组地址的消息 (3)开关2可以发布消息到客厅组地址 (4)电灯3号订阅了客厅组地址的消息
消息的发布/订阅模式的使用，结合组地址和虚拟地址的配置，可以方便地在蓝牙网络中移除或添加节点，其它在网节点无需做任何配置。 5.节点间的连接类型 各类节点之间形成各种类型的联接，主要有4种： (1)非中继连接：普通节点之间的连接，两节点之间可以收发数据，但是节点在收到信息后不会转发。 (2)亲友连接(也翻译为“友谊”连接)：低功耗节点和亲友节点间的连接，在建立亲友关系后，低功耗节点会定期向亲友节点发送消息，询问是否有自己的消息。亲友节点如果有暂存的低功耗节点的消息，它会将该消息送还给低功耗节点。 (3)中继连接：包括普通节点与中继、代理、亲友节点的连接，中继、代理、亲友节点的相互连接。在该类链接上，会传递普通的蓝牙Mesh广播消息。 (4)GATT连接：没有蓝牙Mesh组网能力的蓝牙设备（具备GATT接口），需要通过代理节点帮其转换连接模式转发信息，这些节点和代理节点之间的连接就是GATT连接。 6.消息转发处理的机制 在蓝牙Mesh中，当一个节点收到一个消息时，它会根据自身的节点角色（模式），与相邻节点间的连接状态、以及收到消息中的网络参数，来决定是否丢弃、缓存、处理，还是转发该消息。 在消息中，影响转发的参数主要有：NID（网络ID，从网络密钥-NetKey 派生而来的唯一公共标识符）、TTL（Time To Live，消息转发最大允许“跳跃-Hop”次数）、SRC（Source Address，源地址）和DST（Destination Address，目的地址）。 接受消息后，转发节点（中继、代理、亲友节点）在转发消息前有两部分的处理工作：消息健康检测、消息转发判定。 (1)健康检测： 在收到消息后，节点先判断该消息的发送源是否是一个已注册节点（以NID作为判定条件），再对消息的数据包做完整性效验（MIC），并对数据包中的源地址、目的地址进行有效性判断，最后确认是存在重复收包的情况，即检查转发缓存（转发队列）中是否已经有该数据包。如果以上步骤中有一项未通过，则该消息会被节点丢弃，如果通过了，则进入下一个转发判定的环节。 (2)转发判定： 如果消息中的目的地址是本节点，则消息会被传递到应用层，不再转发。如果目的地址非本节点，则根据自己的节点角色和数据包中的TTL值来确定是否转发。非转发类节点会将数据丢弃，转发类节点则会检查TTL值是否大等于2，如果满足条件则转发，否则也将数据丢弃。 (3)以图例进行举例：
A、 低功耗节点X发消息至普通节点A a) 低功耗节点X在入网时，和亲友节点L建立了“友谊连接”。他在发送消息中将TTL标识设置为“3”，然后发给L，L则会对该消息进行广播，广播前将TTL设置为“2”。 b) 非中继节点B和中继节点P离L很近，它们都能收到L的消息。在收到消息后，B发现消息中的目的地址不是它，而它又不是中继节点，故它会将该消息丢弃。 c) 中继节点P收到L的消息后，先完成健康检测（确认数据包信息无异常），再进行转发判断：发现目的地址不是它，并且TTL值等于2，于是它将TTL改成“1”后广播了该消息。 d) 中继节点Q在作转发判断时，发现该消息的TTL等于1，且该消息的目的地址并不是它，于是就将该消息丢弃。非中继节点B收到P发来的消息，它会采取和步骤2一样的处理方式将数据丢弃。 e) 非中继节点A收到P转来的消息，发现该消息的目的地址是它自己，于是消息在经过通过传输层、接入层的预处理后，被A送到其应用层（模型层）。 B、 非转发节点（不支持蓝牙Mesh）D发消息至低功耗节点Y f) 无Mesh协议栈的蓝牙节点D在入网时，和中继节点S建立了“代理连接”，S作为D在Mesh网络中的代理节点。他将消息中的TTL标识设置为“3”，并发送给S。 g) S作为中继节点，将信息（TTL=2）广播出去，节点M和P都收到了该信息。 h) 中继节点P继续广播该消息（TTL=1），节点A、B、L收到后确认消息的目的地址不是自己，且TTL=1，则就将消息丢弃。 i) 亲友节点M收到该消息，发现消息的目的地址是低功耗节点Y，于是将该消息放进缓存。当Y向M发送“轮询（Poll）”消息，查问是否有它的消息时，M会将缓存的消息传给Y。 |
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