低功耗藍牙新推出的mesh網絡規范，擴展了最初面向的消費者應用領域，增強了其在樓宇自動化應用方面的可適宜性

對Mesh網絡的支持使低功耗藍牙技術進入更加廣泛的應用領域

雖然低功耗藍牙(Bluetooth? Low Energy / Bluetooth LE)技術作為物聯網(IoT)的基礎技術已經取得重大進展，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與智能手機等中央設備的通信，該技術無法支持mesh網絡。現在，藍牙mesh 1.0規范消除了這個弱點。

Mesh網絡允許網絡中的設備(“節點”)相互通信而無需中央樞紐設備，如果需要，可以經由其它節點中繼來傳播數據包。這樣的系統實現了更大的通信范圍、靈活性和冗余，并且是所有典型IoT無線技術的先決條件。藍牙mesh網絡的主要應用包括企業照明設施、用于托管信標的后端管理，以及工業監控。

一些企業，特別是Silvair，認為這項需求是不可或缺的，并開發了基于低功耗藍牙技術的專有mesh解決方案來填補這個空白。令人驚喜的是這家公司的工程師在起草正式的藍牙mesh規范方面發揮了重要的作用。藍牙mesh規范已經在7月份正式發布。

并不僅僅適用于藍牙5

由于開發人員熟悉藍牙技術的發展路線，可能假設藍牙mesh是藍牙5的一個新特性——但是情況并不是這樣的。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mesh。這允許正在使用專有mesh聯網的低功耗藍牙設備通過空中升級實現兼容標準藍牙mesh網絡。

這并不意味著設備無需更新應用程序固件。藍牙mesh是一個具有七層(承載, 網絡,下層和上層運輸, 訪問,基礎模式, 以及模式)的全新架構，建立于標準低功耗藍牙物理層(射頻)之上(參見圖1)。一個節點在接收信息時，將信息從下層的低功耗藍牙物理層向上層傳播，經由承載層至網絡層。網絡層使用多個檢查方法來決定將信息傳遞到協議棧上層或丟棄(參考1提供了解有關這些層的功能的更多信息)。

圖 1: 藍牙mesh協議棧位于低功耗藍牙的物理層上面

來源：藍牙技術聯盟(SIG)

藍牙mesh規范詳細描述了四種“節點”：“中繼節點”、“低功耗節點”、“朋友節點”和“代理節點”。

中繼節點能夠重新發送所接收到的數據包，并且通過這個機制，使數據包可以在整個網絡上快速傳播。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”節點。雖然在mesh網絡配置中低功耗藍牙的功耗遠低于其他競爭技術，但這樣的運作模式單單依靠電池供電是無法持久的。對于智能照明等應用來說，這并不是缺點，因為燈具通過接入主干供電系統為LED供電，但這對于加入網絡中的其它非主干系統供電設備，比如設備開關，則可能不適用。

為了解決這個問題，藍牙網絡引入了“低功耗節點”(LPN)，可以使用電池或能源采集來供電。LPN與“朋友節點”協同工作，朋友節點通常是由主干系統供電，因而能夠永遠保持喚醒狀態；這些設備會緩存發往LPN的信息。LPN根據預先設定的進程表切換至“接收”模式，接收緩存的信息，根據指令進行操作，然后快速度返回省電的“睡眠”狀態。

“代理節點”允許支持低功耗藍牙但不支持藍牙mesh的設備 (例如現在的智能手機)連接至藍牙Mesh網絡。通過節點和代理設備的通用屬性配置文件(GATT) 接口實現交互(參見圖2)。

圖2: 代理節點(“P”)允許不支持藍牙mesh的低功耗藍牙設備(例如智能手機)連接至藍牙mesh網絡

來源：藍牙技術聯盟(SIG)

藍牙mesh借鑒了藍牙技術的GATT“配置文件”的概念，允許不同的情況下使用相同的信息結構。然而由于mesh的分布式特性，兩種技術的配置文件的設計是不同的。為了避免GATT配置文件被誤認為是mesh網絡配置文件，因此mesh配置文件稱作“模式”。

藍牙mesh1.0包括“配置”、“心跳”和“健康”基礎模式，“mesh模式”是基礎模式的擴充，比如“通用”、“照明”、“傳感器”和“場景”等。與GATT配置文件類似，用戶還可以創建定制的基礎和mesh模式(關于模式相關的話題，建議讀者閱讀“參考1”以了解更多的細節)。

照明驅動

智能照明是無線IoT 技術的先驅應用，許多早期的藍牙網絡規范就是專為這個應用定制的。藍牙技術聯盟(SIG)在博客中這樣說到：“藍牙mesh將在商業照明應用中產生巨大的深刻影響。”

那就是說，集成用于智能照明的機制可以方便地支持其它的關鍵應用，比如信標、安全網絡，以及加熱、通風和空調(HVAC)網絡。這些機制中的關鍵是通過“泛洪”(flooding)進行通信，把每個數據包向網絡中的其他節點廣播，直至到達目標節點。

三種類型尋址可配合泛洪：“單播”(在初始節點設置期間使用)、 “群組”,以及“虛擬”(主要由設備制造商用來 ‘標記’產品)。在這些當中，群組尋址最適用于日常操作。群組地址是代表著網絡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”，稱作“全代理”、 “全朋友”,“全中繼”，以及“全節點”，分別對應上面定義的節點類型。

除了這些群組地址，安裝商很可能在配置期間分配動態群組地址，以期反映現實的mesh布局。例如，動態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用，例如照明，是有意義的。泛洪mesh允許開關向智能照明群組發送“ON”指令，通過網絡進行快速傳播，每個節點接收指令并且相應地執行指令。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絡，例如星形網絡，泛洪mesh的延遲可降低很多。

泛洪架構還帶來了其它的優勢，但也包括一些缺點。一個主要的附加優勢是簡化，特別是把通信限制在低功耗藍牙技術的三個廣播和掃描信道上 (請記住這項技術擁有總共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，以防止數據包超出這些信道。

這項規范包括了多個機制，以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個特定的數據包，這是一個計算中繼傳輸次數數目的“Time-To-Live”(TTL)計數器，在滿足定義的步驟數目之后，將不會繼續進行中繼傳輸。

例如，設置TTL計數器為3，允許一個數據包從起源開始最多傳遞三次，而后不再重新傳播。

第二個防止擁堵的機制是數據包的消息緩存。數據包在整個mesh傳輸后，最終只會形成緩存——緩存可以安全地認為該數據包不必在當前節點進行傳播。“可選中繼”功能也可以限制mesh擁堵。通過關閉中繼，節點可以接收數據包而不傳送。可選中繼增加了復雜性——因為設計人員必需折衷權衡mesh靈活性和帶寬消耗——這樣做可以提升總體mesh的性能。

安全第一

藍牙mesh將藍牙技術更深入地引入到IoT中——使安全變得至關重要。因此，藍牙mesh的設計人員必須確保網絡、各項應用，以及裝置全部是安全的，并且無法被非法關閉或限制。對于藍牙mesh，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，配置是使外部設備變成mesh網絡節點的過程，可以由智能手機或平板電腦上的app來實現。這個過程有五個步驟：廣播(指示可以加入mesh)、邀請(來自供應設備)、公匙交換、認證，以及會話密匙交換(保證數據進行配置的安全)。

配置過程實現了高度的安全性，隨后數據包經過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”。

獲取有關藍牙mesh的更多信息請訪問Nordic網站和DevZone論壇。Nordic新推出的用于mesh的nRF5軟件開發套件(SDK)，可讓開發人員使用該公司的nRF51和nRF52系列SoC來設計藍牙mesh應用。Nordic的藍牙mesh協議棧實現方案還包括一些沒有加入藍牙mesh 1.0規范的實用功能。