Bluetooth MESH探究 --- (8) 怎么实现MESH网络？

Bluetooth MESH目前采用的是基于flooding协议的MESH网络技术。在发布的协议版本中，有提到在未来的修订版本中可能会加入基于路由协议的MESH网络。

 

的确，flooding协议是相对比较初级的MESH网络技术。由于在网络层中的数据包都是以广播的形式发送并且转发，会在网络中产生大量重复发送的数据包，从而对网络的整体功耗有很大程度的负面影响。目前的flooding MESH协议，只适合于规模比较小的网络，而且不适合于网络数据量比较大的应用场景。

 

在介绍网络层协议之前，首先对BLE MESH的网络架构做个了解(图片来源于协议规范)。

上图中一共有四种连接，五种节点，下面分别做介绍：

四种连接：

(1) ADV(Not Relayed)：两个节点之间可以互相收发广播消息，但是由于不是中继节点，不能中继转发数据包；

(2) ADV(Low power)：用于low powernode与friend node之间收发数据包，如上图中的J与P之间的连接、L与O之间的连接。在这个连接上，low power node会主动发起请求建立friendship连接，以及从friend node查询是否有自己的数据。

(3) ADV Bearer：两个节点之间可以基于advertisingbearer收发广播消息，并且可以作为中继转发；

(4) GATT Bearer：用于没有ADVbearer能力的节点也能参与MESH网络。比如，节点T可以通过代理协议与其它节点在GATT连接上收发代理PDU。

 

五种节点：

(1) Node: 网络边缘的节点，没有relay功能。

(2) Low power node: 低功耗节点，由于有friendnode的存在，low power node不需要一直在广播信道发送或者监听数据包，可以更节省功耗。Low power node只需要定期的从它的friend node查询是否有数据到达就可以。

(3) Relay node: 是网络层扩展网络覆盖范围的核心节点，在接收到其它节点发送的数据包之后，根据网络的设定条件判断是否需要转发。

(4) Friend node: 作为low powernode的代理节点功能，当有low power node节点的数据下达时，可以在friend node缓存，等待low power node查询并且获取。

(5) Friend feature(not used): 在上图中，节点N具有friendfeature，但是它没有相应的low power node，所以friend feature没有使用。

 

在Provisioning节点为网络中的节点设定好相应的role之后。节点在网络层发送、中继以及接收数据包主要依赖于网络PDU的格式，其中，最主要的决定网络层行为的几个关键参数是NID、TTL、SRC以及DST。网络层PDU的组成以及描述如下表所示(图片来源于协议规范)：

当一个节点收到网络数据包时，它需要根据下图所示的流程进行处理(图片来源于协议规范)：

(1) 如果节点接收到数据包，首先判断NID是否匹配，如果不匹配，则直接丢弃该数据包；

(2) 判断NID满足之后，需要对网络数据包进行完整性验证，如果验证不通过，则丢弃该数据包；

(3) 对源地址和目的地址进行有效性判断，如果地址无效，丢弃该数据包；

(4) 在cache中查找是否之前已经收到过该数据包，如果收到，则丢弃该数据包；

(5) 如果没有收到，则将该数据包放入cache，并根据节点类型、TTL值以及DST值进行判断是否需要转发，只有在如下三个条件都满足的情况下才relay该数据包。

Ø  节点类型为relay node；

Ø  TTL值大于等于2；

Ø  DST地址不为本节点；

(6) 如果不满足relay条件，则丢弃该数据包。

(7) 如果满足条件，在relay数据包时，需要将数据包报文中的TTL值减1，然后继续广播。

 

下面以前文所列的拓扑图为例，介绍一个数据包的转发的完整过程：

场景：节点J需要发送数据包给节点E，TTL值设定为3.

 

(1) 首先，节点J发送数据包给节点P；

(2) 节点P收到收据包，由于转发条件都满足，节点P将TTL修改为2，广播该数据包。此时，节点A、Q以及H都会收到该数据包；

(3) 由于节点A以及节点H不是relay节点，将不会转发该数据包。

(4) 节点Q收到数据包后，判断转发条件都满足，节点Q将TTL修改为1，广播该数据包。此时，节点A、B、C、D、E以及R都会收到该数据包；

(5) 由于节点A、B、C、D不是relay节点，将不会转发该数据包。节点E收到数据包之后，判断DST地址是自己，则会处理并且将该数据包发给上层。节点R收到数据包时，虽然它是relay节点，但是由于TTL为1，节点R会丢弃该数据包。

 

小结：

BLEMESH的flooding协议虽然比较简单，但是它有比较明显的缺点，比如，大量的广播包转发消耗更多的网络能量，所以目前BLE MESH的应用范围还是比较受限。正如协议中所描述，在后续的修订版本中可能会引入基于路由协议的MESH网络，到那时BLE MESH的应用范围能够更广泛。