藍(lán)牙Mesh：構(gòu)想全新的應(yīng)用領(lǐng)域

　　Mesh技術(shù)允許多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接在一起從而形成一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)，以節(jié)能和安全的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離橋接。通過在安全性、可靠性和可擴(kuò)展性方面滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙Mesh技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全新的應(yīng)用場景。

　　藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)在2000年推出了無線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙基本速率(BR)/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率(EDR)。2010年，藍(lán)牙SIG通過低功耗藍(lán)牙(BLE)定義進(jìn)一步提升了其標(biāo)準(zhǔn)，使得低功耗的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

　　業(yè)界對這種無線通信技術(shù)的需求很高，其中一個(gè)原因是預(yù)期到這種技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。BLE的成功，首先在于它的功耗非常低。但是BLE協(xié)議也有其缺點(diǎn)。只有三種類型的通信是可能的(圖2)：在兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備之間(點(diǎn)對點(diǎn)通信，雙向1：1)、在一個(gè)設(shè)備和其他多個(gè)設(shè)備之間(一對多通信，雙向，1：m) )，或者一個(gè)設(shè)備把數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送到環(huán)境中，而沒有特定收件人(廣播通信)的通信。在廣播時(shí)，環(huán)境中的所有BLE設(shè)備都可以接收數(shù)據(jù)但無法響應(yīng)。這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是，如果把數(shù)據(jù)傳輸出來的主站(星型配置，中心角色)失效，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)則會(huì)失效。

　　1 完美的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

　　2017年7月藍(lán)牙SIG推出了可選的藍(lán)牙m(xù)esh，這是一種基于低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議并且進(jìn)一步改進(jìn)的無線通信技術(shù)。通過使用藍(lán)牙m(xù)esh，可以在大型物理區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)由多對多連接組成且多達(dá)32 000個(gè)參與者的大型網(wǎng)絡(luò)(m：m，圖3)。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備不在接收器的直接無線電傳輸范圍內(nèi)，傳輸仍然有效。此外，藍(lán)牙m(xù)esh 1.0網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持來自不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的通信，這是先前的專利解決方案無法實(shí)現(xiàn)的，例如CSRmeshTM。它尚有更多優(yōu)勢，就是穩(wěn)健且安全的數(shù)據(jù)傳輸，以及非常高的能量效率。

　　這些功能使藍(lán)牙m(xù)esh成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的完美網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如樓宇自動(dòng)化、傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)制造或貨物跟蹤。一般而言，藍(lán)牙m(xù)esh適用于需要在多個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行最少數(shù)據(jù)通信的所有應(yīng)用。

　　2 藍(lán)牙m(xù)esh是如何工作的

　　藍(lán)牙m(xù)esh與消息傳遞系統(tǒng)一起工作，根據(jù)發(fā)布和訂閱原則分發(fā)消息。將消息發(fā)送到具有特定地址的設(shè)備稱為發(fā)布。訂閱是為設(shè)備分配特定地址的設(shè)備配置。然后，這臺設(shè)備只能接收到發(fā)送到特定地址的消息。示例：大廳照明安裝有藍(lán)牙m(xù)esh，所有燈泡都配置為接收“大廳照明”訂閱，如果通過BT mesh開關(guān)將“開”消息發(fā)送到“大廳照明”地址，系統(tǒng)就會(huì)打開所有訂閱了“大廳照明”的燈泡。

　　藍(lán)牙m(xù)esh中的數(shù)據(jù)傳輸稱為“泛洪(flooding)”，這意味著通過整個(gè)網(wǎng)絡(luò)把消息發(fā)到從站(接收器)的過程中沒有特殊的路由。消息將發(fā)送到范圍內(nèi)的所有設(shè)備，然后轉(zhuǎn)發(fā)，直到它到達(dá)正確的從站。

　　由于網(wǎng)絡(luò)參與者數(shù)量密集，因此可以克服先前需要使用較慢且未全局標(biāo)準(zhǔn)化的1 GHz以下技術(shù)的障礙。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備(主設(shè)備)不在無線電傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)，該消息仍然可到達(dá)正確的從設(shè)備。如果參與者密度已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)足夠狹窄，連接也可以得到冗余的保證，這就是即使單個(gè)參與者不再用作中繼，數(shù)據(jù)仍然可以找到其目的地的原因。這種自我修復(fù)功能使藍(lán)牙m(xù)esh成為最可靠的網(wǎng)絡(luò)之一，并確保其首次在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

　　藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備稱為節(jié)點(diǎn)，共有四種不同類型的節(jié)點(diǎn)，除了發(fā)送和接收，還提供如下其他功能。

　　?中繼節(jié)點(diǎn)：它們將收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)設(shè)備，消息傳輸功能使用所謂的“跳躍”，藍(lán)牙m(xù)esh最多支持127次跳躍。

　　?低功耗節(jié)點(diǎn)：某些設(shè)備(如傳感器)要求非常節(jié)能，低功率節(jié)點(diǎn)與稱為“朋友”的一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)一起工作。

　　?朋友節(jié)點(diǎn)：這里有足夠的能量，例如：通過連接到主電源。這些朋友節(jié)點(diǎn)與低功率節(jié)點(diǎn)一起工作。朋友節(jié)點(diǎn)僅在低功率節(jié)點(diǎn)請求時(shí)為它們存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)消息。

　　?代理節(jié)點(diǎn)：它們?yōu)闆]有藍(lán)牙m(xù)esh堆棧的BLE設(shè)備提供GATT(通用屬性配置文件)接口，這還可以實(shí)現(xiàn)BLE mesh和普通BLE節(jié)點(diǎn)之間的通信。

　　在OSI層模型的接入層內(nèi)，可以確定在接收到消息之后是否應(yīng)該將確認(rèn)信號(確認(rèn))發(fā)送回主設(shè)備。

　　3 藍(lán)牙m(xù)esh是否安全

　　建立具有許多設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，會(huì)給安全數(shù)據(jù)傳輸帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，在開發(fā)藍(lán)牙m(xù)esh時(shí)，安全性是首要任務(wù)。為此，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)概述了嚴(yán)格的規(guī)范。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全功能都是強(qiáng)制性的。

　　但是，由以色列理工學(xué)院(Israel Institute of Technology)的研究人員發(fā)現(xiàn)的藍(lán)牙安全簡單配對和BLE安全連接中的安全漏洞也會(huì)影響藍(lán)牙m(xù)esh，因?yàn)樗腔贐LE堆棧的。某些受影響產(chǎn)品的供應(yīng)商已提供固件更新或正在解決此問題。儒卓力匯編了產(chǎn)品目錄中受影響藍(lán)牙產(chǎn)品的概述，以記錄可能的固件更新狀態(tài)：rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status。

　　關(guān)鍵的安全功能如下。

　　?加密和身份驗(yàn)證：所有藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)消息都經(jīng)過加密和身份驗(yàn)證。

　　?關(guān)注點(diǎn)分離：藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中有三個(gè)不同的安全方面：應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備安全性，它們彼此獨(dú)立處理并擁有自己的安全密匙：

　?、賾?yīng)用程序密匙(AppKey)：這保護(hù)與特定應(yīng)用程序有關(guān)的數(shù)據(jù)，例如照明或攝像頭。

　　②網(wǎng)絡(luò)密匙(NetKey)：網(wǎng)絡(luò)密鑰適用于網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備，從而確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。

　?、墼O(shè)備密匙(DevKey)：每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的設(shè)備密鑰，這個(gè)安全密鑰可用于將設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中。

　　?區(qū)域隔離：藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)分為許多個(gè)子網(wǎng)，這些子網(wǎng)在加密方面各不相同，并且每個(gè)子網(wǎng)都是安全的。

　　?密匙刷新：在密匙刷新過程中，可以更改藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全密匙。

　　?消息模糊處理：此數(shù)據(jù)隱私機(jī)制使得跟蹤網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)變得極其困難，因此幾乎不可能跟蹤發(fā)送的消息。

　　?重放攻擊保護(hù)：安全功能可保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受重放攻擊(身份盜用：先前收集的數(shù)據(jù)用于身份驗(yàn)證和接入控制)。

　　?垃圾桶攻擊防護(hù)：可以通過防止垃圾桶攻擊(從無效節(jié)點(diǎn)讀取重要的網(wǎng)絡(luò)信息)的方式，安全地從網(wǎng)絡(luò)中刪除節(jié)點(diǎn)。

　　?安全設(shè)備配置：可以在安全的過程中將新節(jié)點(diǎn)添加到藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中。

　　4 結(jié)論

　　所有這些廣泛的安全功能，使藍(lán)牙m(xù)esh成為需要在多個(gè)設(shè)備之間低數(shù)據(jù)速率通信的應(yīng)用的理想解決方案。而且，藍(lán)牙m(xù)esh適用于新的應(yīng)用領(lǐng)域，比如預(yù)測性維護(hù)或智能農(nóng)業(yè)/農(nóng)業(yè)。在裝配線中實(shí)施無線傳感器mesh網(wǎng)絡(luò)可以在機(jī)器發(fā)生故障之前及時(shí)向維護(hù)人員發(fā)出警告。或者，通過在農(nóng)業(yè)中使用mesh網(wǎng)絡(luò)，土壤和空氣濕度或溫度等數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)街悄苁謾C(jī)，而無需網(wǎng)關(guān)。藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)還可以更有效地使用水和肥料，減少農(nóng)藥的使用：只有在測量值低于某一限值時(shí)才采取適當(dāng)?shù)拇胧Ｔ谥悄芗揖宇I(lǐng)域，燈可以配備傳感器，當(dāng)有人在附近時(shí)進(jìn)行注冊，確保僅在這種情況下燈才會(huì)打開。藍(lán)牙m(xù)esh甚至可以用于體育活動(dòng)：運(yùn)動(dòng)員鞋中集成的傳感器可以記錄運(yùn)動(dòng)性能數(shù)據(jù)，然后通過藍(lán)牙m(xù)esh主裝置從一名運(yùn)動(dòng)員傳輸?shù)较乱幻\(yùn)動(dòng)員，直到這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇叹毺?，隨后教練可以評估數(shù)據(jù)。

　　另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：實(shí)際環(huán)境對于BLE mesh技術(shù)并不重要。由于mesh規(guī)格1.0及更高版本完全滿足工業(yè)要求，因此可以想象到無數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：無論是在醫(yī)院、工廠、辦公室、大學(xué)還是私人住宅中。藍(lán)牙m(xù)esh非常值得業(yè)界關(guān)注，因?yàn)榇罅吭O(shè)備之間安全、穩(wěn)健的無線通信，能夠用于實(shí)現(xiàn)各種嶄新應(yīng)用。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第15頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處