Mesh網(wǎng)絡(luò)增強藍牙無線IoT的地位

作者/P?r H?kansson Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷經(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(chǔ)技術(shù)已經(jīng)取得重大進展，但它仍然存在一個弱點：因為它主要用于支持電池供電的外設(shè)與智能手機等中央設(shè)備的通信，該技術(shù)無法支持mesh網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)在，藍牙m(xù)esh 1.0規(guī)范消除了這個弱點。

　　Mesh網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備(節(jié)點)相互通信而無需中央樞紐設(shè)備，如果需要，可以經(jīng)由其它節(jié)點中繼來傳播數(shù)據(jù)包。這樣的系統(tǒng)實現(xiàn)了更大的通信范圍、靈活性和冗余，并且是所有典型IoT無線技術(shù)的先決條件。藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用包括企業(yè)照明設(shè)施、用于托管信標的后端管理，以及工業(yè)監(jiān)控。

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

　　1 并不僅僅適用于藍牙5

　　由于開發(fā)人員熟悉藍牙技術(shù)的發(fā)展路線，可能假設(shè)藍牙m(xù)esh是藍牙5的一個新特性，但是情況并非如此。實際上，通過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m(xù)esh。這允許正在使用專有mesh聯(lián)網(wǎng)的低功耗藍牙設(shè)備通過空中升級實現(xiàn)兼容標準藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。

　　這并不意味著設(shè)備無需更新應(yīng)用程序固件。藍牙m(xù)esh是一個具有七層(包括承載、網(wǎng)絡(luò)、下層和上層運輸、訪問、基礎(chǔ)模式以及模式層)的全新架構(gòu)，建立于標準低功耗藍牙物理層(射頻)之上(如圖1)。一個節(jié)點在接收信息時，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)層使用多個檢查方法來決定將信息傳遞到協(xié)議棧上層或丟棄[1]。

　　藍牙m(xù)esh規(guī)范詳細描述了四種節(jié)點：中繼節(jié)點、低功耗節(jié)點、朋友節(jié)點和代理節(jié)點。

　　中繼節(jié)點能夠重新發(fā)送所接收到的數(shù)據(jù)包，并且通過這個機制，使數(shù)據(jù)包可以在整個網(wǎng)絡(luò)上快速傳播。中繼機制的缺點是耗電量增加，這是由于它依賴于保持“醒著的”節(jié)點。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法持久的。對于智能照明等應(yīng)用來說，這并不是缺點，因為燈具通過接入主干供電系統(tǒng)為LED供電，但這對于加入網(wǎng)絡(luò)中的其它非主干系統(tǒng)供電設(shè)備，比如設(shè)備開關(guān)，則可能不適用。

　　為了解決這個問題，藍牙網(wǎng)絡(luò)引入了低功耗節(jié)點(LPN)，可以使用電池或能源采集來供電。LPN與朋友節(jié)點協(xié)同工作，朋友節(jié)點通常是由主干系統(tǒng)供電，因而能夠永遠保持喚醒狀態(tài);這些設(shè)備會緩存發(fā)往LPN的信息。LPN根據(jù)預先設(shè)定的進程表切換至接收模式，接收緩存的信息，根據(jù)指令進行操作，然后快速度返回省電的睡眠狀態(tài)。

　　代理節(jié)點允許支持低功耗藍牙，但不支持藍牙m(xù)esh的設(shè)備(例如現(xiàn)在的智能手機)連接至藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。通過節(jié)點和代理設(shè)備的通用屬性配置文件(GATT) 接口實現(xiàn)交互(如圖2)。

　　藍牙m(xù)esh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(jié)構(gòu)。然而由于mesh的分布式特性，兩種技術(shù)的配置文件的設(shè)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配置文件稱作模式。

　　藍牙m(xù)esh1.0包括配置、心跳和健康基礎(chǔ)模式，mesh模式是基礎(chǔ)模式的擴充，比如通用、照明、傳感器和場景等。與GATT配置文件類似，用戶還可以創(chuàng)建定制的基礎(chǔ)和mesh模式[1]。

　　2 照明驅(qū)動

　　智能照明是無線IoT 技術(shù)的先驅(qū)應(yīng)用，許多早期的藍牙網(wǎng)絡(luò)規(guī)范就是專為這個應(yīng)用定制的。藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)在博客中這樣說到：藍牙m(xù)esh將在商業(yè)照明應(yīng)用中產(chǎn)生巨大的深刻影響。

　　也就是說，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(yīng)用，比如信標、安全網(wǎng)絡(luò)，以及加熱、通風和空調(diào)(HVAC)網(wǎng)絡(luò)。這些機制中的關(guān)鍵是通過泛洪(flooding)進行通信，把每個數(shù)據(jù)包向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點廣播，直至到達目標節(jié)點。

　　三種類型尋址可配合泛洪：單播(在初始節(jié)點設(shè)置期間使用)、 群組和虛擬(主要由設(shè)備制造商用來標記產(chǎn)品)。其中，群組尋址最適用于日常操作。群組地址是代表著網(wǎng)絡(luò)中一個或多個元素的組播地址。SIG定義了四個固定群組地址，即全代理、全朋友、全中繼和全節(jié)點，分別對應(yīng)上面定義的節(jié)點類型。

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

　　泛洪mesh和群組尋址對于主要的智能家居應(yīng)用，例如照明，是有意義的。泛洪mesh允許開關(guān)向智能照明群組發(fā)送“ON”指令，通過網(wǎng)絡(luò)進行快速傳播，每個節(jié)點接收指令并且相應(yīng)地執(zhí)行指令。目標群組的燈將迅速點亮。相比需要中樞來向每個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(gòu)還帶來了其它的優(yōu)勢，但也包括一些缺點。一個主要的附加優(yōu)勢是簡化，特別是把通信限制在低功耗藍牙技術(shù)的三個廣播和掃描信道上 (請記住這項技術(shù)擁有總共40個頻率信道)。但是這樣的缺點是帶寬減小了，原因是需要管理通信，以防止數(shù)據(jù)包超出這些信道。

　　這項規(guī)范包括了多個機制，以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個特定的數(shù)據(jù)包，這是一個計算中繼傳輸次數(shù)數(shù)目的TTL(Time-To-Live)計數(shù)器，在滿足定義的步驟數(shù)目之后，將不會繼續(xù)進行中繼傳輸。

　　例如，設(shè)置TTL計數(shù)器為3，允許一個數(shù)據(jù)包從起源開始最多傳遞三次，而后不再重新傳播。

　　圖 1 藍牙m(xù)esh協(xié)議棧位于低功耗藍牙的物理層上面

　　來源：藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　第二個防止擁堵的機制是數(shù)據(jù)包的消息緩存。數(shù)據(jù)包在整個mesh傳輸后，最終只會形成緩存——緩存可以安全地認為該數(shù)據(jù)包不必在當前節(jié)點進行傳播?？蛇x中繼功能也可以限制mesh擁堵。通過關(guān)閉中繼，節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)包而不傳送。由于設(shè)計人員必需折衷權(quán)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(jié)點(“P”)允許不支持藍牙m(xù)esh的低功耗藍牙設(shè)備(例如智能手機)連接至藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)

　　來源：藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　3 安全第一

　　藍牙m(xù)esh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m(xù)esh的設(shè)計人員必須確保網(wǎng)絡(luò)、各項應(yīng)用，以及裝置全部是安全的，并且無法被非法關(guān)閉或限制。對于藍牙m(xù)esh，安全特性不是可選的，而是強制的。

　　這個強制性方法是從配置開始的，配置是使外部設(shè)備變成mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的過程，可以由智能手機或平板電腦上的app來實現(xiàn)。這個過程有五個步驟：廣播(指示可以加入mesh)、邀請(來自供應(yīng)設(shè)備)、公匙交換、認證以及會話密匙交換(保證數(shù)據(jù)進行配置的安全)。

　　配置過程實現(xiàn)了高度的安全性，隨后數(shù)據(jù)包經(jīng)過AES-128進行端至端加密，并且在每個中繼之間進行附加的AES-128加密，從而增強了隱私。此外，還會定期刷新加密密匙，以檢測和對抗重放攻擊。

　　參考文獻：

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