一文快速掌握蓝牙网状网络标准及设计应用基础知识

为了帮助工程师打造基于蓝牙无线技术的创新IoT产品，Silicon Labs（亦称“芯科科技”）已抢先行业推出完整的蓝牙5和蓝牙网状网络（Mesh）软硬件解决方案。由于蓝牙网状网络是一项全新标准，因此我们希望通过本篇转载自Bluetooth SIG博客的“Bluetooth Mesh Networking FAQ”文章，帮助行业人士快速掌握蓝牙网状网络标准及设计应用基础知识。

一般市场问题

Q. 什么是 Bluetooth® mesh?

A. 蓝牙网状网络可实现多对多（m：m）设备通信，并针对创建大型设备网络进行了优化。它非常适合建筑自动化，传感器网络，资产跟踪和其他需要数十台，数百台或数千台设备相互通信的IoT解决方案。

Q. 我在什么地方可以使用Bluetoothmesh?

A. 我们预计Bluetooth Mesh可以在广泛的市场上使用。我们正在建筑自动化市场看到它很活跃，特别是商业照明解决方案以及多个市场的传感器网络解决方案。它非常适合需要数十台，数百台或数千台设备相互通信的物联网解决方案。

Q. 哪些蓝牙版本支持网状网络？可以使用现有产品升级蓝牙技术的吗？

A. 网状网络采用蓝牙低功耗（LE），与核心规格版本4.0及更高版本兼容。只有设计可升级的产品才能在现场得到增强，以支持网状网络。可升级性由几个因素决定，如蓝牙芯片中可用的内存量。

Q. 为什么要选择蓝牙网状网络而不是其他低功耗无线网状网络解决方案？

A. 蓝牙网状网络为开发人员带来了许多关键优势，包括：

1.工业级解决方案：商业建筑和工厂自动化是低功率网状网络的主要新市场机遇。这些市场需要真正的工业级解决方案，并具有Bluetooth Mesh提供的严格的可靠性，可扩展性和安全性预期。

2.经过验证的全球互操作性：当存在真正的多厂商互操作性时，市场才能蓬勃发展，消费者才能放心将您的产品与其他供应商的产品配合使用。蓝牙实现了这几点：

·      全栈实现

·      以互操作性为中心的规范方法

·      经过时间考验的互操作性工具和流程

3.成熟的，值得信赖的技术：选择无线连接技术时，您的决策标准应超出基本速度和需求，包括了解技术提供的附加价值和可用的生态系统支持。蓝牙是一个值得信赖的品牌，全球认可度达到90％以上。

使用蓝牙技术，您可以为您的产品带来显着的增值功能，例如信标支持本地化信息和资产跟踪和寻找服务。蓝牙已经培育了一个成熟的生态系统，以确保您能够以正确的成本找到最佳的技术，同时获得将产品推向市场所需的开发和测试工具和服务。

Q. 什么时候蓝牙网状网络可用于商业产品？

A. 今年可以看到有蓝牙网状网络技术的商业产品。

Q. 我需要怎么做以构建蓝牙网状网络产品？

A. 要建立蓝牙网状网络产品，您需要兼容的硬件和软件。蓝牙网状网络需要支持GAP Broadcaster和Observer roles的底层蓝牙LE 4.x或5.0堆栈，以广播和扫描数据包。

要在蓝牙LE上使用蓝牙网状网络协议，建议您使用蓝牙模块提供商的SDK，其中包括具有相应API的蓝牙网状网络协议。

Q. 需要做哪些以构建蓝牙网状网络手机应用程序？

A. 要开发适用于蓝牙网状网络产品的智能手机或平板电脑应用程序，如果您的移动操作系统提供合适的API，使应用程序能够满足Mesh Profile规范中定义的蓝牙LE广告包的相关要求，则应使用advertising bearer方式。在所有情况下，advertising bearer是首选bearer。在无法使用advertising bearer的地方，您可以使用Bluetooth Mesh代理协议来启用通过proxy node与网状网络的通信。proxy protocol可以在标准蓝牙低功耗GAP和GATT API之上实现。

Q. 传感器解决方案是否将从蓝牙广播转移到网状网络？

A. 是的，我们期望许多传感器解决方案采用网状网络。其范围，数据容量和安全功能优于广播，非常适合传感器网络。  

Q. 蓝牙网状网络是否具有更高的功耗？

A. 不，传感器和类似的电池供电设备在蓝牙网状网络上作为低功耗节点运行。他们只需要每四天醒来至少一次，或者当他们有数据传输时，如温度读数。这允许非常低的功耗。

Q. 我可以使用蓝牙网状网络将音乐发送到家中的所有扬声器吗？

A. 不，无线音频产品（如扬声器）使用蓝牙基本速率/增强型数据速率（BR / EDR），其设计用于连续无线连接并针对音频流进行优化。蓝牙网状网络使用蓝牙LE，其设计用于短突发无线连接，是多对多设备消息传递的理想选择。

网状网络规范仅适用于蓝牙LE，不支持音频流。

Q. Mesh是否影响附近运行的其他蓝牙无线设备，如听音乐？

A. 不，您可以继续听音乐，同步您的活动跟踪器，并在网状网络中或附近查看智能手表上的通知。

Q. 是否有其他蓝牙低能耗网络拓扑可用？

是的，可用于蓝牙LE的其他网络拓扑包括：

• 点对点：用于创建一对一（1：1）设备通信，是数据传输的理想选择，非常适合连接的设备产品，如健身跟踪器和健康监视器，以及

• 广播：用于建立一对多（1：m）设备通信，优化本地化信息共享，是信标解决方案的理想选择，例如提供兴趣点（PoI）信息和项目和方式的信标解决方案，寻找服务。

信息中继问题

Q 为什么蓝牙选择flood-based消息中继方式？

A. 对信令中继的managed flood方式最能满足实现简单，可靠和可扩展的网状网络的要求。

使用managed flood messaging，不需要创建和管理复杂的路由表。即使在路由解决方案中，可以自动生成表，因此可能会发生重大的网络中断。

Managed flood messaging本质上是多路径，确保信息到达目的地。它也是固有的点对点，允许所有节点直接相互通信。没有中心集线器或路由节点，没有单点故障。

在大多数网状网络实现中，大量百分比的消息流量是多播的，例如建筑物中控制数十或数百个灯光的单个灯开关。蓝牙网络的managed floodmessaging传递方式，结合其发布/订阅群组消息传递模式，为具有高性能的大型网络提供极高效的消息传递。

Q. 所有flood-based的网状网络是否功率低？

A. 不，在一个简单的flood-based网状网络中，可以这样做，但是蓝牙技术实现了只有主供电节点用作消息中继的managed flood 方式。低功耗节点，如电池供电的传感器，不对信息中继负责。在蓝牙网状网络中，具有纽扣电池的低功率节点可以运行多年。

Q. 蓝牙网状网络如何处理多播消息？

Bluetooth Mesh使用发布/订阅组消息传递方式处理多播通信。

将一半的地址空间分配给组地址，并且可以将消息发送到组地址。可以将每个节点配置为订阅一组组地址，并将消息发布到一组组地址。

例如，灯光开关可以向“走廊组”发布“打开”信息，沿着走廊的所有灯将被订阅相同的“走廊组”地址。但灯也可能被订购到其他群体，如“地下组”，“全灯组”和“紧急出口路线”组。

Bluetooth Mesh也支持虚拟地址，通过允许128位UUID充当目标地址来扩展组地址。 Label UUID的散列用于减少检查UUID的开销。每个哈希值代表数百万个不同的标签UUID，增加了潜在的虚拟地址的数量。

配置问题

Q. 什么是配置？

A. 配置是将设备添加到指定的网状网络的过程。它将设备转换为网络中的节点，并包括安全密钥分发以及为要添加的设备创建唯一的ID。

Q. 我可以备份我的配置数据并恢复吗？

A. 是的，您可以备份配置数据。这在规范中没有定义，所以你可以使用任何你喜欢的备份机制。

一般架构问题

Q. 什么是节点？

节点是蓝牙网状网络上的配置设备。

Q. 我可以在单个网络中拥有多少个节点？

A. 虽然该规范允许配置多达32,000个节点，但我们不希望在现实世界中快速实现这些数字。然而，我们已经看到超过1000个节点的代表性网络，远远大于当今市场上的其他低功耗网络技术。

Q. 蓝牙网状网络需要不同类型的节点吗？

不，蓝牙网状网络的特殊性是，网络中的所有节点都是分散的，可以直接相互通信。

没有集中式集线器或路由节点，因此没有单点故障。然而，为了适应低功率节点，如电池供电的传感器，只有一些节点执行消息中继功能。

一些节点承担附加功能以支持低功耗节点的消息传递。这允许低功耗节点保持网络的一部分，但它一次可以睡几个小时或几天，直到需要报告一些信息。因此，使用纽扣电池的低功率节点可以运行多年。

Q. 什么是模型和属性？

A. 蓝牙为开发人员采用了简单而强大的方法来描述蓝牙网状网络上的一个节点，并且可以与其他节点进行交互。这种方法是基于一组称为模型的构建块。模型由一系列具有定义的功能和行为的功能组成。有四类模型，包括泛型，传感器，时序和照明。通用模型是基本构建块，并定义了设备的标准功能，例如具有简单的开/关状态的能力。您可以组合通用模型或使用属性来增强它们。属性为模型提供了额外的值。

安全问题

Q. 蓝牙网状网络中的安全性如何处理？

蓝牙网状网络是一种真正的工业级解决方案，包括其安全方法。

• 使用经过验证的安全算法对添加到网络的设备进行配置。这使用256位椭圆曲线和带外认证来安全地添加设备。

• 所有通信都需要使用128位密钥的AES-CCM进行保护。所有网格消息都被加密和认证。

• 加密和认证应用于网络层和应用层两层。网络中的所有节点都可以帮助中继网络层的消息，而无需读取其内容。这些内容使用单独的应用程序密钥进行保护，提供真正的端到端安全性。

• 每条消息至少具有64位身份验证，但对于最长的消息，最多可以拥有多达1088位的身份验证。

• 模型在规范中组织，以对具有不同安全凭证的不同用户进行交易。这样可以让维护人员完全控制网络配置，同时允许员工进行互动。

• 通过在发送的每个消息上强制新的序列号来防止重播攻击。

• 设备可以通过使用定义的密钥更新过程在网状网络中列入黑名单。在配置期间，每个设备计算唯一的设备密钥，只有配置者知道并可以更新。

• 消息通过模糊每个发送的数据包和刷新隐私来保护标识。这意味着即使您在走动时携带网状设备，嗅探网格数据包的人也无法跟踪您。

Q. 什么样的安全攻击是蓝牙网状网络设计来防止的？

• 通过使用128位密钥和每个数据包上至少64位的身份验证来防止强力攻击。

• 通过使用发送的每个数据包的新序列号并检查每个收到的数据包来防止重播攻击。

• 在使用带外认证的配置期间，使用ECDH加密技术可防止中间人攻击。

• 使用密钥刷新过程阻止垃圾邮件攻击，允许所有剩余设备中的密钥和将已删除/损坏的设备列入黑名单。有人拆卸一个被丢弃的设备，它不能显示任何安全信息。

• 通过使不安全位置的设备与物理上安全的位置具有单独的密钥来防止物理上不安全的设备攻击。这可以防止有人攻击门铃并发送消息来解锁门。

• 通过使客人和访问者使用一组单独的键临时访问网络，并限制访问网络，从而防止访问者攻击。这些客人钥匙的使用寿命有限。

Q. 使用蓝牙网状网络时，是否会失去隐私？

A. 不，每个网格数据包被模糊化以保护用户的身份。侦听网状分组的攻击者无法确定哪个设备发送该消息，因为没有标识值，例如源或目的地址。每次中继一个消息时，这个混淆信息被改变，消除了跟踪消息流的能力。

Q. 如果我的邻居也有蓝牙网状网络会怎么样？

A. 每个网格分组包括一个小的标识符，用于确定网格分组所属的网络。一个网状网络中的设备不能解密或认证来自另一个网状网络的网格分组，并且它不会中继这些消息。每个网状网络完全隔离。

可靠性问题

Q. 我如何知道我的蓝牙网状网络上的节点是否停止工作？

A. 蓝牙网状网络上的节点发出heartbeat消息。此外，还有一个强制性的Health模型，允许设备发送故障信息。例如，如果设备过热，则会发送“过热故障”消息。

Q. 如果节点断开，流量是否受影响？

A. 否，中继停止工作的消息的节点不会停止网络。 Flood消息中继创建一个固有的自愈网络，因为消息同时通过多条路由发送。

其他问题

Q. 规格何时可用？

A. 蓝牙网状网络规范以及使用网状网络支持来限定蓝牙产品所需的工具现已提供，可访问此链接获取：https://www.bluetooth.com/specifications/mesh-specifications

Q. Bluetooth Mesh网络规范的资质认证过程是否与其他蓝牙规范有所不同？

A. 不，过程是一样的。Core Specification Addendum 6 (CSA 6)引入了新的蓝牙网状网络术语，但产品类型类别和允许组合（在Bluetooth Core Specification第0卷中定义）不变，成员仍然负责满足资格认证计划的资格要求参考文件（PRD）。要了解有关为Bluetooth Mesh或任何其他蓝牙规范限定新的或修改的产品的更多信息，请查看蓝牙Qualification Process。

Q. 今天可以使用蓝牙网状网络开始符合产品吗？

A. 是的，如果您准备好符合Bluetooth Mesh的新产品或修改后的产品，请点击：

https://www.bluetooth.com/develop-with-bluetooth/qualification-listing/qualify-your-product

Q. 我可以通过Bluetooth Mesh低功耗功能来限定我现有的蓝牙产品吗？

A. 否，现有产品无法支持Bluetooth Mesh。然而，这些产品可能已经具有被添加到网状网络上的固有能力。

Q. 我应该知道有蓝牙网状网络的任何品牌改变吗？

A. 不，所有合格的蓝牙产品继续使用蓝牙组合标记和/或图形标记。点击下载蓝牙品牌指南和注册商标文件：https://www.bluetooth.com/develop-with-bluetooth/marketing-branding/brand-guide-logos