蓝牙|BLE Mesh详解

What is BLE mesh

BLE mesh的正式版本于2017年07月发布，V1.0，目前（截止2018年5月还是这一版本）。BLE即是低功耗蓝牙，在Bluetooth core spec 4.0时提出，早前都是经典蓝牙，初始版本于2000年发布，一般叫BR/EDR(Basic Rate and Enhanced Data Rate)经典蓝牙。经典蓝牙的功耗相对较高，在经过1.0到3.0的几个版本迭代后，数据传输速率上有比较大的提升，目前的应用领域主要有蓝牙音箱、蓝牙耳机，以及早期的蓝牙鼠标和键盘等。BR/EDR是典型的“点对点”的通信方式，主要用于替换近距离的有线数据传输的应用。

在2010年SIG发布了低功耗蓝牙BLE，BLE和BR/EDR经典蓝牙的区别是相当大的，因此两者通信上是不兼容的，因此BLE出来时也催生了蓝牙的“双模”这样的说法，就是一个蓝牙设备如果是同时支持BR/EDR和BLE的，就是双模蓝牙。BLE的数据速率对于经典蓝牙而言，并没有优势，经典蓝牙的速率是更快的，但是BLE的功耗极低，BLE的提出，应当也是看到了当时的一些嵌入式设备、电脑周边设备等低功耗的需求，因此BLE目前主要用于一些电池供电的嵌入式设备，常见的有蓝牙遥控器、心率监测、蓝牙手表、手环等。应用场景如便携式手机、平板，健康领域，智能家庭领域以及穿戴领域。

BLE其实是支持星型网络拓扑的，即Central是可以连接多个Peripheral角色的设备的，当然，实际的Central能够连接的Peripheral的个数是很有限的，首先是Central的memory，每增加一条链路，其协议栈所耗费的memory就会增加不少。更为关键的是，RF的链路维持，BLE是以connection interval为基础，Master(Central)和Slave不断的同步来保持链路的，而星型拓扑，随着连接的Peripheral数量增加，其实分到每一个Peripheral的interval是非常小的，而且Master要处理好所有Peripheral链路的保持，不至于冲突，又不至于掉线。当然BLE的广播也是可以支持一对多的通信的，这个技术应当就是BLE mesh的基础了。

BLE mesh，应当就是基于上面的BLE的网络拓扑的限制，而提出的，而且可以支持“多对多”。因此BLE mesh是被设计用于大规模节点互相通信的网络支持的特性的。其应用目标场景是比如楼宇自动化、传感器网络、以及更多的IoT应用。因此BLE mesh并非新的协议栈技术，它是基于BLE技术的，只是规范了上层的网络层应用，使之支持多对多的应用场景。

下图支持从SIG官网获得，便于理解：

BLE mesh的工作方式

BLE mesh的目标是可信安全的网络，全部的互通操作性，成熟的生态，满足工业级别的应用，支持大规模节点数量的组网。BLE mesh的工作方式是”managed flood”–有管理的泛洪消息传播。泛洪的方式使消息的传播非常可靠，易于扩展，且性能满足商业与工业市场。

BLE mesh的期望是更多场景下的Beacon应用，机器人，工厂自动化，能源管理，智能城市以及更多IoT以及制造业的解决方案。

BLE mesh的可能未来

根据ABI调查预期，2021年将会有48 billion的联网设备，其中1/3将是蓝牙设备。SIG期望mesh能在商业照明和工厂应用中，能产生大的影响，并且能够成为IoT生态的一种普遍使用的技术。

当然，目前而言，mesh还只是刚刚起步。

Mesh主要需要解决的应用场景的特点是：

• 大范围的覆盖能力
• 拿来即可使用-很强的互操作性
• 对大规模节点设备的监测与控制能力
• 尽可能优化的低功耗能力
• 射频资源的有效利用，可扩展性强
• 与目前的智能手机、平板、PC产品兼容
• 工业标准级别、政府级别的安全性

上面的大范围的覆盖能力，是通过mesh网络的relay(中继)功能来实现的，即在mesh网络中，消息可以被临近的节点relay出去，这样经过多跳之后，消息再到达目标节点。因此传输覆盖能力，指的是在mesh网络覆盖的范围内，通过其网络内部的节点的relay去实现，同时也可以解决点对点的BLE通信时的遇到障碍物会通信不畅的问题。
同时relay也引出了mesh网络的“Managed Flooding”，就是消息会以泛洪方式传播，只要relay节点收到消息，那么它就会将消息广播给其周围的节点。Flooding的方式是不需要有中心节点去协调的（如Zigbee就有router和coordinator），因此并不会去选择最优路径去传播，而是消息可能通过许多条路径先后到达……于是，这同时也为Flooding的网络带来了问题，消息其实传输一次并成功即可，这种方式会有太多的冗余的传输，造成能量的消耗和网络数据的阻塞。
因此“Managed Flooding”也在一定程度上，针对以上的问题进行优化。其一就是TTL值，使消息最多能传播TTL跳，其次是Heartbeat消息，此消息包含了使网络了解其拓扑，使设备能将TTL设定为一个最优的值。最后是cache消息，即设备上次relay过的同样的消息过来，会直接忽略。
尽可能优化的低功耗能力，这个是通过mesh里面的Low Power Node来实现的，Low Power Node不是单独存在，而是需要搭配Friend Node存在的，形成“Friendship”关系。即Low Power Node是可以尽量低功耗的休眠的，但Friend Node是不能长时间休眠的，它需要帮Low Power Node去cache一些信息。
与目前的智能手机、平板、PC产品兼容这一点，其实是通过BLE的GATT来实现，mesh里面实现了一种Proxy的Node，可以将GATT数据转为广播数据，这样使原来的BLE设备能够和Proxy Node建立连接，然后通过Proxy Node去和mesh网络沟通。
工业标准级别、政府级别的安全性是mesh尤为注重的，比如重放攻击是通过sequence number来防范，中间人攻击是通过在关键步骤（Provision）使用非对称加密方式来防范，垃圾桶攻击是通过密钥更新来防范。
BLE mesh目前的预期还是楼宇自动化、商用灯具、传感器网络。这些应用其实也是mesh平台，比如楼宇的mesh灯具，既可以通过mesh网络灵活控制，同时又是楼宇里面的mesh网络平台，可以以此为基础构建资产跟踪与定位应用等等。