淺談藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)及智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)采用一種稱為“網(wǎng)絡(luò)泛洪（flooding）”的方式進(jìn)行發(fā)布和中繼消息，可實(shí)現(xiàn)mesh網(wǎng)絡(luò)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)和多個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接及消息互通。

- 擴(kuò)展物理區(qū)域覆蓋

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)擺脫節(jié)點(diǎn)只能下掛在網(wǎng)關(guān)或主路由下的束縛，還可作為中繼節(jié)點(diǎn)、朋友節(jié)點(diǎn)的角色，支持對(duì)終端設(shè)備消息中繼和轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)“接力傳輸”，克服WiFi技術(shù)較遠(yuǎn)距離的設(shè)備消息互通及覆蓋等困難。

- 去除中心節(jié)點(diǎn)依賴

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行消息傳遞，不會(huì)通過(guò)某一特定路線、特定設(shè)備或某一固定過(guò)程進(jìn)行消息路由，因此，可擺脫中心節(jié)點(diǎn)（例如：網(wǎng)關(guān)、主路由設(shè)備等）的依賴。

- 支持自我修復(fù)

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中單一節(jié)點(diǎn)故障或異常無(wú)法進(jìn)行通信，會(huì)進(jìn)行自動(dòng)自我配置，通過(guò)其他正常工作節(jié)點(diǎn)傳遞或中繼消息，從而實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)故障自我修復(fù)。

Part 02●??藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)原理?●

藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)的原理和設(shè)計(jì)主要從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、拓?fù)浼肮?jié)點(diǎn)、地址劃分三方面進(jìn)行體現(xiàn)，以下將以這三個(gè)方面為切入點(diǎn)，剖析藍(lán)牙技術(shù)原理。

1?? 藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，藍(lán)牙m(xù)esh是工作在BLE協(xié)議棧之上，使用相同的物理層和鏈路層。

圖1 藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧示意圖

自上而下，藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧分別為：模型層（Model Layer）、基礎(chǔ)模型層（Foundation Model Layer）、訪問(wèn)層（Access Layer）、上層傳輸層（Upper Transport Layer）、底層傳輸層（Lower Transport Layer）、網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）、承接層（Bearer Layer）。其中，藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧各層作用為：模型層定義用戶場(chǎng)景/應(yīng)用，基礎(chǔ)模型層配置管理mesh，訪問(wèn)層定義應(yīng)用如何利用上下文數(shù)據(jù)，上層傳輸層對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)加密及解密，底層傳輸層對(duì)數(shù)據(jù)分段及重組，網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，承接層進(jìn)行廣播/GATT承載。

2?? 藍(lán)牙m(xù)esh拓樸及節(jié)點(diǎn)

圖2 藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>

（4）黃色節(jié)點(diǎn)代表低功耗節(jié)點(diǎn)，通過(guò)朋友節(jié)點(diǎn)進(jìn)行消息的接收或轉(zhuǎn)發(fā)，這類節(jié)點(diǎn)一般是低功耗傳感器，采用電池供電，因此會(huì)存在休眠機(jī)制。

藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)泛洪（flooding）的信息傳遞機(jī)制，所有信息一旦由節(jié)點(diǎn)發(fā)布后，就會(huì)廣播到網(wǎng)絡(luò)上，而非透過(guò)路由方式傳遞給一個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)。而WiFi網(wǎng)絡(luò)是圍繞著一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)(例如網(wǎng)關(guān)、路由器等設(shè)備)來(lái)進(jìn)行消息上下行，所有網(wǎng)絡(luò)流量都會(huì)經(jīng)過(guò)此處，萬(wàn)一中央節(jié)點(diǎn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就跟著停擺。藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)可有效去除中心化，擺脫對(duì)中心節(jié)點(diǎn)依賴。

3?? 藍(lán)牙m(xù)esh地址劃分

藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)層定義了四種基本類型的地址：未分配地址、單播地址、虛擬地址、組播地址，其中，地址長(zhǎng)度為16位。地址詳細(xì)分類如下表所示：

（1）未分配地址

未分配地址是尚未被配置的節(jié)點(diǎn)元素的地址或未分配的地址。未分配地址的值為0x0000。例如:可以通過(guò)將模型的發(fā)布地址設(shè)置為未分配地址來(lái)禁用模型的消息發(fā)布，未分配地址不得用于消息的源或目標(biāo)地址字段。

（2）單播地址

單播地址是分配給每個(gè)元素的唯一地址，單播地址的值不能為0x0000，可取值范圍為0x0001到0x7FFF。在配網(wǎng)階段，配置器會(huì)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的生命周期內(nèi)為節(jié)點(diǎn)的每個(gè)元素分配單播地址，該地址可以由配置器取消分配，允許重復(fù)利用。

（3）虛擬地址

虛擬地址表示一組目標(biāo)地址，每個(gè)虛擬地址在邏輯上代表一個(gè)標(biāo)簽UUID，一個(gè)或多個(gè)元素可以配置發(fā)布或訂閱同一個(gè)標(biāo)簽UUID。標(biāo)簽UUID不會(huì)被傳輸，應(yīng)該用做上層傳輸層中消息完整性校驗(yàn)值的附加數(shù)據(jù)字段。虛擬地址的取值范圍為0x8000到0xBFFF。

（4）組播地址

將0或多個(gè)元素的地址配置成同一地址，該地址就為組播地址。組播地址從0xFF00到0xFFFF保留給固定的用途，0XC000到0xFEFF用于其他用途。組播地址只能在消息的目標(biāo)地址字段中使用，發(fā)送給組播地址的消息會(huì)被訂閱這個(gè)組播地址的所有模型實(shí)體接收。

Part 03●??藍(lán)牙m(xù)esh在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用?●

在智能家居市場(chǎng)上，藍(lán)牙m(xù)esh的應(yīng)用主要集中在給智能家居設(shè)備配網(wǎng)和管控智能家居設(shè)備兩大場(chǎng)景。

所謂藍(lán)牙m(xù)esh配網(wǎng)就是通過(guò)配置將設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中，使其成為藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的一部分。藍(lán)牙m(xù)esh配網(wǎng)，主要涉及到未配網(wǎng)設(shè)備（Unprovisioned Device）、配網(wǎng)器（provisioner）、mesh節(jié)點(diǎn)（mesh Node）三個(gè)角色。如下圖所示，將未配網(wǎng)設(shè)備經(jīng)過(guò)信標(biāo)階段、邀請(qǐng)階段、交換公鑰階段、身份認(rèn)證階段、分發(fā)配網(wǎng)數(shù)據(jù)階段5個(gè)階段后，即可接入藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)消息的互聯(lián)互通。

圖3 藍(lán)牙m(xù)esh配網(wǎng)流程圖

對(duì)于管控智能家居設(shè)備，即可通過(guò)節(jié)點(diǎn)間消息互傳、廣播等實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)智能家居設(shè)備的管控，并且可以支持遠(yuǎn)程控制和本地控制，相較于在WiFi網(wǎng)絡(luò)下同時(shí)管控多個(gè)設(shè)備，藍(lán)牙m(xù)esh管控方式響應(yīng)速度更快并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載更小。

圖4 藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)內(nèi)多個(gè)設(shè)備管控

綜合Part1~Part3所述，藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)擁有支持多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接、物理覆蓋區(qū)域廣闊、去除中心節(jié)點(diǎn)依賴等特性，既然滿足了智能家居設(shè)備日益增長(zhǎng)的互聯(lián)互通的需求，又克服了現(xiàn)有WiFi技術(shù)無(wú)法解決的困難，為物聯(lián)網(wǎng)適配不同場(chǎng)景提供了新的解決方案。