BLE Mesh蓝牙组网技术详细解析之Lower Transport Layer下传输层（四）

目录

一、什么是BLE Mesh Lower Transport Layer下传输层？

二、未分段消息

2.1 未分段接入层消息

 2.2 未分段控制层消息

三、分段消息

3.1 超过多少个字节需要分段？

3.2 分段接入层消息

3.3 分段控制层消息 

3.4 分段确认消息

3.5 分段和重组流程

四、Lower Transport Layer如何接收数据

五、资料获取

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一、什么是BLE Mesh Lower Transport Layer下传输层？

BLE mesh下传输层的作用是对上层传输层的消息进行分段和重组，以适应BLE的物理层和链路层的限制。以及将网络层接收到的分段消息重组为完整的消息。下传输层可以处理两种类型的消息：分段消息和未分段消息。

• 分段消息是指上层传输层的消息长度超过BLE的最大载荷，需要被分成多个分段，每个分段包含一些额外的信息，如消息的序号、总数、大小等，以便接收方能够正确地重组消息。
• 未分段消息是指上层传输层的消息长度小于或等于BLE的最大载荷，不需要被分段，只需要添加一些简单的信息，如消息的类型、加密方式等，以便接收方能够正确地解析消息。

下传输层还负责对分段消息进行确认和重传，以保证消息的可靠性和完整性。下传输层使用一种管理型网络泛洪的方式，让具有中继特性的节点可以转发收到的消息，扩大消息的传播范围，同时采用消息缓存和生存时间等机制，避免消息的重复和无限循环。

二、未分段消息

未分段消息是指不需要分段的传输层消息，它们包括两种类型：

• 未分段接入层消息（Unsegmented Access Message），用于传输来自访问层的应用消息或配置消息，它们的长度为6-16字节，由一个1字节的控制字段和一个5-15字节的上层传输层接入消息PDU组成。控制字段中的SEG位为0，表示未分段，AKF位表示是否使用AppKey加密，AID位表示AppKey ID。
• 未分段控制消息（Unsegmented Control Message），用于传输来自上层传输层的控制消息，如心跳消息、友谊消息和分段确认消息，它们的长度为1-12字节，由一个1字节的控制字段和一个0-11字节的参数字段组成。控制字段中的SEG位为0，表示未分段，Opcode位表示控制消息的类型。

未分段消息的优点是传输效率高，不需要分段和重组的过程，也不需要确认重传的机制，但是它们的缺点是不能传输超过网络层PDU大小限制的消息，也不能利用分段消息的安全特性，如每个分段使用不同的网络层MIC。

2.1 未分段接入层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示是否为分段消息，未分段消息的值为0。
AKF	1	表示是否使用AppKey加密，值为1表示使用AppKey，值为0表示使用DevKey。
AID	6	表示AppKey ID，当AKF为1时有效，用于识别加密的AppKey。
Upper Transport Access PDU	40 to 120	表示上层传输层接入消息的PDU，包含OpCode、参数和TransMIC。

 2.2 未分段控制层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示是否为分段消息，未分段消息的值为0。
Opcode	7	表示控制消息的操作码，用于区分不同类型的控制消息，例如心跳消息、友谊消息等。
Parameters	0 - 88	表示控制消息的参数，用于携带控制消息的具体内容，例如心跳计数、友谊轮询地址等。

 

三、分段消息

BLE Mesh Lower Transport Layer分段消息是指需要分段的传输层消息，它们包括两种类型：

• 分段接入层消息（Segmented Access Message），用于传输来自访问层的应用消息或配置消息，它们的长度为5-16字节，由一个1字节的控制字段和一个4-15字节的上层传输层接入消息PDU组成。控制字段中的SEG位为1，表示分段，AKF位表示是否使用AppKey加密，AID位表示AppKey ID，SZMIC位表示TransMIC的大小，SeqZero位表示SeqAuth的最低13位有效位，SegO位表示当前分段位第几个分段，SegN位表示此条消息总共有多少分段。
• 分段控制消息（Segmented Control Message），用于传输来自上层传输层的控制消息，如心跳消息、友谊消息和分段确认消息，它们的长度为5-12字节，由一个1字节的控制字段和一个4-11字节的参数字段组成。控制字段中的SEG位为1，表示分段，Opcode位表示控制消息的类型，RFU位保留未来使用，SeqZero位表示SeqAuth的最低13位有效位，SegO位表示当前分段位第几个分段，SegN位表示此条消息总共有多少分段。

分段消息的优点是可以传输超过网络层PDU大小限制的消息，也可以利用分段消息的安全特性，如每个分段使用不同的网络层MIC。分段消息的缺点是传输效率低，需要分段和重组的过程，也需要确认重传的机制。

3.1 超过多少个字节需要分段？

在BLE Mesh下传输层，是否需要对消息进行分段取决于消息的类型和长度，以及网络层PDU的最大载荷。一般来说，有以下几种情况：

• 那么当消息长度大于等于12字节时，就需要进行分段。这是因为接入层消息至少有4字节的TransMIC，以及1字节的Opocde，所以未分段接入层消息最多为15字节，除去4字节的TransMIC，剩下11字节用于实际数据。超过11字节就要分段。
• 如果消息是分段确认消息，那么不需要进行分段，因为分段确认消息的长度固定为7字节。

/*BLE Mesh传输层发送数据子函数*/
/*源自开源协议栈NimBLE*/
int bt_mesh_trans_send(struct bt_mesh_net_tx *tx, struct os_mbuf *msg,
		       const struct bt_mesh_send_cb *cb, void *cb_data)
{
	const u8_t *key;
	u8_t *ad;
	u8_t aid;
	int err;

	if (net_buf_simple_tailroom(msg) < 4) {
		BT_ERR("Insufficient tailroom for Transport MIC");
		return -EINVAL;
	}

	if (msg->om_len > 11) {
		tx->ctx->send_rel = 1;
		tx->ctx->send_rel = true;
	}

	BT_DBG("net_idx 0x%04x app_idx 0x%04x dst 0x%04x", tx->sub->net_idx,
	       tx->ctx->app_idx, tx->ctx->addr);
	BT_DBG("len %u: %s", msg->om_len, bt_hex(msg->om_data, msg->om_len));

	err = bt_mesh_app_key_get(tx->sub, tx->ctx->app_idx,
				  tx->ctx->addr, &key, &aid);
	if (err) {
		return err;
	}

	tx->aid = aid;

	if (!tx->ctx->send_rel || net_buf_simple_tailroom(msg) < 8) {
		tx->aszmic = 0;
	} else {
		tx->aszmic = 1;
	}

	if (BT_MESH_ADDR_IS_VIRTUAL(tx->ctx->addr)) {
		ad = bt_mesh_label_uuid_get(tx->ctx->addr);
	} else {
		ad = NULL;
	}

	err = bt_mesh_app_encrypt(key, BT_MESH_IS_DEV_KEY(tx->ctx->app_idx),
				  tx->aszmic, msg, ad, tx->src, tx->ctx->addr,
				  bt_mesh.seq, BT_MESH_NET_IVI_TX);
	if (err) {
		return err;
	}

	if (tx->ctx->send_rel) {
		err = send_seg(tx, msg, cb, cb_data);
	} else {
		err = send_unseg(tx, msg, cb, cb_data);
	}

	return err;
}

3.2 分段接入层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是分段消息，值为1。
AKF	1	表示是否使用AppKey加密，值为1表示使用AppKey，值为0表示使用DevKey。
AID	6	表示AppKey ID，当AKF为1时有效，用于识别加密的AppKey。
SZMIC	1	表示TransMIC的大小，值为0表示TransMIC为4字节，值为1表示TransMIC为8字节。TransMIC是用于上层传输层消息的完整性校验的字段。
SeqZero	13	表示SeqAuth的最低13位有效位，SeqAuth是第一个分段的IV|SeqNum组合值，用于防止重放攻击和识别同一条消息的不同分段。
SegO	5	表示当前分段是第几个分段，从0开始计数。
SegN	5	表示此条消息总共有多少分段，从0开始计数。
Segment m	8 to 96	表示此分段的消息内容，只有最后一个分段的size才小于96位。

 

3.3 分段控制层消息 

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是分段消息，值为1。
Opcode	7	表示控制消息的类型，有7位，可以表示128种不同的控制消息。
RFU	1	保留未来使用，值为0。
SeqZero	13	表示SeqAuth的最低13位有效位，SeqAuth是第一个分段的IV|SeqNum组合值，用于防止重放攻击和识别同一条消息的不同分段。
SegO	5	表示当前分段是第几个分段，从0开始计数。
SegN	5	表示此条消息总共有多少分段，从0开始计数。
Segment m	8 to 64	表示此分段的消息内容，只有最后一个分段的size才小于64位。

3.4 分段确认消息

下传输层还定义了一种控制消息，用于确认分段消息的接收情况。控制消息的Opcode为0x00，表示分段确认消息。分段确认消息包含一个BlockAck字段，用于表示哪些分段已经被接收，哪些分段需要重传。

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是未分段消息，值为0。
Opcode	7	表示控制消息的类型，值为0x00，表示分段确认消息
OBO	1	表示是否是Friend节点替Low Power节点发送的分段确认消息，值为0表示是当前节点的行为，值为1表示是Friend节点的行为。
SeqZero	13	表示确认分段的SeqZero，即分段消息的SeqAuth的最低13位有效位，用于识别同一条消息的不同分段。
RFU	2	保留未来使用，值为0。
BlockAck	32	表示分段的Bitmap位，每一位对应一个分段，值为1表示已收到该分段，值为0表示未收到该分段。

 

3.5 分段和重组流程

下传输层的分段和重组流程如下：

• ※发送方：

  • 如果上层传输层的消息长度大于网络层PDU的最大载荷，就进行分段，填充各个字段，然后发送所有分段。
  • 如果目的地址是单播地址，就启动一个分段传输定时器，等待接收方的分段确认消息。
  • 如果收到分段确认消息，就根据BlockAck字段，重新发送未收到的分段，然后重启分段传输定时器。
  • 如果收到的BlockAck字段为0，表示对端忙碌或资源不足，就取消分段消息的发送，结束流程。
  • 如果收到的BlockAck字段为1，表示所有分段都已收到，就关闭分段传输定时器，结束流程。
  • 如果分段传输定时器超时，就重新发送所有分段，重启分段传输定时器。这个操作至少进行两次，如果仍然没有收到分段确认消息，就结束流程。
• ※接收方：
  • 如果收到第一个分段消息，就存储该消息的SeqAuth，开启一个不完整定时器。
  • 如果目的地址是单播地址，就开启一个确认定时器，标记BlockAck字段，表示该分段已收到。
  • 如果确认定时器超时，就发送分段确认消息给发送方，重启确认定时器。
  • 如果收到其他分段消息，就检查该消息的SeqAuth，如果小于第一个分段的SeqAuth，就丢弃该消息。
  • 如果该消息的SeqAuth有效，就标记BlockAck字段，表示该分段已收到。如果确认定时器超时，就重启确认定时器。如果不完整定时器未超时，就重启不完整定时器。
  • 如果不完整定时器超时，就结束流程。
  • 如果所有分段都已收到，就重组为完整的消息，递交给上层传输层。如果仍然收到分段消息，就立即发送分段确认消息给发送方，结束流程。

四、Lower Transport Layer如何接收数据

• 首先，下层传输层需要从网络层接收网络层PDU，根据控制字段中的SEG位判断是分段消息还是未分段消息，然后根据NID和IVI字段解密和去混淆网络层有效载荷，得到下层传输层PDU。
• 其次，如果是分段消息，下层传输层需要根据SeqZero字段计算SeqAuth，用于识别同一条消息的不同分段，然后根据SegO和SegN字段重组分段，最后根据SZMIC字段验证网络层MIC的正确性。
• 再次，如果是未分段消息，下层传输层直接将下层传输层有效载荷递交给上层传输层，无需重组或验证网络层MIC。
• 最后，如果收到的消息的目的地址是单播地址，下层传输层需要发送分段确认消息给对端，表示已收到的分段，或者请求对端重新发送未收到的分段。

五、资料获取

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