Mesh網(wǎng)絡(luò)增強藍(lán)牙無線IoT的地位
作者/P?r H?kansson Nordic Semiconductor產(chǎn)品營銷經(jīng)理
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201802/375438.htm雖然低功耗藍(lán)牙(Bluetooth? Low Energy / Bluetooth LE)技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的基礎(chǔ)技術(shù)已經(jīng)取得重大進(jìn)展,但它仍然存在一個弱點:因為它主要用于支持電池供電的外設(shè)與智能手機(jī)等中央設(shè)備的通信,該技術(shù)無法支持mesh網(wǎng)絡(luò)。現(xiàn)在,藍(lán)牙m(xù)esh 1.0規(guī)范消除了這個弱點。
Mesh網(wǎng)絡(luò)允許網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備(節(jié)點)相互通信而無需中央樞紐設(shè)備,如果需要,可以經(jīng)由其它節(jié)點中繼來傳播數(shù)據(jù)包。這樣的系統(tǒng)實現(xiàn)了更大的通信范圍、靈活性和冗余,并且是所有典型IoT無線技術(shù)的先決條件。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的主要應(yīng)用包括企業(yè)照明設(shè)施、用于托管信標(biāo)的后端管理,以及工業(yè)監(jiān)控。
一些企業(yè),特別是Silvair,認(rèn)為這項需求是不可或缺的,并開發(fā)了基于低功耗藍(lán)牙技術(shù)的專有mesh解決方案來填補這項空白。這家公司的工程師在起草正式的藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范方面發(fā)揮了重要的作用。藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范已經(jīng)在7月正式發(fā)布。
1 并不僅僅適用于藍(lán)牙5
由于開發(fā)人員熟悉藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展路線,可能假設(shè)藍(lán)牙m(xù)esh是藍(lán)牙5的一個新特性,但是情況并非如此。實際上,通過軟件更新任何兼容藍(lán)牙4.0或更高版本的低功耗藍(lán)牙芯片都能夠支持藍(lán)牙m(xù)esh。這允許正在使用專有mesh聯(lián)網(wǎng)的低功耗藍(lán)牙設(shè)備通過空中升級實現(xiàn)兼容標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。
這并不意味著設(shè)備無需更新應(yīng)用程序固件。藍(lán)牙m(xù)esh是一個具有七層(包括承載、網(wǎng)絡(luò)、下層和上層運輸、訪問、基礎(chǔ)模式以及模式層)的全新架構(gòu),建立于標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙物理層(射頻)之上(如圖1)。一個節(jié)點在接收信息時,將信息從下層的低功耗藍(lán)牙物理層向上層傳播,經(jīng)由承載層至網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層使用多個檢查方法來決定將信息傳遞到協(xié)議棧上層或丟棄[1]。
藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范詳細(xì)描述了四種節(jié)點:中繼節(jié)點、低功耗節(jié)點、朋友節(jié)點和代理節(jié)點。
中繼節(jié)點能夠重新發(fā)送所接收到的數(shù)據(jù)包,并且通過這個機(jī)制,使數(shù)據(jù)包可以在整個網(wǎng)絡(luò)上快速傳播。中繼機(jī)制的缺點是耗電量增加,這是由于它依賴于保持“醒著的”節(jié)點。雖然在mesh網(wǎng)絡(luò)配置中低功耗藍(lán)牙的功耗遠(yuǎn)低于其他競爭技術(shù),但這樣的運作模式單單依靠電池供電是無法持久的。對于智能照明等應(yīng)用來說,這并不是缺點,因為燈具通過接入主干供電系統(tǒng)為LED供電,但這對于加入網(wǎng)絡(luò)中的其它非主干系統(tǒng)供電設(shè)備,比如設(shè)備開關(guān),則可能不適用。
為了解決這個問題,藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)引入了低功耗節(jié)點(LPN),可以使用電池或能源采集來供電。LPN與朋友節(jié)點協(xié)同工作,朋友節(jié)點通常是由主干系統(tǒng)供電,因而能夠永遠(yuǎn)保持喚醒狀態(tài);這些設(shè)備會緩存發(fā)往LPN的信息。LPN根據(jù)預(yù)先設(shè)定的進(jìn)程表切換至接收模式,接收緩存的信息,根據(jù)指令進(jìn)行操作,然后快速度返回省電的睡眠狀態(tài)。
代理節(jié)點允許支持低功耗藍(lán)牙,但不支持藍(lán)牙m(xù)esh的設(shè)備(例如現(xiàn)在的智能手機(jī))連接至藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)。通過節(jié)點和代理設(shè)備的通用屬性配置文件(GATT) 接口實現(xiàn)交互(如圖2)。
藍(lán)牙m(xù)esh借鑒了藍(lán)牙技術(shù)的GATT配置文件的概念,允許不同的情況下使用相同的信息結(jié)構(gòu)。然而由于mesh的分布式特性,兩種技術(shù)的配置文件的設(shè)計是不同的。為了避免GATT配置文件被誤認(rèn)為是mesh網(wǎng)絡(luò)配置文件,因此mesh配置文件稱作模式。
藍(lán)牙m(xù)esh1.0包括配置、心跳和健康基礎(chǔ)模式,mesh模式是基礎(chǔ)模式的擴(kuò)充,比如通用、照明、傳感器和場景等。與GATT配置文件類似,用戶還可以創(chuàng)建定制的基礎(chǔ)和mesh模式[1]。
2 照明驅(qū)動
智能照明是無線IoT 技術(shù)的先驅(qū)應(yīng)用,許多早期的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)規(guī)范就是專為這個應(yīng)用定制的。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)在博客中這樣說到:藍(lán)牙m(xù)esh將在商業(yè)照明應(yīng)用中產(chǎn)生巨大的深刻影響。
也就是說,集成用于智能照明的機(jī)制可以方便地支持其它的關(guān)鍵應(yīng)用,比如信標(biāo)、安全網(wǎng)絡(luò),以及加熱、通風(fēng)和空調(diào)(HVAC)網(wǎng)絡(luò)。這些機(jī)制中的關(guān)鍵是通過泛洪(flooding)進(jìn)行通信,把每個數(shù)據(jù)包向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點廣播,直至到達(dá)目標(biāo)節(jié)點。
三種類型尋址可配合泛洪:單播(在初始節(jié)點設(shè)置期間使用)、 群組和虛擬(主要由設(shè)備制造商用來標(biāo)記產(chǎn)品)。其中,群組尋址最適用于日常操作。群組地址是代表著網(wǎng)絡(luò)中一個或多個元素的組播地址。SIG定義了四個固定群組地址,即全代理、全朋友、全中繼和全節(jié)點,分別對應(yīng)上面定義的節(jié)點類型。
除了這些群組地址,安裝商很可能在配置期間分配動態(tài)群組地址,以反映現(xiàn)實的mesh布局。例如,動態(tài)群組地址可以分配至建筑中每個房間的燈具。
泛洪mesh和群組尋址對于主要的智能家居應(yīng)用,例如照明,是有意義的。泛洪mesh允許開關(guān)向智能照明群組發(fā)送“ON”指令,通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速傳播,每個節(jié)點接收指令并且相應(yīng)地執(zhí)行指令。目標(biāo)群組的燈將迅速點亮。相比需要中樞來向每個連接的燈具傳送單獨指令的網(wǎng)絡(luò),例如星形網(wǎng)絡(luò),泛洪mesh的延遲可降低很多。
泛洪架構(gòu)還帶來了其它的優(yōu)勢,但也包括一些缺點。一個主要的附加優(yōu)勢是簡化,特別是把通信限制在低功耗藍(lán)牙技術(shù)的三個廣播和掃描信道上 (請記住這項技術(shù)擁有總共40個頻率信道)。但是這樣的缺點是帶寬減小了,原因是需要管理通信,以防止數(shù)據(jù)包超出這些信道。
這項規(guī)范包括了多個機(jī)制,以緩減廣播和掃描信道的擁堵。首先是定義一個特定的數(shù)據(jù)包,這是一個計算中繼傳輸次數(shù)數(shù)目的TTL(Time-To-Live)計數(shù)器,在滿足定義的步驟數(shù)目之后,將不會繼續(xù)進(jìn)行中繼傳輸。
例如,設(shè)置TTL計數(shù)器為3,允許一個數(shù)據(jù)包從起源開始最多傳遞三次,而后不再重新傳播。
圖 1 藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧位于低功耗藍(lán)牙的物理層上面
來源:藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)
第二個防止擁堵的機(jī)制是數(shù)據(jù)包的消息緩存。數(shù)據(jù)包在整個mesh傳輸后,最終只會形成緩存——緩存可以安全地認(rèn)為該數(shù)據(jù)包不必在當(dāng)前節(jié)點進(jìn)行傳播??蛇x中繼功能也可以限制mesh擁堵。通過關(guān)閉中繼,節(jié)點可以接收數(shù)據(jù)包而不傳送。由于設(shè)計人員必需折衷權(quán)衡mesh靈活性和帶寬消耗,可選中繼增加了復(fù)雜性,這樣可以提升總體mesh的性能。
圖2 代理節(jié)點(“P”)允許不支持藍(lán)牙m(xù)esh的低功耗藍(lán)牙設(shè)備(例如智能手機(jī))連接至藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)
來源:藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)
3 安全第一
藍(lán)牙m(xù)esh將藍(lán)牙技術(shù)更深入地引入到IoT中,使安全變得至關(guān)重要。因此,藍(lán)牙m(xù)esh的設(shè)計人員必須確保網(wǎng)絡(luò)、各項應(yīng)用,以及裝置全部是安全的,并且無法被非法關(guān)閉或限制。對于藍(lán)牙m(xù)esh,安全特性不是可選的,而是強制的。
這個強制性方法是從配置開始的,配置是使外部設(shè)備變成mesh網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的過程,可以由智能手機(jī)或平板電腦上的app來實現(xiàn)。這個過程有五個步驟:廣播(指示可以加入mesh)、邀請(來自供應(yīng)設(shè)備)、公匙交換、認(rèn)證以及會話密匙交換(保證數(shù)據(jù)進(jìn)行配置的安全)。
配置過程實現(xiàn)了高度的安全性,隨后數(shù)據(jù)包經(jīng)過AES-128進(jìn)行端至端加密,并且在每個中繼之間進(jìn)行附加的AES-128加密,從而增強了隱私。此外,還會定期刷新加密密匙,以檢測和對抗重放攻擊。
參考文獻(xiàn):
[1]藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)/面向開發(fā)者的介紹[S].藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG),2017,8.
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