藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)相關(guān)知識(shí)詳解

低功耗藍(lán)牙

低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）是一項(xiàng)相當(dāng)成功的無線技術(shù)。如今已經(jīng)很難找到不支持低功耗藍(lán)牙的智能手機(jī)或平板電腦了?？梢哉f它是可穿戴技術(shù)興起的關(guān)鍵因素。在醫(yī)療設(shè)備、智能家居設(shè)備、傳感器等很多設(shè)備中，低功耗藍(lán)牙的身影隨處可見。

目前有數(shù)十億支持低功耗藍(lán)牙的設(shè)備已投入使用。那么，這些設(shè)備都能成為藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的一員嗎？這也是本文將會(huì)回答的問題。知道你已經(jīng)迫不及待，早想對(duì)著電腦屏幕、平板電腦或手機(jī)大喊“天吶，快告訴我吧！”, 我就不賣關(guān)子啦：

答案就是YES。

低功耗藍(lán)牙設(shè)備只要具有正確的低功耗藍(lán)牙功能和一些附加軟件，就能加入藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中。以智能手機(jī)為例，可能只需要一個(gè)可以與藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)對(duì)話的普通應(yīng)用程序（App）就足夠了。換句話說，這是任何開發(fā)者都能編寫的應(yīng)用程序。

未來充滿無限可能性，現(xiàn)在就讓我們一探究竟吧！

承載層（bearer layer）

要了解非mesh低功耗藍(lán)牙設(shè)備如何成為藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的一員，我們需要回顧一下藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧（見 ）。

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)采用低功耗藍(lán)牙作為其射頻通信協(xié)議棧。而具體如何使用，則是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧最底層的承載層需要負(fù)責(zé)的工作。

目前定義了兩個(gè)承載層：廣播承載層 (advertising bearer)和GATT承載層 (GATT bearer)。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備默認(rèn)使用的是廣播承載層，它負(fù)責(zé)在低功耗藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)包內(nèi)收發(fā)藍(lán)牙m(xù)esh數(shù)據(jù)包。

具有低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧、能夠進(jìn)行廣播和掃描的設(shè)備具有基本的、必備的低功耗特性，因此能夠支持廣播承載層、乃至完整的藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

既不支持也無法升級(jí)使用廣播承載層的設(shè)備，則必須使用GATT承載層。使用GATT承載層時(shí)需要將藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）封裝在代理協(xié)議（Proxy Protocol）中，我們將在下文中對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

節(jié)點(diǎn)與特性

成為藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中一員的設(shè)備被稱為節(jié)點(diǎn)(Node)。很多種產(chǎn)品類型都能夠成為節(jié)點(diǎn)：照明燈、燈具開關(guān)、溫控器、窗鎖、占用傳感器等。然而，無論產(chǎn)品類型如何，節(jié)點(diǎn)都可能提供某些超出其產(chǎn)品本身功能的特定藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)格定義了節(jié)點(diǎn)可能擁有的特性。具有這些特性中的一個(gè)或多個(gè)，即表示節(jié)點(diǎn)可以在網(wǎng)絡(luò)中扮演相應(yīng)的特殊角色。定義的特性包括：

代理節(jié)點(diǎn)（Proxy Node）

非mesh低功耗藍(lán)牙設(shè)備成為藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)成員的過程中，代理節(jié)點(diǎn)是關(guān)鍵。代理節(jié)點(diǎn)的根本目的是執(zhí)行承載層轉(zhuǎn)換。它能夠?qū)崿F(xiàn)從廣播承載層到GATT承載層的轉(zhuǎn)換，反之亦然。因此，不支持廣播承載層的設(shè)備可通過GATT連接來收發(fā)各類藍(lán)牙m(xù)esh消息。

節(jié)點(diǎn)可通過在特性字段中設(shè)置代理特性位（proxy feature bit），來表示自身可用作代理節(jié)點(diǎn)。特性字段是所有節(jié)點(diǎn)都具有的成分?jǐn)?shù)據(jù)狀態(tài)的一部分。

藍(lán)牙m(xù)esh代理服務(wù)

代理節(jié)點(diǎn)(Proxy Node)可實(shí)施稱為mesh代理服務(wù)的GATT服務(wù)，即本文中的“代理服務(wù)器(Proxy Server)”。mesh代理服務(wù)包含兩個(gè)GATT特性：mesh代理數(shù)據(jù)輸入和mesh代理數(shù)據(jù)輸出。代理客戶端(Proxy Client) 使用“GATT Write Without Response”子程序，將代理協(xié)議（見下圖）PDU寫入mesh代理數(shù)據(jù)輸入特性，并從GATT通知中的mesh代理數(shù)據(jù)輸出特性接收代理協(xié)議PDU。這就是互聯(lián)GATT設(shè)備通過代理節(jié)點(diǎn)在藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的機(jī)制。

發(fā)現(xiàn)代理節(jié)點(diǎn)

低功耗藍(lán)牙設(shè)備使用GAP廣播來幫助其他設(shè)備發(fā)現(xiàn)自己。藍(lán)牙m(xù)esh代理節(jié)點(diǎn)使用完全相同的技術(shù)，即通過“GAP可連接型廣播（connectable advertising）數(shù)據(jù)包”，對(duì)自身的可用性、可作為代理節(jié)點(diǎn)的角色、及其身份進(jìn)行廣播。

GAP廣播數(shù)據(jù)包中包含各類字段，稱為廣播類型（AD Type）。核心規(guī)格附錄中對(duì)廣播類型進(jìn)行了定義。代理節(jié)點(diǎn)會(huì)在廣播數(shù)據(jù)包中包含以下字段：

服務(wù)數(shù)據(jù)廣播類型的內(nèi)容還需經(jīng)過進(jìn)一步檢查。

網(wǎng)絡(luò)ID是從網(wǎng)絡(luò)密鑰（NetKey – 參照《解密藍(lán)牙m(xù)esh系列 | 第六篇》）派生而來的唯一公共標(biāo)識(shí)符。節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)由代理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)的單播地址和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符的組合派生而來，例如啟用該標(biāo)識(shí)的子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)ID。

如果代理服務(wù)器是多個(gè)子網(wǎng)的成員，則它將對(duì)包含每個(gè)子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)ID廣播數(shù)據(jù)包進(jìn)行交替操作，每次處理一個(gè)廣播數(shù)據(jù)包。

節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)廣播的主要用途是將啟動(dòng)配置設(shè)備（Provisioner）快速連接至剛剛完成啟動(dòng)配置的節(jié)點(diǎn)，從而完成新節(jié)點(diǎn)的配置。

代理協(xié)議

代理客戶端和代理服務(wù)器使用代理協(xié)議進(jìn)行通信，并向?qū)Ψ桨l(fā)送代理PDU。這些PDU就像是存放各類藍(lán)牙m(xù)esh PDU的容器。

藍(lán)牙m(xù)esh接入消息使用核心藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧，因此消息包含在網(wǎng)絡(luò)PDU內(nèi)。網(wǎng)絡(luò)PDU可被封裝在代理PDU中。

藍(lán)牙m(xù)esh配置文件規(guī)格中定義了各種Beacon，包括未經(jīng)啟動(dòng)配置的設(shè)備Beacon、以及安全網(wǎng)絡(luò)Beacon?？赏ㄟ^代理協(xié)議將藍(lán)牙m(xù)esh Beacon納入網(wǎng)絡(luò)。

啟動(dòng)配置過程涉及其自身協(xié)議，且啟動(dòng)配置PDU也可在代理PDU內(nèi)進(jìn)行交換。

最后，代理客戶端和代理服務(wù)器可以交換特殊的代理配置消息，這些消息也可被封裝于代理PDU中。

大多數(shù)類型的mesh數(shù)據(jù)可使用代理協(xié)議進(jìn)行交換，因此可通過連接至代理節(jié)點(diǎn)的GATT客戶端進(jìn)行收發(fā)。

不同設(shè)備代理PDU的大小各異，PDU的大小是根據(jù)低功耗藍(lán)牙屬性協(xié)議（ATT）的最大傳輸單元（MTU）進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置的，這是通過GATT連接來傳輸代理PDU的基礎(chǔ)。此外，代理協(xié)議可以將完整的藍(lán)牙m(xù)esh消息封裝在代理PDU或多段消息的各個(gè)段中，借此來容納較長(zhǎng)的藍(lán)牙m(xù)esh消息。

需要注意的一點(diǎn)是，任何藍(lán)牙m(xù)esh節(jié)點(diǎn)（而非只有代理節(jié)點(diǎn)）都可以實(shí)施代理協(xié)議，從而支持基于GATT連接的直接交互。這在啟動(dòng)配置（provisioning）場(chǎng)景中非常有用。

關(guān)于代理協(xié)議的更多信息，包括代理PDU的格式，可參考藍(lán)牙m(xù)esh配置文件規(guī)格: 。

代理過濾器和代理配置

代理客戶端可通過對(duì)代理服務(wù)器所應(yīng)用的過濾器進(jìn)行配置，對(duì)接收到的網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行精確的控制。過濾器采用白名單和黑名單的形式，同時(shí)這些名單會(huì)指定各自的目標(biāo)地址列表。列表中的地址可能是其所支持的地址類型的任意組合，即單播、群組或虛擬地址。如果消息的目標(biāo)地址未包含在白名單過濾器中，則消息會(huì)被代理服務(wù)器的代理過濾器（Proxy Filter）濾掉。同樣，如果消息的目的地包含在黑名單過濾器中，也會(huì)被濾過。

代理配置（Proxy Configuration）消息在代理客戶端和代理服務(wù)器之間進(jìn)行交換，并實(shí)現(xiàn)代理過濾器的配置。

使用低功耗藍(lán)牙智能手機(jī)或平板電腦啟動(dòng)配置

通常使用智能手機(jī)或平板電腦執(zhí)行啟動(dòng)配置流程，以將新設(shè)備添加至藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)此類設(shè)備不會(huì)實(shí)施完整的藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，而且與藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的所有交互（包括啟動(dòng)配置）都很可能會(huì)使用代理協(xié)議。如前所述，啟動(dòng)配置PDU可被封裝于代理PDU中，因此可通過代理服務(wù)器節(jié)點(diǎn)、利用GATT連接進(jìn)行交換。藍(lán)牙m(xù)esh配置文件規(guī)格中將采用代理協(xié)議的啟動(dòng)配置協(xié)議稱為PB-GATT。

在上期中介紹了啟動(dòng)配置流程，本系列后續(xù)文章中將進(jìn)一步深挖有關(guān)啟動(dòng)配置安全性的細(xì)節(jié)問題。

借助代理節(jié)點(diǎn)使用代理協(xié)議時(shí)需要注意什么？

智能手機(jī)等設(shè)備要想通過代理節(jié)點(diǎn)、借助代理協(xié)議與藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)通信，則必須掃描并連接至代理節(jié)點(diǎn)。換句話說，它必須支持GAP中央設(shè)備的角色。

此外，必須首先對(duì)智能手機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)配置。如果未經(jīng)啟動(dòng)配置，任何設(shè)備都無法與藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。

結(jié)論

通過GATT、代理協(xié)議和藍(lán)牙m(xù)esh代理節(jié)點(diǎn)對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)上的低功耗藍(lán)牙設(shè)備提供支持，這絕對(duì)值得上新聞?lì)^條了！它為人們手中已有的海量設(shè)備打開了通往藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)世界的大門，光是想想就覺得令人興奮了呢！你也有同感嗎？留言告訴我吧~