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1、毕毕 健iHealth中国研发发中心蓝蓝牙高级级工程师师 邮箱： bi_译文版本：V1.0 完成时间： 2017.11.11 备 注 ：1蓝蓝牙mesh基 础础致开发发者：2017夏，蓝牙低功耗技术引入了一种新的网络拓扑类型 - Mesh。 mesh 的引入使得蓝牙在低功耗无线通信技术领 域更具优势 ，在许多新兴领域 如智能家居，工业物联网，楼宇自动化等势必会得到更好的应用。蓝 牙Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for DevelopersContributorsMartin Woolley AuthorSarah Schmidt Gra
2、phic Designer目 录录 2017 Bluetooth SIG Proprietary.21.0 介绍绍 . . . . . . . . . . . 42.0 执掌生活 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62.1 智能建筑获得真正的智能73.0 蓝牙mesh基础 . . . . . . . . . . 8 3.1概念和术语9 3.2mesh 与 点对点9 3.3 设备 与节点93.4 元素10 3.5 消息10 3.6 地址10 3.7 发布/订阅113.8 状态和属性11 3.9 消息,状态及属性12 3.10状态转
3、变12 3.11 绑定状态12 3.12 模型13 3.13 通用性13 3.14 情景13 3.15 开通配置14 3.16 特性14Bluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers3.0 蓝牙mesh基础 (续) 17. 中继节 点18. 低功耗节点与友节 点19. 代理节点20. 节点配置 2017 Bluetooth SIG Proprietary.315 15 15 1 64.0 Mesh系统架构. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1 概述
4、184.2 承载层18 4.3 网络层18 4.4 底层传输层19 4.5 上层传输层19 4.6 接入层19 4.7 基础模型19 4.8 模型195.0 安全性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.Mesh 网络安全特性具有强制性 2.Mesh 网络安全性基本原则3.关注点分离与mesh安全密钥 4.节点移除， 密钥刷新及垃圾桶攻 击 5.隐私 6.重放攻击21 21 2122 22 236.0 蓝牙mesh在行动 241.消息发布与传递 2.多路径传递 3.
5、管理型网络泛洪4.协议栈 中消息的传 递25 25 25257.0 蓝牙Mesh 正待勇士开拓的疆场 . . . . . . . . . . . . . . 27 7.1参考资料28back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers1.0 介 绍绍 2017 Bluetooth SIG Proprietary.4back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers1.0 介绍绍2000年，蓝牙技术面世，
6、用以替代线缆进 行无线通 信。此后的十几年间，蓝牙得到了快速的发展，很快在无 线音频及计算机周边产 品如无线鼠标，键盘 等领域占据了 统治地位。2010年，蓝牙低功耗技术（BLE）面世，推动蓝 牙技 术向前迈进 了重要一步 。其影响深远，主要体现在智能 手机，平板，以及医疗健康，智能家居，可穿戴产品等领 域。基于网状拓扑类型的无线通信系统可以覆盖更大的范 围，使得通信距离变长 ，同时系统的鲁棒性得到加强。但 是他们仍然是一种小众技术，主要是因为与现有的大多数 计算机，智能手机等设备 不兼容，因而没有得到大范围的 推广和应用。为了将mesh技术应 用到蓝牙中，120个蓝牙SIG成员公 司先后参与
7、到这项 工作中。与以往情况不同，此次规模之 大，涉及范围之广，充分表明了业界对蓝 牙mesh技术标 准制定的迫切需求。蓝牙mesh技术的添加代表了一种技术类 型的变化，这 种变化如此巨大，我们甚至可以认为这对蓝 牙技术标准来 说是一次整体模式的转变 。（译者注：蓝牙特别兴 趣小组 The Bluetooth Special Interest Group (SIG)，是一个非盈利性组织 ，致力于蓝牙 技术标 准的开发，和蓝牙技术应 用及商标的授权。公司成 立于1998年，总部位于美国华盛顿。） 2017 Bluetooth SIG Proprietary.5back to contentsBlu
8、etooth Mesh Networking / An Introduction for Developers2.0 执掌生 活 2017 Bluetooth SIG Proprietary.6back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers2.0 执掌生活智能建筑将获获得真正的智能 想象一下，在一个天色昏暗的冬日的早晨，你驱车前 往公司。公司的安全系统识别 了你的车，让你进入公司， 同时分配给你一个停车位。此时，你的停车位上的灯亮 起，指引你快速停到那个位置。之后，这个车位分配系统 将自动进
9、行更新，显示该车 位已使用。进入公司大楼后，相应的传感器注意到有人进入，并 从你身上的可穿戴设备 如手表等识别 到你。你乘坐电梯到 达二楼，像往常一样，你是第一个到达的。当电梯门打开 时，从电梯室到办公室及开水间的灯自动打开。咖啡在你 们公司是非常重要的，所以开水室的灯才会自动打开，其 它区域的灯关闭，从而节省能量。你走进办公室，屋顶灯和台灯已经打开了，并且是你最喜 欢的亮度等级。你注意到办公室温度比其它区域温度略高， 这正是你之前设置的。你靠近办公电脑 ，此时电脑 自动登 陆你的账户 。现在你可以开始办公了，并且整个办公环境考虑到了个 人偏好，充分满足了你的需求。很显然这种这种系统是十分高
10、效的，那么它是如何实现的呢？你们公司几个月前使用了蓝牙mesh技术，最开始安装在照 明系统上，随后添加到Occupancy sensor，环境传感器，无线 暖气控制系统，停车管理系统等网络中。这样 ，公司可以在 电力和热力系统上省上不少费用，而且工作环境更加人性 化，从而使员工的工作效率更高。整个系统的维护 成本也 在下降，例如加入电灯开关不再需要布置昂贵且麻烦的电 线了。系统采集的数据可以供大楼管理人员分析，从而了 解这栋 建筑，以及它所提供的服务和人们对这 些服务做出 的反应，进而对整个系统进 行优化。我们可以控制某栋建筑提供的服务，与其进行无线 交 互，使其行为更加自动化，而蓝牙mesh
11、正使这一切更 加方便且低成本。你甚至会感到惊讶之前没有这些技术是怎 么生活的。（译者注： Occupancy sensor，一种室内运动检测 设备 ，检测 到人体时会自动打开灯，温度调节 装置及通 风系统。这种传感器多使用红外，超声，微波等技术， 主要用来节省能量，提供自动控制。）图 1 - 蓝牙mesh可以分布于办公室和停车 处 2017 Bluetooth SIG Proprietary.7back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers3.0 蓝牙mesh基 础 2017 Bluetoot
12、h SIG Proprietary8back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Introduction for Developers3.0 蓝牙mesh基础概念及术语术语要认识蓝 牙mesh技术，需要读者了解一些新的技术 概念与术语 ，这些在之前蓝牙低功耗（BLE）的世界里是没有的。本章我们将带你认识 一些最基本的概念及术语 。mesh vs 点对对点我们所见到的大多数BLE设备 都是进行一对一的数 据通信的。这是一种点对点的网络拓扑类型，在蓝牙核心规 范中被称为“微微网”（piconet）。假设一个智能手机与一个心率检测 器建立了一个点对
13、点的连接，这样 它们之间就可以传输 数据了。蓝牙的一个 优点就是可以让设备 建立多个连接，所以这台智能手机可 以再与另一个运动追踪设备 建立连接。此时，手机可以同 另外两台设备进 行通信，而这两台设备 之间无法直接进行 沟通。与以上情况相反的是，mesh拥有多对多的网络拓扑 类型。每一台设备 都可以与网络中的其它设备进 行通信（我们会在第6章进行更深入的讨论 ）。设备间 的通信 以消息的形式传递 ，一台设备 可以将某一台设备发 来的消息 中继到另一台设备 ，这样 就可以扩展端到端的通信范围， 这个范围远 超过一个单独设备蓝 牙无线电 所覆盖的范围。设备设备 和节节点mesh网络中的单台设备 称
14、做节点（node），网络外 的设备 称为“未开通配置设备 ”（unprovisioneddevices）。将某个“未开通配置设备 ”转化为网络节 点 的 过程称为“开通配置”（provisioning）。例如，你买了一 个带有mesh功能的蓝牙灯，你需要把它带回家并进行简 单的配置，从而将其加入到家中原有的mesh网络中，这样你就可以通过家里的电灯开关与调光器对其进行控制 了。这一过程即为“开通配置”（provisioning）。“开通配置”过程是每一台新设备 都要经历 的，在这 个过程中，新设备 会获取一系列的密钥，同时告知“启动 配置设备 ”(provisioner device，通常是智
15、能手机或者平板电脑 )有新设备 加入到网络中。其中有一个密钥叫做网络 密钥，即NetKey。在后续章节我们会再对mesh的安全性进 行深入讨论 。Mesh网络中的每个节点都拥有至少一个NetKey，正 是这个NetKey让其成为相应网络的一员。节点的正常工作 需要满足许多条件，而NetKey则是最基本的第一步工作。 随后我们会对“开通配置”的过程展开深入的讨论，在此 不再赘述。图 2 - 一种具有消息中继功能的多对多网络拓扑类 型 2017 Bluetooth SIG Proprietary.9back to contentsBluetooth Mesh Networking / An Int
16、roduction for Developers元素有些节点由多个独立的部分组成，每一个部分都可 以进行单独的控制。在蓝牙mesh中，这些独立的部分称 为元素（element）。图3即为网络中的一个灯节点，它 有3个元素，每个LED灯泡有一个元素。每个节点至少拥 有一个元素，称为主元素（Primary Element）。节点中 的每个元素都有一个唯一确定的地址，称为单 播地址 (unicast address)，这样 每个元素都可以独立寻址。条响应信息。这条响应信息有两个作用：1.告知消息发送 方，消息已接收；2.返回消息接收方需要告知发送方的某 些数据。需要应答的消息如果没有得到响应，则可能会被发送 多次,所以这种消息必需具有幂等性。幂等性意味着这种 消息不论到达接收节点多少次，与其到达接收节点一次产 生的效果都是相同的。否则如果因为某些意外，消息多次到达接收节点，则有可能使接收节点的状态变 得不确定。 不需要应答的消息不要求接收者发送响应信息。地址 消息必须从一个地址发送到另一个地址。蓝牙mesh协议
