藍牙Mesh：構想全新的應用領(lǐng)域

　　Mesh技術(shù)允許多個(gè)藍牙設備連接在一起從而形成一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò )，以節能和安全的方式實(shí)現遠距離橋接。通過(guò)在安全性、可靠性和可擴展性方面滿(mǎn)足行業(yè)標準，藍牙Mesh技術(shù)可以實(shí)現全新的應用場(chǎng)景。

　　藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)在2000年推出了無(wú)線(xiàn)數據傳輸標準：藍牙基本速率(BR)/增強數據速率(EDR)。2010年，藍牙SIG通過(guò)低功耗藍牙(BLE)定義進(jìn)一步提升了其標準，使得低功耗的數據傳輸成為可能。

　　業(yè)界對這種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的需求很高，其中一個(gè)原因是預期到這種技術(shù)將會(huì )進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。BLE的成功，首先在于它的功耗非常低。但是BLE協(xié)議也有其缺點(diǎn)。只有三種類(lèi)型的通信是可能的(圖2)：在兩個(gè)單獨的設備之間(點(diǎn)對點(diǎn)通信，雙向1：1)、在一個(gè)設備和其他多個(gè)設備之間(一對多通信，雙向，1：m) )，或者一個(gè)設備把數據連續發(fā)送到環(huán)境中，而沒(méi)有特定收件人(廣播通信)的通信。在廣播時(shí)，環(huán)境中的所有BLE設備都可以接收數據但無(wú)法響應。這些網(wǎng)絡(luò )拓撲的缺點(diǎn)是，如果把數據傳輸出來(lái)的主站(星型配置，中心角色)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò )則會(huì )失效。

　　1 完美的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

　　2017年7月藍牙SIG推出了可選的藍牙mesh，這是一種基于低功耗藍牙通信協(xié)議并且進(jìn)一步改進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。通過(guò)使用藍牙mesh，可以在大型物理區域內建立一個(gè)由多對多連接組成且多達32 000個(gè)參與者的大型網(wǎng)絡(luò )(m：m，圖3)。即使發(fā)送初始消息的設備不在接收器的直接無(wú)線(xiàn)電傳輸范圍內，傳輸仍然有效。此外，藍牙mesh 1.0網(wǎng)絡(luò )技術(shù)支持來(lái)自不同供應商的設備之間的通信，這是先前的專(zhuān)利解決方案無(wú)法實(shí)現的，例如CSRmeshTM。它尚有更多優(yōu)勢，就是穩健且安全的數據傳輸，以及非常高的能量效率。

　　這些功能使藍牙mesh成為許多應用領(lǐng)域的完美網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，例如樓宇自動(dòng)化、傳感器網(wǎng)絡(luò )、工業(yè)制造或貨物跟蹤。一般而言，藍牙mesh適用于需要在多個(gè)設備之間進(jìn)行最少數據通信的所有應用。

　　2 藍牙mesh是如何工作的

　　藍牙mesh與消息傳遞系統一起工作，根據發(fā)布和訂閱原則分發(fā)消息。將消息發(fā)送到具有特定地址的設備稱(chēng)為發(fā)布。訂閱是為設備分配特定地址的設備配置。然后，這臺設備只能接收到發(fā)送到特定地址的消息。示例：大廳照明安裝有藍牙mesh，所有燈泡都配置為接收“大廳照明”訂閱，如果通過(guò)BT mesh開(kāi)關(guān)將“開(kāi)”消息發(fā)送到“大廳照明”地址，系統就會(huì )打開(kāi)所有訂閱了“大廳照明”的燈泡。

　　藍牙mesh中的數據傳輸稱(chēng)為“泛洪(flooding)”，這意味著(zhù)通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )把消息發(fā)到從站(接收器)的過(guò)程中沒(méi)有特殊的路由。消息將發(fā)送到范圍內的所有設備，然后轉發(fā)，直到它到達正確的從站。

　　由于網(wǎng)絡(luò )參與者數量密集，因此可以克服先前需要使用較慢且未全局標準化的1 GHz以下技術(shù)的障礙。即使發(fā)送初始消息的設備(主設備)不在無(wú)線(xiàn)電傳輸的范圍內，該消息仍然可到達正確的從設備。如果參與者密度已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò )足夠狹窄，連接也可以得到冗余的保證，這就是即使單個(gè)參與者不再用作中繼，數據仍然可以找到其目的地的原因。這種自我修復功能使藍牙mesh成為最可靠的網(wǎng)絡(luò )之一，并確保其首次在工業(yè)中得到廣泛的應用。

　　藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中的設備稱(chēng)為節點(diǎn)，共有四種不同類(lèi)型的節點(diǎn)，除了發(fā)送和接收，還提供如下其他功能。

　　?中繼節點(diǎn)：它們將收到的消息轉發(fā)到下一個(gè)設備，消息傳輸功能使用所謂的“跳躍”，藍牙mesh最多支持127次跳躍。

　　?低功耗節點(diǎn)：某些設備(如傳感器)要求非常節能，低功率節點(diǎn)與稱(chēng)為“朋友”的一個(gè)或多個(gè)其他節點(diǎn)一起工作。

　　?朋友節點(diǎn)：這里有足夠的能量，例如：通過(guò)連接到主電源。這些朋友節點(diǎn)與低功率節點(diǎn)一起工作。朋友節點(diǎn)僅在低功率節點(diǎn)請求時(shí)為它們存儲并轉發(fā)消息。

　　?代理節點(diǎn)：它們?yōu)闆](méi)有藍牙mesh堆棧的BLE設備提供GATT(通用屬性配置文件)接口，這還可以實(shí)現BLE mesh和普通BLE節點(diǎn)之間的通信。

　　在OSI層模型的接入層內，可以確定在接收到消息之后是否應該將確認信號(確認)發(fā)送回主設備。

　　3 藍牙mesh是否安全

　　建立具有許多設備的大型網(wǎng)絡(luò )，會(huì )給安全數據傳輸帶來(lái)巨大的風(fēng)險。因此，在開(kāi)發(fā)藍牙mesh時(shí)，安全性是首要任務(wù)。為此，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)概述了嚴格的規范。藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中的所有安全功能都是強制性的。

　　但是，由以色列理工學(xué)院(Israel Institute of Technology)的研究人員發(fā)現的藍牙安全簡(jiǎn)單配對和BLE安全連接中的安全漏洞也會(huì )影響藍牙mesh，因為它是基于BLE堆棧的。某些受影響產(chǎn)品的供應商已提供固件更新或正在解決此問(wèn)題。儒卓力匯編了產(chǎn)品目錄中受影響藍牙產(chǎn)品的概述，以記錄可能的固件更新?tīng)顟B(tài)：rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status。

　　關(guān)鍵的安全功能如下。

　　?加密和身份驗證：所有藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )消息都經(jīng)過(guò)加密和身份驗證。

　　?關(guān)注點(diǎn)分離：藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中有三個(gè)不同的安全方面：應用程序、網(wǎng)絡(luò )和設備安全性，它們彼此獨立處理并擁有自己的安全密匙：

　?、賾贸绦蛎艹?AppKey)：這保護與特定應用程序有關(guān)的數據，例如照明或攝像頭。

　?、诰W(wǎng)絡(luò )密匙(NetKey)：網(wǎng)絡(luò )密鑰適用于網(wǎng)絡(luò )中的所有設備，從而確保安全的數據傳輸。

　?、墼O備密匙(DevKey)：每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)唯一的設備密鑰，這個(gè)安全密鑰可用于將設備添加到網(wǎng)絡(luò )中。

　　?區域隔離：藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )分為許多個(gè)子網(wǎng)，這些子網(wǎng)在加密方面各不相同，并且每個(gè)子網(wǎng)都是安全的。

　　?密匙刷新：在密匙刷新過(guò)程中，可以更改藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中的所有安全密匙。

　　?消息模糊處理：此數據隱私機制使得跟蹤網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)變得極其困難，因此幾乎不可能跟蹤發(fā)送的消息。

　　?重放攻擊保護：安全功能可保護網(wǎng)絡(luò )免受重放攻擊(身份盜用：先前收集的數據用于身份驗證和接入控制)。

　　?垃圾桶攻擊防護：可以通過(guò)防止垃圾桶攻擊(從無(wú)效節點(diǎn)讀取重要的網(wǎng)絡(luò )信息)的方式，安全地從網(wǎng)絡(luò )中刪除節點(diǎn)。

　　?安全設備配置：可以在安全的過(guò)程中將新節點(diǎn)添加到藍牙mesh網(wǎng)絡(luò )中。

　　4 結論

　　所有這些廣泛的安全功能，使藍牙mesh成為需要在多個(gè)設備之間低數據速率通信的應用的理想解決方案。而且，藍牙mesh適用于新的應用領(lǐng)域，比如預測性維護或智能農業(yè)/農業(yè)。在裝配線(xiàn)中實(shí)施無(wú)線(xiàn)傳感器mesh網(wǎng)絡(luò )可以在機器發(fā)生故障之前及時(shí)向維護人員發(fā)出警告?；蛘?，通過(guò)在農業(yè)中使用mesh網(wǎng)絡(luò )，土壤和空氣濕度或溫度等數據可以直接傳輸到智能手機，而無(wú)需網(wǎng)關(guān)。藍牙mesh技術(shù)還可以更有效地使用水和肥料，減少農藥的使用：只有在測量值低于某一限值時(shí)才采取適當的措施。在智能家居領(lǐng)域，燈可以配備傳感器，當有人在附近時(shí)進(jìn)行注冊，確保僅在這種情況下燈才會(huì )打開(kāi)。藍牙mesh甚至可以用于體育活動(dòng)：運動(dòng)員鞋中集成的傳感器可以記錄運動(dòng)性能數據，然后通過(guò)藍牙mesh主裝置從一名運動(dòng)員傳輸到下一名運動(dòng)員，直到這些數據傳輸到教練處，隨后教練可以評估數據。

　　另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)際環(huán)境對于BLE mesh技術(shù)并不重要。由于mesh規格1.0及更高版本完全滿(mǎn)足工業(yè)要求，因此可以想象到無(wú)數的應用領(lǐng)域：無(wú)論是在醫院、工廠(chǎng)、辦公室、大學(xué)還是私人住宅中。藍牙mesh非常值得業(yè)界關(guān)注，因為大量設備之間安全、穩健的無(wú)線(xiàn)通信，能夠用于實(shí)現各種嶄新應用。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第15頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處