Mesh網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)藍(lán)牙無線IoT的地位

作者/P?r H?kansson Nordic Semiconductor產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理

       雖然低功耗藍(lán)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(jìn)展，但它仍然存在一個(gè)弱點(diǎn)：因?yàn)樗饕糜谥С蛛姵毓╇姷耐庠O(shè)與智能手機(jī)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(lán)牙m(xù)esh 1.0規(guī)范消除了這個(gè)弱點(diǎn)。

　　Mesh網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備(節(jié)點(diǎn))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(diǎn)中繼來傳播數(shù)據(jù)包。這樣的系統(tǒng)實(shí)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(lán)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(biāo)的后端管理，以及工業(yè)監(jiān)控。

　　一些企業(yè)，特別是Silvair，認(rèn)為這項(xiàng)需求是不可或缺的，并開發(fā)了基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的專有mesh解決方案來填補(bǔ)這項(xiàng)空白。這家公司的工程師在起草正式的藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范方面發(fā)揮了重要的作用。藍(lán)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(lán)牙5

　　由于開發(fā)人員熟悉藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展路線，可能假設(shè)藍(lán)牙m(xù)esh是藍(lán)牙5的一個(gè)新特性，但是情況并非如此。實(shí)際上，通過軟件更新任何兼容藍(lán)牙4.0或更高版本的低功耗藍(lán)牙芯片都能夠支持藍(lán)牙m(xù)esh。這允許正在使用專有mesh聯(lián)網(wǎng)的低功耗藍(lán)牙設(shè)備通過空中升級(jí)實(shí)現(xiàn)兼容標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)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(lán)牙m(xù)esh是一個(gè)具有七層(包括承載、網(wǎng)絡(luò)、下層和上層運(yùn)輸、訪問、基礎(chǔ)模式以及模式層)的全新架構(gòu)，建立于標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙物理層(射頻)之上(如圖1)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)在接收信息時(shí)，將信息從下層的低功耗藍(lán)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(gè)檢查方法來決定將信息傳遞到協(xié)議棧上層或丟棄[1]。

　　藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范詳細(xì)描述了四種節(jié)點(diǎn)：中繼節(jié)點(diǎn)、低功耗節(jié)點(diǎn)、朋友節(jié)點(diǎn)和代理節(jié)點(diǎn)。

　　中繼節(jié)點(diǎn)能夠重新發(fā)送所接收到的數(shù)據(jù)包，并且通過這個(gè)機(jī)制，使數(shù)據(jù)包可以在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)上快速傳播。中繼機(jī)制的缺點(diǎn)是耗電量增加，這是由于它依賴于保持“醒著的”節(jié)點(diǎn)。雖然在mesh網(wǎng)絡(luò)配置中低功耗藍(lán)牙的功耗遠(yuǎn)低于其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)，但這樣的運(yùn)作模式單單依靠電池供電是無法持久的。對(duì)于智能照明等應(yīng)用來說，這并不是缺點(diǎn)，因?yàn)闊艟咄ㄟ^接入主干供電系統(tǒng)為L(zhǎng)ED供電，但這對(duì)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(gè)問題，藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)引入了低功耗節(jié)點(diǎn)(LPN)，可以使用電池或能源采集來供電。LPN與朋友節(jié)點(diǎn)協(xié)同工作，朋友節(jié)點(diǎn)通常是由主干系統(tǒng)供電，因而能夠永遠(yuǎn)保持喚醒狀態(tài);這些設(shè)備會(huì)緩存發(fā)往LPN的信息。LPN根據(jù)預(yù)先設(shè)定的進(jìn)程表切換至接收模式，接收緩存的信息，根據(jù)指令進(jìn)行操作，然后快速度返回省電的睡眠狀態(tài)。

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

　　藍(lán)牙m(xù)esh借鑒了藍(lán)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(jì)是不同的。為了避免GATT配置文件被誤認(rèn)為是mesh網(wǎng)絡(luò)配置文件，因此mesh配置文件稱作模式。

　　藍(lán)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(kuò)充，比如通用、照明、傳感器和場(chǎng)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(dòng)

　　智能照明是無線IoT 技術(shù)的先驅(qū)應(yīng)用，許多早期的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)規(guī)范就是專為這個(gè)應(yīng)用定制的。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)在博客中這樣說到：藍(lán)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(jī)制可以方便地支持其它的關(guān)鍵應(yīng)用，比如信標(biāo)、安全網(wǎng)絡(luò)，以及加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)網(wǎng)絡(luò)。這些機(jī)制中的關(guān)鍵是通過泛洪(flooding)進(jìn)行通信，把每個(gè)數(shù)據(jù)包向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)廣播，直至到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

　　三種類型尋址可配合泛洪：?jiǎn)尾?在初始節(jié)點(diǎn)設(shè)置期間使用)、 群組和虛擬(主要由設(shè)備制造商用來標(biāo)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(gè)或多個(gè)元素的組播地址。SIG定義了四個(gè)固定群組地址，即全代理、全朋友、全中繼和全節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)上面定義的節(jié)點(diǎn)類型。

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

　　泛洪mesh和群組尋址對(duì)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(jìn)行快速傳播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收指令并且相應(yīng)地執(zhí)行指令。目標(biāo)群組的燈將迅速點(diǎn)亮。相比需要中樞來向每個(gè)連接的燈具傳送單獨(dú)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(shì)，但也包括一些缺點(diǎn)。一個(gè)主要的附加優(yōu)勢(shì)是簡(jiǎn)化，特別是把通信限制在低功耗藍(lán)牙技術(shù)的三個(gè)廣播和掃描信道上 (請(qǐng)記住這項(xiàng)技術(shù)擁有總共40個(gè)頻率信道)。但是這樣的缺點(diǎn)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(xiàng)規(guī)范包括了多個(gè)機(jī)制，以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個(gè)特定的數(shù)據(jù)包，這是一個(gè)計(jì)算中繼傳輸次數(shù)數(shù)目的TTL(Time-To-Live)計(jì)數(shù)器，在滿足定義的步驟數(shù)目之后，將不會(huì)繼續(xù)進(jìn)行中繼傳輸。

　　例如，設(shè)置TTL計(jì)數(shù)器為3，允許一個(gè)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(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧位于低功耗藍(lán)牙的物理層上面

　　來源：藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　第二個(gè)防止擁堵的機(jī)制是數(shù)據(jù)包的消息緩存。數(shù)據(jù)包在整個(gè)mesh傳輸后，最終只會(huì)形成緩存——緩存可以安全地認(rèn)為該數(shù)據(jù)包不必在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)可以接收數(shù)據(jù)包而不傳送。由于設(shè)計(jì)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(fù)雜性，這樣可以提升總體mesh的性能。

　　圖2 代理節(jié)點(diǎn)(“P”)允許不支持藍(lán)牙m(xù)esh的低功耗藍(lán)牙設(shè)備(例如智能手機(jī))連接至藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)

　　來源：藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)

　　3 安全第一

　　藍(lán)牙m(xù)esh將藍(lán)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(lán)牙m(xù)esh的設(shè)計(jì)人員必須確保網(wǎng)絡(luò)、各項(xiàng)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(duì)于藍(lán)牙m(xù)esh，安全特性不是可選的，而是強(qiáng)制的。

　　這個(gè)強(qiáng)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(diǎn)的過程，可以由智能手機(jī)或平板電腦上的app來實(shí)現(xiàn)。這個(gè)過程有五個(gè)步驟：廣播(指示可以加入mesh)、邀請(qǐng)(來自供應(yīng)設(shè)備)、公匙交換、認(rèn)證以及會(huì)話密匙交換(保證數(shù)據(jù)進(jìn)行配置的安全)。

　　配置過程實(shí)現(xiàn)了高度的安全性，隨后數(shù)據(jù)包經(jīng)過AES-128進(jìn)行端至端加密，并且在每個(gè)中繼之間進(jìn)行附加的AES-128加密，從而增強(qiáng)了隱私。此外，還會(huì)定期刷新加密密匙，以檢測(cè)和對(duì)抗重放攻擊。

　　參考文獻(xiàn)：

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