芯耀
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作者：張慧 金陳瀟帥
隨著藍牙低功耗（BLE）技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）行業(yè)快速普及，涌現(xiàn)出傳感器、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等典型應(yīng)用，但隨著智能家居領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，藍牙設(shè)備進行一對一的數(shù)據(jù)通信已逐漸無法滿足智能家居設(shè)備連接的需求，因此，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth Special Interest Group）于2017年7月發(fā)布藍牙網(wǎng)狀標準，支持多對多拓撲（類似網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)），多個藍牙設(shè)備可以互相發(fā)送消息并可以作為中繼將消息轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備。
相較于WiFi技術(shù)，藍牙m(xù)esh技術(shù)具有傳輸距離廣、擺脫中心節(jié)點依賴、支持多對多拓撲、支持單節(jié)點故障自我修復等特點。隨著近年來智能家居領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，各種低功耗傳感器如雨后春筍般出現(xiàn)在智能家居市場上，藍牙m(xù)esh技術(shù)的特點正好彌補了傳統(tǒng)藍牙的不足，因此可以預見在未來的市場上，藍牙m(xù)esh技術(shù)在通信，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用。
Part 01●??藍牙m(xù)esh技術(shù)特點?●
- 支持多對多拓撲
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)采用一種稱為“網(wǎng)絡(luò)泛洪（flooding）”的方式進行發(fā)布和中繼消息，可實現(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點和多個節(jié)點的連接及消息互通。
- 擴展物理區(qū)域覆蓋
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)擺脫節(jié)點只能下掛在網(wǎng)關(guān)或主路由下的束縛，還可作為中繼節(jié)點、朋友節(jié)點的角色，支持對終端設(shè)備消息中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)“接力傳輸”，克服WiFi技術(shù)較遠距離的設(shè)備消息互通及覆蓋等困難。
- 去除中心節(jié)點依賴
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)進行消息傳遞，不會通過某一特定路線、特定設(shè)備或某一固定過程進行消息路由，因此，可擺脫中心節(jié)點（例如：網(wǎng)關(guān)、主路由設(shè)備等）的依賴。
- 支持自我修復
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中單一節(jié)點故障或異常無法進行通信，會進行自動自我配置，通過其他正常工作節(jié)點傳遞或中繼消息，從而實現(xiàn)單點故障自我修復。
Part 02●??藍牙m(xù)esh技術(shù)原理?●
藍牙m(xù)esh技術(shù)的原理和設(shè)計主要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、拓撲及節(jié)點、地址劃分三方面進行體現(xiàn)，以下將以這三個方面為切入點，剖析藍牙技術(shù)原理。
1?? 藍牙m(xù)esh技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，藍牙m(xù)esh是工作在BLE協(xié)議棧之上，使用相同的物理層和鏈路層。
圖1 藍牙m(xù)esh協(xié)議棧示意圖
自上而下，藍牙m(xù)esh協(xié)議棧分別為：模型層（Model Layer）、基礎(chǔ)模型層（Foundation Model Layer）、訪問層（Access Layer）、上層傳輸層（Upper Transport Layer）、底層傳輸層（Lower Transport Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、承接層（Bearer Layer）。其中，藍牙m(xù)esh協(xié)議棧各層作用為：模型層定義用戶場景/應(yīng)用，基礎(chǔ)模型層配置管理mesh，訪問層定義應(yīng)用如何利用上下文數(shù)據(jù)，上層傳輸層對應(yīng)用數(shù)據(jù)加密及解密，底層傳輸層對數(shù)據(jù)分段及重組，網(wǎng)絡(luò)層進行網(wǎng)絡(luò)管理，承接層進行廣播/GATT承載。
2?? 藍牙m(xù)esh拓樸及節(jié)點
圖2 藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)拓撲
藍牙m(xù)esh支持多對多通信，因此在具有較多設(shè)備的場景下，藍牙m(xù)esh一般為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如上圖所示，在藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)拓撲中，一般存在這四類節(jié)點類型：
（1）藍色節(jié)點代表普通終端節(jié)點，不能對藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中消息進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，直接從藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中進行消息的接收和發(fā)送；
（2）紅色節(jié)點為中繼節(jié)點，用于消息的中繼，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)消息的遠距離傳輸；
（3）紫色節(jié)點代表朋友節(jié)點，用于低功耗節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)間傳遞消息；
（4）黃色節(jié)點代表低功耗節(jié)點，通過朋友節(jié)點進行消息的接收或轉(zhuǎn)發(fā)，這類節(jié)點一般是低功耗傳感器，采用電池供電，因此會存在休眠機制。
藍牙m(xù)esh技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)泛洪（flooding）的信息傳遞機制，所有信息一旦由節(jié)點發(fā)布后，就會廣播到網(wǎng)絡(luò)上，而非透過路由方式傳遞給一個或多個節(jié)點。而WiFi網(wǎng)絡(luò)是圍繞著一個中央節(jié)點(例如網(wǎng)關(guān)、路由器等設(shè)備)來進行消息上下行，所有網(wǎng)絡(luò)流量都會經(jīng)過此處，萬一中央節(jié)點故障，整個網(wǎng)絡(luò)就跟著停擺。藍牙m(xù)esh技術(shù)可有效去除中心化，擺脫對中心節(jié)點依賴。
3?? 藍牙m(xù)esh地址劃分
藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)層定義了四種基本類型的地址：未分配地址、單播地址、虛擬地址、組播地址，其中，地址長度為16位。地址詳細分類如下表所示：
（1）未分配地址
未分配地址是尚未被配置的節(jié)點元素的地址或未分配的地址。未分配地址的值為0x0000。例如:可以通過將模型的發(fā)布地址設(shè)置為未分配地址來禁用模型的消息發(fā)布，未分配地址不得用于消息的源或目標地址字段。
（2）單播地址
單播地址是分配給每個元素的唯一地址，單播地址的值不能為0x0000，可取值范圍為0x0001到0x7FFF。在配網(wǎng)階段，配置器會在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的生命周期內(nèi)為節(jié)點的每個元素分配單播地址，該地址可以由配置器取消分配，允許重復利用。
（3）虛擬地址
虛擬地址表示一組目標地址，每個虛擬地址在邏輯上代表一個標簽UUID，一個或多個元素可以配置發(fā)布或訂閱同一個標簽UUID。標簽UUID不會被傳輸，應(yīng)該用做上層傳輸層中消息完整性校驗值的附加數(shù)據(jù)字段。虛擬地址的取值范圍為0x8000到0xBFFF。
（4）組播地址
將0或多個元素的地址配置成同一地址，該地址就為組播地址。組播地址從0xFF00到0xFFFF保留給固定的用途，0XC000到0xFEFF用于其他用途。組播地址只能在消息的目標地址字段中使用，發(fā)送給組播地址的消息會被訂閱這個組播地址的所有模型實體接收。
Part 03●??藍牙m(xù)esh在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用?●
在智能家居市場上，藍牙m(xù)esh的應(yīng)用主要集中在給智能家居設(shè)備配網(wǎng)和管控智能家居設(shè)備兩大場景。
所謂藍牙m(xù)esh配網(wǎng)就是通過配置將設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中，使其成為藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的一部分。藍牙m(xù)esh配網(wǎng)，主要涉及到未配網(wǎng)設(shè)備（Unprovisioned Device）、配網(wǎng)器（provisioner）、mesh節(jié)點（mesh Node）三個角色。如下圖所示，將未配網(wǎng)設(shè)備經(jīng)過信標階段、邀請階段、交換公鑰階段、身份認證階段、分發(fā)配網(wǎng)數(shù)據(jù)階段5個階段后，即可接入藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)消息的互聯(lián)互通。
圖3 藍牙m(xù)esh配網(wǎng)流程圖
對于管控智能家居設(shè)備，即可通過節(jié)點間消息互傳、廣播等實現(xiàn)同時對多個智能家居設(shè)備的管控，并且可以支持遠程控制和本地控制，相較于在WiFi網(wǎng)絡(luò)下同時管控多個設(shè)備，藍牙m(xù)esh管控方式響應(yīng)速度更快并且對網(wǎng)絡(luò)負載更小。
圖4 藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個設(shè)備管控
綜合Part1~Part3所述，藍牙m(xù)esh技術(shù)擁有支持多點對多點連接、物理覆蓋區(qū)域廣闊、去除中心節(jié)點依賴等特性，既然滿足了智能家居設(shè)備日益增長的互聯(lián)互通的需求，又克服了現(xiàn)有WiFi技術(shù)無法解決的困難，為物聯(lián)網(wǎng)適配不同場景提供了新的解決方案。
