蓝牙Mesh协议一基本概念

前言

蓝牙SIG联盟在2017年发布了蓝牙Mesh1.0的协议规格，基于低功耗广播包来实现的多对多的通信技术，Mesh协议建立在BLE的物理层和链路层上，所以也可以和BLE的蓝牙进行通信

本章主要介绍蓝牙Mesh的基本概念和协议中的层级结构，也是参考网上的资料，如有异议，欢迎留言指正

基本概念

广播和洪泛

蓝牙Mesh技术是基于BLE的广播报文来实现的，是一种洪泛的消息传输机制，Mesh网络的节点间通过3个广播信道进行通信。当蓝牙Mesh网络中的节点收到消息后会转发这条消息，大大增加了网络的覆盖范围；但也会引起网络消息泛滥从而造成通信延迟，蓝牙Mesh采用了消息缓存队列和TTL的优化方案来避免消息的无限制转发

• 消息缓存 Message cache：设备都会缓存收到消息的关键信息，以确定是否已经转发过此消息，如果是就忽略此消息。Message cache至少需要能缓存两条消息
• Time to Live(TTL)： 每个消息都会包含一个Time to Live(TTL)的值，来限制中继的次数，最大可以中继126次。消息每转发一次TTL的值就减1，TTL值为1就不再转发

广播链路

Mesh节点在网络内发送数据不会像普通BLE广播需要等一个固定的广播间隔，而是延迟一小段随机时间后发送，所以为了数据不丢失，节点会启用100%占空比来扫描广播信道，也就是扫描窗口时间=扫描间隔

节点与设备

• 未配网设备（Unprovisioned Device）：尚未加入Mesh网络的设备叫做未配网设备
• 配网（Provisioning）：未配网的设备成为节点的过程
• 配网器（Provisioner）：对未配网设备进行配网从而成为网络节点
• 节点（Node）：加入到Mesh网络之后的设备，成为蓝牙Mesh网络的一份子

网络和子网

一个蓝牙mesh网络中有4种资源被整个网络共享，分为节点的网络地址（Network Address）、网络密钥（Network Key）、应用密钥（Application Key）和 IV Index。在这个基础上，可以划分出多个子网络（Subnet）

元素和地址

• 节点由元素（Element）组成，节点至少包含一个主元素，每个元素都有自己的地址，例如一个两插孔的插座节点，每个插孔就是一个元素
  

• Mesh网络节点地址分成4类。占用两个字节

  • 单播地址：分配给节点中的元素地址，地址范围0x0001~0x7FFF，
  • 未分配地址：即无效地址，固定为0x0000，地址的初始值，常用于屏蔽一个设备
  • 组播地址：用于表示一个或多个节点的多个元素，地址范围0xC000~0xFFFF，其中包含256个固定组播地址
  • 虚拟地址：用于表示一个或多个节点的多个元素，每一个虚拟地址逻辑上对应一个128-bit的Label UUID，通过对该Label UUID作哈希运算得出虚拟地址的低14位数值，虚拟地址的范围为0x8000~0xBFFF

模型

模型(Model)定义了节点基本功能的最小单位模型，包含实现这个功能所必需的状态和操作状态的消息及其他一些行为，如台灯设备的开关 灯光亮度调节模型包含了三个部分

• 状态：表明节点中元素处某一个特定状态，即台灯中包含开关和亮度的状态值
• 消息：SET/GET/STATUS三种类型，分别用来设置请求发送状态值
• 行为：定义了模型在接收到消息后所作的动作行为， 比如开关模型定义的行为就是在收到了SET的消息后，On/Off的状态就要变为SET消息里给定的值，如果收到了GET消息那么就把On/Off的状态通过STATUS消息传给询问方.

在蓝牙mesh模型里，消息通信基于客户端-服务器的架构，对外提供状态访问接口的叫做服务器（Server），而访问服务器状态的叫做客户端，模型分为三种

• 服务器模型：服务器模型包含了一个或多个元素上的一种或多种状态，比如灯泡上包含有通用开关服务器模型（Generic OfOff Server）和灯泡亮度服务器模型（Light Lightneww Server）
• 客户端模型：客户端模型定义了一系列的消息，用于客户端去请求、设置服务端的状态，比如开关中含有通用开关客户端模型(Generic OnOff Client)以及灯亮度客户端模型(Light Lightness Client)，客户端模型不含有状态
• 控制模型：控制模型可以包含一个或多个客户端模型，用来和其他节点的服务端模型通信；也可以包含一个或多个服务端模型，用于响应其他节点客户端模型发来的消息

蓝牙技术联盟定义的模型被称为标准模型（SIG Adopted Model），16bit标识，目前SIG定义好的模型包括Generic、Sensors、Time and Scenes、Lighting；由厂商定义的模型称为厂商模型（Vendor Model）,32bit标识

发布和订阅

节点可以向单播地址、组播地址、虚拟地址发布（publish）消息，其他节点也可以通过订阅（subscribe）这些地址来获得这些消息；如客厅中的灯具可以订阅客厅的组播地址

网络安全

mesh对传输的数据进行分层次加密，网络层（Network Layer）数据通过网络密钥（Network Key）加密；应用密钥（App Key）用于加密接入层（Access Layer）数据；配置模型（Configuration Model）的数据则采用设备密钥（Device Key）进行加密

• 蓝牙mesh的安全是强制性的
• 设备加网的过程是采用了256 bit椭圆曲线加密和带外数据认证的方式
• 所有mesh的消息都经过128 bit AES-CCM加密和认证
• 加密和认证在网络层和应用层都得以实现
• 重发攻击被消息里包含强制更新序列号的方式所阻止
• 在mesh网络中通过刷新密钥来防止垃圾桶攻击

网络拓扑

Mesh网络中有4种功能节点，每个Mesh设备可以有选择的支持，分别为

• 中继功能（Relay）：那些使能了此特性的节点可以通过Advertising Bearer接收并转发消息给mesh网络其他设备，它只转发不在消息缓存和TTL的值大于1的消息，转发前会把TTL的值减1。支持中继功能的节点称为中继节点
• 代理功能（Proxy）：为了兼容不支持蓝牙Mesh的BLE设备（比如手机），能够采用BLE GATT Bearer的方式和BLE设备通信，实现mesh广播数据包和GATT通信数据包的转换，支持代理功能的节点称为代理节点
• 低功耗功能（Low Power）：主要是应用在低功耗设备上，减少设备工作时间，大部分时间处于休眠状态，需要配合朋友节点，支持低功耗功能的节点称为低功耗节点
• 朋友功能（Friend）：帮助低功耗功能节点缓存消息，便于低功耗节点唤醒后向其查询消息，支持朋友功能的节点称为朋友节点

上图中，BLE设备（手机）T通过代理节点S进行GATT Bearer转换Adv Bearer进行网络通信；低功耗节点L、M、I、J、K分别通过朋友节点O、P来进行消息缓存

蓝牙MESH系统分层架构

蓝牙协议栈属于层级结构

• BLE层： 蓝牙mesh建立在BLE物理层和链路层之上，采用Advertising和Connection两种数据传输方式
• 承载层(Bearer Layer) ：把BLE层的数据抽象并供上层使用， 目前定义了两种承载，广播承载和GATT承载， 分别对应BLE的Advertising和Connection方式
• 网络层(Network Layer) ：定义了PDU的格式，负责基于地址的消息传输，实现对承载层的消息报文进行加解密和认证行为
• 底层传输层(Lower Transport Layer)：负责将数据分段和重组，保证数据的完整
• 上层传输层(Upper Transport Layer)： 负责应用层信息数据的加密，解密和认证；它还定义了节点间传输控制信息，包括了朋友特性的应用实现
• 接入层(Access Layer)：定义应用数据的格式，定义并控制应用数据在上层传输层的加密解密的过程；它确保从下层接收到的数据是正确的并传输到更高层的应用（指定到Model）
• 基础模型层(Foundation Model Layer)：定义了配置和管理Mesh网络所需的访问层的状态、消息、 模型等， 实现mesh网络的配置