了解藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡、市場設備支持和安全性（2）

在上篇中，我們了解到藍牙mesh網(wǎng)絡設備彼此之間可通過消息和發(fā)布/訂閱機制展開對話。

得益于mesh網(wǎng)絡，設備可以在非常廣闊的區(qū)域中安裝，同時彼此之間保持通信。想象一下購物中心、機場或辦公大樓的占地空間有多廣闊。因為存在墻壁和其他物理上的障礙物，樓宇中的設備可能無法與安裝在同一樓宇遠側(cè)的設備、或臨近樓宇中的設備建立直接的無線連接。而藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡則能夠?qū)⒕W(wǎng)絡中的某些設備指定為“中繼設備”，進而解決這一難題。

中繼設備能夠轉(zhuǎn)發(fā)從其他設備接收到的消息。在轉(zhuǎn)發(fā)消息時，它們能夠與位于初始消息發(fā)布設備無線范圍以外的設備進行通信。消息可多次被中繼，每一次中繼即為一“跳”，最多可進行127跳，足以在一片廣闊的物理區(qū)域中進行消息傳輸。

藍牙 mesh網(wǎng)絡在節(jié)點之間中繼消息

管理型網(wǎng)絡泛洪（Managed Flooding）

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡采用一種稱為“網(wǎng)絡泛洪（flooding）”的方式來發(fā)布和中繼消息。這意味著消息不會通過某一進程進行路由, 也不會沿著由一系列特定設備構(gòu)成的特定路徑來進行傳輸。相反，傳輸范圍內(nèi)的所有設備都會接收消息，負責中繼的設備能將消息轉(zhuǎn)發(fā)至其傳輸范圍內(nèi)的所有其他設備。

“網(wǎng)絡泛洪”這項技術在使用中往往是利弊參半。在藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡的設計中，我們對此進行了針對性的優(yōu)化，相信能夠揚長避短。

網(wǎng)絡泛洪的優(yōu)勢

網(wǎng)絡泛洪的優(yōu)勢在于無需特定設備專門扮演集中式路由器的角色。集中式路由器一旦發(fā)生故障，就可能會導致整個網(wǎng)絡無法運行。沒有特定的路由也可能對網(wǎng)絡造成災難性的影響，但這種情況也可以通過在mesh網(wǎng)絡中采用網(wǎng)絡泛洪的方法來避免。

網(wǎng)絡泛洪的方式也意味著消息一般能夠通過多重路徑到達其目的地。這就構(gòu)建了一個相當可靠的網(wǎng)絡。

優(yōu)化mesh網(wǎng)絡

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡也采取了一系列措施，支持采用網(wǎng)絡泛洪的方式，同時優(yōu)化每臺設備、甚至整體網(wǎng)絡的能耗。

所有數(shù)據(jù)包都包含一個稱為TTL的字段，它可用于限制消息中繼的跳數(shù)。由設備間歇性發(fā)送的心跳消息中包含的信息，能夠讓網(wǎng)絡了解其拓撲結(jié)構(gòu)、以及傳到其他每臺設備之間的跳數(shù)。這能夠讓設備將TTL設置為最佳值，從而避免不必要的中繼操作。

每臺設備都包含消息緩存，以確定自身是否已經(jīng)中繼過該消息。如果是，則會立即丟棄該消息，從而避免上層堆棧進行不必要的處理。

最有趣的是，功率非常受限的設備（例如由小型電池持續(xù)供電多年的傳感器）可能被指定為“低功耗節(jié)點”。低功耗節(jié)點能夠與一個或多個被指定為 “friends” 的設備協(xié)同工作。Friends并非功率受限，它可以作為低功耗節(jié)點，存儲尋址到這一低功耗節(jié)點的消息，并且只有在低功耗節(jié)點需要時才傳送消息。低功耗節(jié)點和“friends”之間的關系理所當然就稱為“friendship”。

“Friendship”具體如何運轉(zhuǎn)?

下面我們從節(jié)能的角度來進行解讀。

低功耗設備通常將大部分時間用于傳輸數(shù)據(jù)，例如傳感器。每當溫度低于或高于指定閾值時，傳感器才會發(fā)送溫度讀數(shù)，這種情況也許每天只會發(fā)生兩次。這種不頻繁的傳輸方案本身就使這類設備保持相當?shù)偷哪芎摹?/p>

但如果傳感器需要不時地接收數(shù)據(jù)，又該怎么辦呢？

例如，可能它需要確保網(wǎng)絡中使用的安全密鑰始終處于最新狀態(tài)?；蛟S需要根據(jù)季節(jié)修改這些溫度閾值，采用不同的值。要使傳感器直接接收消息，就需要開啟無線電，以便數(shù)據(jù)接收。但大多數(shù)時候它什么都接收不到，但能量卻會被消耗。

對設備來說，通過與“friends”的合作, 低功耗節(jié)點能夠以合理的頻率使用無線電來接收消息，但重要的是，相較于始終“聆聽”所有消息，它能夠以更低的頻率工作，同時確保發(fā)送來的罕見事件也不會被遺漏。

“Friends” 能幫助低功耗節(jié)點完成大量工作。它們能夠為所服務的低功耗節(jié)點存儲消息，并在低功耗節(jié)點明確要求的情況下向其提供消息，低功耗節(jié)點可按照自身的規(guī)劃進行操作，從而最有效地利用無線電。

市場上的藍牙設備支持

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡雖然推出不久，但低功耗藍牙（Bluetooth Low Energy）卻面世已久。

那么市場上數(shù)十億臺設備呢？智能手機和平板電腦呢？它們能否訪問藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡？

低功耗藍牙設備和mesh支持

幸運的是，答案是YES！

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡會指定一臺設備來扮演代理節(jié)點（proxy node）的角色。代理節(jié)點包含一項標準：低功耗藍牙GATT服務，具有兩個GATT特性，分別是mesh代理數(shù)據(jù)輸入(Mesh Proxy Data In)和mesh代理數(shù)據(jù)輸出(Mesh Proxy Data Out)。諸如智能手機等低功耗藍牙設備均可使用這些特性，與mesh網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)收發(fā)。

這種mesh規(guī)格定義了一種代理協(xié)議（proxy protocol），同時通過代理節(jié)點的兩個GATT特性交換的數(shù)據(jù)中包含代理協(xié)議PDU。

欲知代理節(jié)點的作用，請持續(xù)關注本系列后續(xù)文章~

安全性

安全性是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡設計的核心，并且強制使用。

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡中強制性使用安全性

每個數(shù)據(jù)包都經(jīng)過加密和認證。通過合理使用序列號能夠防止中繼攻擊。在重要流程中使用不對稱加密技術可防止中間人（Man-in-the-middle）攻擊。同時針對利用廢棄設備的垃圾桶攻擊提供保護。必要時還會刷新安全密鑰。

“安全分級考量”（Separation of Concerns）是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡安全性中體現(xiàn)的重要原則。網(wǎng)絡的安全性，以及諸如照明、供暖、或?qū)嶓w建筑安全等個別應用的安全性彼此獨立?？墒褂貌煌陌踩荑€來保護網(wǎng)絡層操作，例如中繼、或保護特定應用的消息內(nèi)容。論其結(jié)果，舉例來說，由于燈泡和照明開關具有相同的應用密鑰，因此燈泡能夠全面訪問照明開關所發(fā)送消息中的數(shù)據(jù)。但是，盡管相同的燈泡能夠?qū)碜运{牙物理訪問令牌的消息中繼到前門中的鎖，卻無法閱讀那些消息應用層的內(nèi)容。

本系列的后續(xù)文章中也將詳細介紹安全性。我們還將密切關注一個稱為 “開通配置” （Provisioning）的安全流程，設備可通過這一流程變身為藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡的一員。此外，我們還將探討如何從網(wǎng)絡中安全地刪除設備，以及如何在有需要時刷新安全密鑰。

協(xié)議棧

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡引入了全新的協(xié)議棧。如之前所述，這一協(xié)議棧建立在低功耗藍牙技術之上。下圖描繪了協(xié)議棧的層級。

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡協(xié)議棧

該規(guī)格是深入了解各層責任的最佳方式。為幫助您更好地了解其工作原理，以下列出了協(xié)議棧各層負責的工作：

承載層（bearer layer）：承載層定義了如何使用底層低功耗堆棧傳輸PDU。目前定義了兩個承載層：廣播承載層（Advertising Bearer）和GATT承載層。

網(wǎng)絡層（network layer）：網(wǎng)絡層定義了各種消息地址類型和網(wǎng)絡消息格式。中繼和代理行為通過網(wǎng)絡層實施。

底層傳輸層（lower transport layer）：在需要之時，底層傳輸層能夠處理PDU的分段和重組。

上層傳輸層（upper transport layer）：負責對接入層進出的應用數(shù)據(jù)進行加密、解密和認證。它還負責稱為“傳輸控制消息”（transport control messages）這一特殊的消息，包括與“friendship”相關的心跳和消息。

接入層（access layer）：負責應用數(shù)據(jù)的格式、定義并控制上層傳輸層中執(zhí)行的加密和解密過程，并在將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到協(xié)議棧之前，驗證接收到的數(shù)據(jù)是否適用于正確的網(wǎng)絡和應用。

基礎模型（foundation models）：基礎模型層負責實現(xiàn)與mesh網(wǎng)絡配置和管理相關的模型。

模型（models）：模型層與模型等的實施、以及諸如行為、消息、狀態(tài)等的實施有關。

藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡的未來

我們期待藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡廣泛應用于各行各業(yè)和各種應用，預計最初會從樓宇自動化、商業(yè)照明和傳感器網(wǎng)絡等應用開始。尤其令人興奮的是藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡在商業(yè)照明方面的應用。試想一下，有了正確的固件，照明系統(tǒng)能實現(xiàn)的就不僅是無線燈光控制，還能夠成為樓宇中各種藍牙服務的平臺，如物資跟蹤和定位服務！