Mesh網(wǎng)絡(luò )增強藍牙無(wú)線(xiàn)IoT的地位

作者/P?r H?kansson Nordic Semiconductor產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理

       雖然低功耗藍牙(Bluetooth? Low Energy / Bluetooth LE)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的基礎技術(shù)已經(jīng)取得重大進(jìn)展，但它仍然存在一個(gè)弱點(diǎn)：因為它主要用于支持電池供電的外設與智能手機等中央設備的通信，該技術(shù)無(wú)法支持mesh網(wǎng)絡(luò )?，F在，藍牙mesh 1.0規范消除了這個(gè)弱點(diǎn)。

　　Mesh網(wǎng)絡(luò )允許網(wǎng)絡(luò )中的設備(節點(diǎn))相互通信而無(wú)需中央樞紐設備，如果需要，可以經(jīng)由其它節點(diǎn)中繼來(lái)傳播數據包。這樣的系統實(shí)現了更大的通信范圍、靈活性和冗余，并且是所有典型IoT無(wú)線(xiàn)技術(shù)的先決條件。藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )的主要應用包括企業(yè)照明設施、用于托管信標的后端管理，以及工業(yè)監控。

　　一些企業(yè)，特別是Silvair，認為這項需求是不可或缺的，并開(kāi)發(fā)了基于低功耗藍牙技術(shù)的專(zhuān)有mesh解決方案來(lái)填補這項空白。這家公司的工程師在起草正式的藍牙mesh規范方面發(fā)揮了重要的作用。藍牙mesh規范已經(jīng)在7月正式發(fā)布。

　　1 并不僅僅適用于藍牙5

　　由于開(kāi)發(fā)人員熟悉藍牙技術(shù)的發(fā)展路線(xiàn)，可能假設藍牙mesh是藍牙5的一個(gè)新特性，但是情況并非如此。實(shí)際上，通過(guò)軟件更新任何兼容藍牙4.0或更高版本的低功耗藍牙芯片都能夠支持藍牙mesh。這允許正在使用專(zhuān)有mesh聯(lián)網(wǎng)的低功耗藍牙設備通過(guò)空中升級實(shí)現兼容標準藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )。

　　這并不意味著(zhù)設備無(wú)需更新應用程序固件。藍牙mesh是一個(gè)具有七層(包括承載、網(wǎng)絡(luò )、下層和上層運輸、訪(fǎng)問(wèn)、基礎模式以及模式層)的全新架構，建立于標準低功耗藍牙物理層(射頻)之上(如圖1)。一個(gè)節點(diǎn)在接收信息時(shí)，將信息從下層的低功耗藍牙物理層向上層傳播，經(jīng)由承載層至網(wǎng)絡(luò )層。網(wǎng)絡(luò )層使用多個(gè)檢查方法來(lái)決定將信息傳遞到協(xié)議棧上層或丟棄[1]。

　　藍牙mesh規范詳細描述了四種節點(diǎn)：中繼節點(diǎn)、低功耗節點(diǎn)、朋友節點(diǎn)和代理節點(diǎn)。

　　中繼節點(diǎn)能夠重新發(fā)送所接收到的數據包，并且通過(guò)這個(gè)機制，使數據包可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )上快速傳播。中繼機制的缺點(diǎn)是耗電量增加，這是由于它依賴(lài)于保持“醒著(zhù)的”節點(diǎn)。雖然在mesh網(wǎng)絡(luò )配置中低功耗藍牙的功耗遠低于其他競爭技術(shù)，但這樣的運作模式單單依靠電池供電是無(wú)法持久的。對于智能照明等應用來(lái)說(shuō)，這并不是缺點(diǎn)，因為燈具通過(guò)接入主干供電系統為L(cháng)ED供電，但這對于加入網(wǎng)絡(luò )中的其它非主干系統供電設備，比如設備開(kāi)關(guān)，則可能不適用。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，藍牙網(wǎng)絡(luò )引入了低功耗節點(diǎn)(LPN)，可以使用電池或能源采集來(lái)供電。LPN與朋友節點(diǎn)協(xié)同工作，朋友節點(diǎn)通常是由主干系統供電，因而能夠永遠保持喚醒狀態(tài);這些設備會(huì )緩存發(fā)往LPN的信息。LPN根據預先設定的進(jìn)程表切換至接收模式，接收緩存的信息，根據指令進(jìn)行操作，然后快速度返回省電的睡眠狀態(tài)。

　　代理節點(diǎn)允許支持低功耗藍牙，但不支持藍牙mesh的設備(例如現在的智能手機)連接至藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )。通過(guò)節點(diǎn)和代理設備的通用屬性配置文件(GATT) 接口實(shí)現交互(如圖2)。

　　藍牙mesh借鑒了藍牙技術(shù)的GATT配置文件的概念，允許不同的情況下使用相同的信息結構。然而由于mesh的分布式特性，兩種技術(shù)的配置文件的設計是不同的。為了避免GATT配置文件被誤認為是mesh網(wǎng)絡(luò )配置文件，因此mesh配置文件稱(chēng)作模式。

　　藍牙mesh1.0包括配置、心跳和健康基礎模式，mesh模式是基礎模式的擴充，比如通用、照明、傳感器和場(chǎng)景等。與GATT配置文件類(lèi)似，用戶(hù)還可以創(chuàng )建定制的基礎和mesh模式[1]。

　　2 照明驅動(dòng)

　　智能照明是無(wú)線(xiàn)IoT 技術(shù)的先驅?xiě)?，許多早期的藍牙網(wǎng)絡(luò )規范就是專(zhuān)為這個(gè)應用定制的。藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)在博客中這樣說(shuō)到：藍牙mesh將在商業(yè)照明應用中產(chǎn)生巨大的深刻影響。

　　也就是說(shuō)，集成用于智能照明的機制可以方便地支持其它的關(guān)鍵應用，比如信標、安全網(wǎng)絡(luò )，以及加熱、通風(fēng)和空調(HVAC)網(wǎng)絡(luò )。這些機制中的關(guān)鍵是通過(guò)泛洪(flooding)進(jìn)行通信，把每個(gè)數據包向網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)廣播，直至到達目標節點(diǎn)。

　　三種類(lèi)型尋址可配合泛洪：?jiǎn)尾?在初始節點(diǎn)設置期間使用)、 群組和虛擬(主要由設備制造商用來(lái)標記產(chǎn)品)。其中，群組尋址最適用于日常操作。群組地址是代表著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)或多個(gè)元素的組播地址。SIG定義了四個(gè)固定群組地址，即全代理、全朋友、全中繼和全節點(diǎn)，分別對應上面定義的節點(diǎn)類(lèi)型。

　　除了這些群組地址，安裝商很可能在配置期間分配動(dòng)態(tài)群組地址，以反映現實(shí)的mesh布局。例如，動(dòng)態(tài)群組地址可以分配至建筑中每個(gè)房間的燈具。

　　泛洪mesh和群組尋址對于主要的智能家居應用，例如照明，是有意義的。泛洪mesh允許開(kāi)關(guān)向智能照明群組發(fā)送“ON”指令，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行快速傳播，每個(gè)節點(diǎn)接收指令并且相應地執行指令。目標群組的燈將迅速點(diǎn)亮。相比需要中樞來(lái)向每個(gè)連接的燈具傳送單獨指令的網(wǎng)絡(luò )，例如星形網(wǎng)絡(luò )，泛洪mesh的延遲可降低很多。

　　泛洪架構還帶來(lái)了其它的優(yōu)勢，但也包括一些缺點(diǎn)。一個(gè)主要的附加優(yōu)勢是簡(jiǎn)化，特別是把通信限制在低功耗藍牙技術(shù)的三個(gè)廣播和掃描信道上 (請記住這項技術(shù)擁有總共40個(gè)頻率信道)。但是這樣的缺點(diǎn)是帶寬減小了，原因是需要管理通信，以防止數據包超出這些信道。

　　這項規范包括了多個(gè)機制，以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個(gè)特定的數據包，這是一個(gè)計算中繼傳輸次數數目的TTL(Time-To-Live)計數器，在滿(mǎn)足定義的步驟數目之后，將不會(huì )繼續進(jìn)行中繼傳輸。

　　例如，設置TTL計數器為3，允許一個(gè)數據包從起源開(kāi)始最多傳遞三次，而后不再重新傳播。

　　圖 1 藍牙mesh協(xié)議棧位于低功耗藍牙的物理層上面

　　來(lái)源：藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　第二個(gè)防止擁堵的機制是數據包的消息緩存。數據包在整個(gè)mesh傳輸后，最終只會(huì )形成緩存——緩存可以安全地認為該數據包不必在當前節點(diǎn)進(jìn)行傳播?？蛇x中繼功能也可以限制mesh擁堵。通過(guò)關(guān)閉中繼，節點(diǎn)可以接收數據包而不傳送。由于設計人員必需折衷權衡mesh靈活性和帶寬消耗，可選中繼增加了復雜性，這樣可以提升總體mesh的性能。

　　圖2 代理節點(diǎn)(“P”)允許不支持藍牙mesh的低功耗藍牙設備(例如智能手機)連接至藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )

　　來(lái)源：藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　3 安全第一

　　藍牙mesh將藍牙技術(shù)更深入地引入到IoT中，使安全變得至關(guān)重要。因此，藍牙mesh的設計人員必須確保網(wǎng)絡(luò )、各項應用，以及裝置全部是安全的，并且無(wú)法被非法關(guān)閉或限制。對于藍牙mesh，安全特性不是可選的，而是強制的。

　　這個(gè)強制性方法是從配置開(kāi)始的，配置是使外部設備變成mesh網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的過(guò)程，可以由智能手機或平板電腦上的app來(lái)實(shí)現。這個(gè)過(guò)程有五個(gè)步驟：廣播(指示可以加入mesh)、邀請(來(lái)自供應設備)、公匙交換、認證以及會(huì )話(huà)密匙交換(保證數據進(jìn)行配置的安全)。

　　配置過(guò)程實(shí)現了高度的安全性，隨后數據包經(jīng)過(guò)AES-128進(jìn)行端至端加密，并且在每個(gè)中繼之間進(jìn)行附加的AES-128加密，從而增強了隱私。此外，還會(huì )定期刷新加密密匙，以檢測和對抗重放攻擊。

　　參考文獻：

　　[1]藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò )/面向開(kāi)發(fā)者的介紹[S].藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG),2017,8.