詳細(xì)解讀藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及基本概況

藍(lán)牙技術(shù)是享譽全球的品牌之一，也是全世界應(yīng)用最為普遍的無線通信技術(shù)之一。從2000年到現(xiàn)在，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)十億臺設(shè)備。就2016年而言，制造商的藍(lán)牙設(shè)備出貨量更是超過30億臺。

藍(lán)牙的創(chuàng)新步伐從未停止。自面世以來，每一次改進都系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)，緊跟市場需求，一直支持和鼓勵創(chuàng)新。

藍(lán)牙技術(shù)令人驚嘆的故事還在繼續(xù)著，藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)翻開了最新篇章，150家藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟會員公司都參與了mesh的創(chuàng)建。

風(fēng)格 OR 特性

對藍(lán)牙技術(shù)感興趣的朋友一定有這樣的習(xí)慣：定期查看藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟采用的新版本。

通常，新版本為藍(lán)牙提供附加特性，或者以某種方式改進現(xiàn)有功能。不管怎么說，藍(lán)牙全新的“風(fēng)格”已經(jīng)面世；一款風(fēng)格出眾的藍(lán)牙技術(shù)變體，將以完全不同的方式利用無線電，并針對一系列廣泛的用例設(shè)計和應(yīng)用進行了優(yōu)化。

藍(lán)牙基礎(chǔ)速率/ 增強資料速率（BR / EDR）是藍(lán)牙發(fā)布的第一款風(fēng)格，旨在替代纜線連接，很快就成為無線音頻市場的主宰，并推動了新型計算機外設(shè)（如無線鼠標(biāo)和鍵盤）的發(fā)展。

藍(lán)牙基礎(chǔ)速率/ 增強資料速率（BR / EDR）

引發(fā)無線個人音頻變革

隨后登場的是低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）。它經(jīng)過優(yōu)化，極大程度地減少了設(shè)備功耗，僅使用硬幣大小的電池就能實現(xiàn)無線操作和通信，運行數(shù)年不在話下。

低功耗藍(lán)牙現(xiàn)已被廣泛采用。如今很難找到不支持低功耗藍(lán)牙的智能手機或平板電腦。健康、運動和健身器材，如運動追蹤設(shè)備、以及智能手表等可穿戴設(shè)備，都有賴于低功耗藍(lán)牙技術(shù)。這一款藍(lán)牙風(fēng)格可謂影響深遠(yuǎn)。

低功耗藍(lán)牙是推動可穿戴設(shè)備發(fā)展的重要技術(shù)

“那么藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)是藍(lán)牙的全新風(fēng)格呢？還是新特性呢？”

其實兩者都不是。現(xiàn)在就讓我們來深入探討一下這項驚人的、全新的藍(lán)牙技術(shù)，同時了解mesh與藍(lán)牙其他形式之間的關(guān)系和自身工作原理。

三大重要技術(shù)

藍(lán)牙BR / EDR和低功耗藍(lán)牙是智能手機等設(shè)備上的常用技術(shù)，但是它們不會互相依賴對方的服務(wù)和功能。針對所有的意圖和目的，這兩款風(fēng)格的藍(lán)牙技術(shù)都能彼此獨立工作。事實上，雖然他們能在同一臺設(shè)備上很好地共存，但是使用藍(lán)牙BR / EDR的設(shè)備與低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間卻無法進行通信。對于它們來說，有彼此相伴固然開心，但彼此之間卻沒有對話。

相比之下，藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)使用、并且依賴于低功耗藍(lán)牙。低功耗藍(lán)牙技術(shù)是藍(lán)牙m(xù)esh使用的無線通信協(xié)議棧。

“藍(lán)牙m(xù)esh并非無線通信技術(shù)，而是一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)?！?/p>

下圖顯示了藍(lán)牙BR / EDR、低功耗藍(lán)牙和藍(lán)牙m(xù)esh之間的關(guān)系。

藍(lán)牙m(xù)esh和低功耗藍(lán)牙之間的關(guān)系

關(guān)于拓?fù)?/p>

從最基本的層面來講，藍(lán)牙BR / EDR能夠?qū)崿F(xiàn)一臺設(shè)備到另一臺設(shè)備的連接和通信，建立“一對一”的關(guān)系，大多數(shù)人所熟悉的“配對”（pairing）一詞就是這個意思。一些設(shè)備能夠與其他設(shè)備建立多重“一對一”通信關(guān)系，并形成一種稱為“微微網(wǎng)”（piconet）的hub/spoke拓?fù)?。

藍(lán)牙BR / EDR和一對一拓?fù)?/p>

低功耗藍(lán)牙設(shè)備還能與其他設(shè)備形成“一對一”和hub/spoke關(guān)系，以無連接方式進行工作，其廣播的數(shù)據(jù)，位于直接無線電傳輸圍內(nèi)的任何其他設(shè)備都可接收。這是“一對多”（1：m）的拓?fù)?，其中m可以是一個非常大的數(shù)量！如果接收廣播的設(shè)備本身不進行數(shù)據(jù)傳輸，那么廣播設(shè)備的無線電頻譜就僅僅是針對自己而言的，同時對于能夠接收和利用其廣播的其他設(shè)備數(shù)量沒有明確的限制。藍(lán)牙Beacon是這項功能的一個絕佳案例。

低功耗藍(lán)牙和廣播

藍(lán)牙m(xù)esh能讓我們建立無線設(shè)備之間的“多對多”（m:m）關(guān)系。此外，設(shè)備能夠?qū)?shù)據(jù)中繼到不在初始設(shè)備直接無線電覆蓋范圍內(nèi)的其他設(shè)備。這樣，mesh網(wǎng)絡(luò)就能夠跨越非常大的物理區(qū)域，并包含大量設(shè)備。

藍(lán)牙 mesh網(wǎng)絡(luò)和多對多拓?fù)?/p>

mesh網(wǎng)絡(luò)的動機

對于滿足日益普及的各種通信需求，mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能提供最佳的方式，因此藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運而生，典型的應(yīng)用包括樓宇自動化和傳感器網(wǎng)絡(luò)等。這些通信需求包括：

覆蓋面積廣

“直聯(lián)互通性”

監(jiān)測和控制大量設(shè)備的能力

經(jīng)優(yōu)化的、低功耗的

有效利用無線電資源，有可擴展性

與當(dāng)前市場上的智能手機、平板電腦和個人電腦產(chǎn)品兼容

符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有政府級安全性

雖然還有其他支持mesh拓?fù)涞牡凸臒o線通信技術(shù)，但我們會員公司的很多反饋顯示，這些技術(shù)存在約束和限制，而且對于他們正在嘗試解決的各種問題和希望創(chuàng)建的產(chǎn)品類型來說，也并非最佳選擇。其他類似技術(shù)的問題包括低數(shù)據(jù)傳輸速率、在mesh上中繼數(shù)據(jù)時的“跳數(shù)”限制、通常由無線電信道使用方式引起的可擴展性限制、以及按步驟更改mesh網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備組成的過程中出現(xiàn)的困難和延遲。

通常來說，其他mesh技術(shù)無法被標(biāo)準(zhǔn)智能手機、平板電腦和PC設(shè)備所支持，這是一個主要的限制因素。

創(chuàng)建符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的、基于低功耗藍(lán)牙的mesh通信技術(shù)，就有可能滿足他們的要求，同時沒有相關(guān)的限制和約束。畢竟，互通性和能效是低功耗藍(lán)牙最突出的特性。

以消息為中心的通信

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)使用發(fā)布/訂閱 (publish/subscribe)消息系統(tǒng)。

設(shè)備可以將消息發(fā)送至特定地址，這些地址的名稱和含義與用戶能夠理解的高級概念相對應(yīng)，如“花園燈”(Garden Lights)。這被稱為“發(fā)布”（publishing）。

設(shè)備經(jīng)配置后，可接收由其他設(shè)備發(fā)送到特定地址的消息。這被稱為“訂閱” (subscribing) 。

當(dāng)設(shè)備向特定地址發(fā)布消息時，訂閱該地址的所有其他設(shè)備將收到該地址的副本，對其進行處理，并以某種方式作出回應(yīng)。

想象一下花園里安裝的一套戶外燈, 每盞燈都已經(jīng)過配置，以便其訂閱“花園燈”消息。現(xiàn)在，想像一個藍(lán)牙m(xù)esh電燈開關(guān)向“花園燈”地址發(fā)送了“開”的消息。沒錯，花園里的所有燈都會收到“ON”消息，并做出開燈的回應(yīng)。

就是這么簡單！

消息和設(shè)備狀態(tài)

“狀態(tài)” (state) 是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的一個關(guān)鍵概念。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的每臺設(shè)備都具有一組獨立的狀態(tài)值，表示設(shè)備的某些狀態(tài)。在花園燈的示例中，每盞燈都有一個狀態(tài)值，表示設(shè)備當(dāng)前是處于打開或關(guān)閉狀態(tài)。通過發(fā)布一類在定義上意味著能夠回應(yīng)“開”或“關(guān)”狀態(tài)值的消息，來改變狀態(tài)值，藍(lán)牙m(xù)esh電燈開關(guān)就能對燈泡進行控制。更改狀態(tài)值會修改設(shè)備本身的物理狀況，例如打開或關(guān)閉設(shè)備。

消息、狀態(tài)、以及這些和其他概念相關(guān)的設(shè)備行為已被定義在規(guī)格中，稱為“模型”（modules）。模型由藍(lán)牙m(xù)esh設(shè)備實施。

在本系列的后續(xù)文章中，我們會繼續(xù)更加正式地討論設(shè)備、狀態(tài)、消息、狀態(tài)更改和模型。

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的基本概況

得益于mesh網(wǎng)絡(luò)，設(shè)備可以在非常廣闊的區(qū)域中安裝，同時彼此之間保持通信。想象一下購物中心、機場或辦公大樓的占地空間有多廣闊。因為存在墻壁和其他物理上的障礙物，樓宇中的設(shè)備可能無法與安裝在同一樓宇遠(yuǎn)側(cè)的設(shè)備、或臨近樓宇中的設(shè)備建立直接的無線連接。而藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)則能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)中的某些設(shè)備指定為“中繼設(shè)備”，進而解決這一難題。

中繼設(shè)備能夠轉(zhuǎn)發(fā)從其他設(shè)備接收到的消息。在轉(zhuǎn)發(fā)消息時，它們能夠與位于初始消息發(fā)布設(shè)備無線范圍以外的設(shè)備進行通信。消息可多次被中繼，每一次中繼即為一“跳”，最多可進行127跳，足以在一片廣闊的物理區(qū)域中進行消息傳輸。

藍(lán)牙 mesh網(wǎng)絡(luò)在節(jié)點之間中繼消息

管理型網(wǎng)絡(luò)泛洪（Managed Flooding）

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)采用一種稱為“網(wǎng)絡(luò)泛洪（flooding）”的方式來發(fā)布和中繼消息。這意味著消息不會通過某一進程進行路由, 也不會沿著由一系列特定設(shè)備構(gòu)成的特定路徑來進行傳輸。相反，傳輸范圍內(nèi)的所有設(shè)備都會接收消息，負(fù)責(zé)中繼的設(shè)備能將消息轉(zhuǎn)發(fā)至其傳輸范圍內(nèi)的所有其他設(shè)備。

“網(wǎng)絡(luò)泛洪”這項技術(shù)在使用中往往是利弊參半。在藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，我們對此進行了針對性的優(yōu)化，相信能夠揚長避短。

網(wǎng)絡(luò)泛洪的優(yōu)勢

網(wǎng)絡(luò)泛洪的優(yōu)勢在于無需特定設(shè)備專門扮演集中式路由器的角色。集中式路由器一旦發(fā)生故障，就可能會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)無法運行。沒有特定的路由也可能對網(wǎng)絡(luò)造成災(zāi)難性的影響，但這種情況也可以通過在mesh網(wǎng)絡(luò)中采用網(wǎng)絡(luò)泛洪的方法來避免。

網(wǎng)絡(luò)泛洪的方式也意味著消息一般能夠通過多重路徑到達其目的地。這就構(gòu)建了一個相當(dāng)可靠的網(wǎng)絡(luò)。

優(yōu)化mesh網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)也采取了一系列措施，支持采用網(wǎng)絡(luò)泛洪的方式，同時優(yōu)化每臺設(shè)備、甚至整體網(wǎng)絡(luò)的能耗。

所有數(shù)據(jù)包都包含一個稱為TTL的字段，它可用于限制消息中繼的跳數(shù)。由設(shè)備間歇性發(fā)送的心跳消息中包含的信息，能夠讓網(wǎng)絡(luò)了解其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、以及傳到其他每臺設(shè)備之間的跳數(shù)。這能夠讓設(shè)備將TTL設(shè)置為最佳值，從而避免不必要的中繼操作。

每臺設(shè)備都包含消息緩存，以確定自身是否已經(jīng)中繼過該消息。如果是，則會立即丟棄該消息，從而避免上層堆棧進行不必要的處理。

最有趣的是，功率非常受限的設(shè)備（例如由小型電池持續(xù)供電多年的傳感器）可能被指定為“低功耗節(jié)點”。低功耗節(jié)點能夠與一個或多個被指定為 “friends” 的設(shè)備協(xié)同工作。Friends并非功率受限，它可以作為低功耗節(jié)點，存儲尋址到這一低功耗節(jié)點的消息，并且只有在低功耗節(jié)點需要時才傳送消息。低功耗節(jié)點和“friends”之間的關(guān)系理所當(dāng)然就稱為“friendship”。

“Friendship”具體如何運轉(zhuǎn)?

下面我們從節(jié)能的角度來進行解讀。

低功耗設(shè)備通常將大部分時間用于傳輸數(shù)據(jù)，例如傳感器。每當(dāng)溫度低于或高于指定閾值時，傳感器才會發(fā)送溫度讀數(shù)，這種情況也許每天只會發(fā)生兩次。這種不頻繁的傳輸方案本身就使這類設(shè)備保持相當(dāng)?shù)偷哪芎摹?/p>

但如果傳感器需要不時地接收數(shù)據(jù)，又該怎么辦呢？

例如，可能它需要確保網(wǎng)絡(luò)中使用的安全密鑰始終處于最新狀態(tài)。或許需要根據(jù)季節(jié)修改這些溫度閾值，采用不同的值。要使傳感器直接接收消息，就需要開啟無線電，以便數(shù)據(jù)接收。但大多數(shù)時候它什么都接收不到，但能量卻會被消耗。

對設(shè)備來說，通過與“friends”的合作, 低功耗節(jié)點能夠以合理的頻率使用無線電來接收消息，但重要的是，相較于始終“聆聽”所有消息，它能夠以更低的頻率工作，同時確保發(fā)送來的罕見事件也不會被遺漏。

“Friends” 能幫助低功耗節(jié)點完成大量工作。它們能夠為所服務(wù)的低功耗節(jié)點存儲消息，并在低功耗節(jié)點明確要求的情況下向其提供消息，低功耗節(jié)點可按照自身的規(guī)劃進行操作，從而最有效地利用無線電。

市場上的藍(lán)牙設(shè)備支持

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)雖然推出不久，但低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）卻面世已久。

那么市場上數(shù)十億臺設(shè)備呢？智能手機和平板電腦呢？它們能否訪問藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)？

低功耗藍(lán)牙設(shè)備和mesh支持

幸運的是，答案是YES！

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)會指定一臺設(shè)備來扮演代理節(jié)點（proxy node）的角色。代理節(jié)點包含一項標(biāo)準(zhǔn)：低功耗藍(lán)牙GATT服務(wù)，具有兩個GATT特性，分別是mesh代理數(shù)據(jù)輸入(Mesh Proxy Data In)和mesh代理數(shù)據(jù)輸出(Mesh Proxy Data Out)。諸如智能手機等低功耗藍(lán)牙設(shè)備均可使用這些特性，與mesh網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

這種mesh規(guī)格定義了一種代理協(xié)議（proxy protocol），同時通過代理節(jié)點的兩個GATT特性交換的數(shù)據(jù)中包含代理協(xié)議PDU。

安全性

安全性是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的核心，并且強制使用。

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中強制性使用安全性

每個數(shù)據(jù)包都經(jīng)過加密和認(rèn)證。通過合理使用序列號能夠防止中繼攻擊。在重要流程中使用不對稱加密技術(shù)可防止中間人（Man-in-the-middle）攻擊。同時針對利用廢棄設(shè)備的垃圾桶攻擊提供保護。必要時還會刷新安全密鑰。

“安全分級考量”（Separation of Concerns）是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)安全性中體現(xiàn)的重要原則。網(wǎng)絡(luò)的安全性，以及諸如照明、供暖、或?qū)嶓w建筑安全等個別應(yīng)用的安全性彼此獨立?？墒褂貌煌陌踩荑€來保護網(wǎng)絡(luò)層操作，例如中繼、或保護特定應(yīng)用的消息內(nèi)容。論其結(jié)果，舉例來說，由于燈泡和照明開關(guān)具有相同的應(yīng)用密鑰，因此燈泡能夠全面訪問照明開關(guān)所發(fā)送消息中的數(shù)據(jù)。但是，盡管相同的燈泡能夠?qū)碜运{(lán)牙物理訪問令牌的消息中繼到前門中的鎖，卻無法閱讀那些消息應(yīng)用層的內(nèi)容。

協(xié)議棧

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)引入了全新的協(xié)議棧。如之前所述，這一協(xié)議棧建立在低功耗藍(lán)牙技術(shù)之上。下圖描繪了協(xié)議棧的層級。

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

該規(guī)格是深入了解各層責(zé)任的最佳方式。為幫助您更好地了解其工作原理，以下列出了協(xié)議棧各層負(fù)責(zé)的工作：

承載層（bearer layer）：承載層定義了如何使用底層低功耗堆棧傳輸PDU。目前定義了兩個承載層：廣播承載層（Advertising Bearer）和GATT承載層。

網(wǎng)絡(luò)層（network layer）：網(wǎng)絡(luò)層定義了各種消息地址類型和網(wǎng)絡(luò)消息格式。中繼和代理行為通過網(wǎng)絡(luò)層實施。

底層傳輸層（lower transport layer）：在需要之時，底層傳輸層能夠處理PDU的分段和重組。

上層傳輸層（upper transport layer）：負(fù)責(zé)對接入層進出的應(yīng)用數(shù)據(jù)進行加密、解密和認(rèn)證。它還負(fù)責(zé)稱為“傳輸控制消息”（transport control messages）這一特殊的消息，包括與“friendship”相關(guān)的心跳和消息。

接入層（access layer）：負(fù)責(zé)應(yīng)用數(shù)據(jù)的格式、定義并控制上層傳輸層中執(zhí)行的加密和解密過程，并在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)議棧之前，驗證接收到的數(shù)據(jù)是否適用于正確的網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用。

基礎(chǔ)模型（foundation models）：基礎(chǔ)模型層負(fù)責(zé)實現(xiàn)與mesh網(wǎng)絡(luò)配置和管理相關(guān)的模型。

模型（models）：模型層與模型等的實施、以及諸如行為、消息、狀態(tài)等的實施有關(guān)。

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的未來

我們期待藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)和各種應(yīng)用，預(yù)計最初會從樓宇自動化、商業(yè)照明和傳感器網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用開始。尤其令人興奮的是藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)在商業(yè)照明方面的應(yīng)用。試想一下，有了正確的固件，照明系統(tǒng)能實現(xiàn)的就不僅是無線燈光控制，還能夠成為樓宇中各種藍(lán)牙服務(wù)的平臺，如物資跟蹤和定位服務(wù)！