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          藍(lán)牙Mesh:構(gòu)想全新的應(yīng)用領(lǐng)域

          作者:Kerstin Wagner 儒卓力(Rutronik)無(wú)線產(chǎn)品銷(xiāo)售經(jīng)理 時(shí)間:2019-01-29 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

            Mesh技術(shù)允許多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備連接在一起從而形成一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò),以節(jié)能和安全的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離橋接。通過(guò)在安全性、可靠性和可擴(kuò)展性方面滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)全新的應(yīng)用場(chǎng)景。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201901/397259.htm

            藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)在2000年推出了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn):藍(lán)牙基本速率(BR)/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率(EDR)。2010年,通過(guò)低功耗藍(lán)牙(BLE)定義進(jìn)一步提升了其標(biāo)準(zhǔn),使得低功耗的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

            業(yè)界對(duì)這種無(wú)線通信技術(shù)的需求很高,其中一個(gè)原因是預(yù)期到這種技術(shù)將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)和發(fā)展。BLE的成功,首先在于它的功耗非常低。但是BLE協(xié)議也有其缺點(diǎn)。只有三種類型的通信是可能的(圖2):在兩個(gè)單獨(dú)的設(shè)備之間(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,雙向1:1)、在一個(gè)設(shè)備和其他多個(gè)設(shè)備之間(一對(duì)多通信,雙向,1:m) ),或者一個(gè)設(shè)備把數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送到環(huán)境中,而沒(méi)有特定收件人(廣播通信)的通信。在廣播時(shí),環(huán)境中的所有BLE設(shè)備都可以接收數(shù)據(jù)但無(wú)法響應(yīng)。這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是,如果把數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)的主站(星型配置,中心角色)失效,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)則會(huì)失效。

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            1 完美的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

            2017年7月推出了可選的藍(lán)牙m(xù)esh,這是一種基于低功耗藍(lán)牙通信協(xié)議并且進(jìn)一步改進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)。通過(guò)使用藍(lán)牙m(xù)esh,可以在大型物理區(qū)域內(nèi)建立一個(gè)由多對(duì)多連接組成且多達(dá)32 000個(gè)參與者的大型網(wǎng)絡(luò)(m:m,圖3)。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備不在接收器的直接無(wú)線電傳輸范圍內(nèi),傳輸仍然有效。此外,藍(lán)牙m(xù)esh 1.0網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持來(lái)自不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的通信,這是先前的專利解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)的,例如CSRmeshTM。它尚有更多優(yōu)勢(shì),就是穩(wěn)健且安全的數(shù)據(jù)傳輸,以及非常高的能量效率。

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            這些功能使藍(lán)牙m(xù)esh成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的完美網(wǎng)絡(luò)技術(shù),例如樓宇自動(dòng)化、傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)制造或貨物跟蹤。一般而言,藍(lán)牙m(xù)esh適用于需要在多個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行最少數(shù)據(jù)通信的所有應(yīng)用。

            2 藍(lán)牙m(xù)esh是如何工作的

            藍(lán)牙m(xù)esh與消息傳遞系統(tǒng)一起工作,根據(jù)發(fā)布和訂閱原則分發(fā)消息。將消息發(fā)送到具有特定地址的設(shè)備稱為發(fā)布。訂閱是為設(shè)備分配特定地址的設(shè)備配置。然后,這臺(tái)設(shè)備只能接收到發(fā)送到特定地址的消息。示例:大廳照明安裝有藍(lán)牙m(xù)esh,所有燈泡都配置為接收“大廳照明”訂閱,如果通過(guò)BT mesh開(kāi)關(guān)將“開(kāi)”消息發(fā)送到“大廳照明”地址,系統(tǒng)就會(huì)打開(kāi)所有訂閱了“大廳照明”的燈泡。

            藍(lán)牙m(xù)esh中的數(shù)據(jù)傳輸稱為“泛洪(flooding)”,這意味著通過(guò)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)把消息發(fā)到從站(接收器)的過(guò)程中沒(méi)有特殊的路由。消息將發(fā)送到范圍內(nèi)的所有設(shè)備,然后轉(zhuǎn)發(fā),直到它到達(dá)正確的從站。

            由于網(wǎng)絡(luò)參與者數(shù)量密集,因此可以克服先前需要使用較慢且未全局標(biāo)準(zhǔn)化的1 GHz以下技術(shù)的障礙。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備(主設(shè)備)不在無(wú)線電傳輸?shù)姆秶鷥?nèi),該消息仍然可到達(dá)正確的從設(shè)備。如果參與者密度已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)足夠狹窄,連接也可以得到冗余的保證,這就是即使單個(gè)參與者不再用作中繼,數(shù)據(jù)仍然可以找到其目的地的原因。這種自我修復(fù)功能使藍(lán)牙m(xù)esh成為最可靠的網(wǎng)絡(luò)之一,并確保其首次在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

            藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備稱為節(jié)點(diǎn),共有四種不同類型的節(jié)點(diǎn),除了發(fā)送和接收,還提供如下其他功能。

            ?中繼節(jié)點(diǎn):它們將收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)到下一個(gè)設(shè)備,消息傳輸功能使用所謂的“跳躍”,藍(lán)牙m(xù)esh最多支持127次跳躍。

            ?低功耗節(jié)點(diǎn):某些設(shè)備(如傳感器)要求非常節(jié)能,低功率節(jié)點(diǎn)與稱為“朋友”的一個(gè)或多個(gè)其他節(jié)點(diǎn)一起工作。

            ?朋友節(jié)點(diǎn):這里有足夠的能量,例如:通過(guò)連接到主電源。這些朋友節(jié)點(diǎn)與低功率節(jié)點(diǎn)一起工作。朋友節(jié)點(diǎn)僅在低功率節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求時(shí)為它們存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)消息。

            ?代理節(jié)點(diǎn):它們?yōu)闆](méi)有藍(lán)牙m(xù)esh堆棧的BLE設(shè)備提供GATT(通用屬性配置文件)接口,這還可以實(shí)現(xiàn)BLE mesh和普通BLE節(jié)點(diǎn)之間的通信。

            在OSI層模型的接入層內(nèi),可以確定在接收到消息之后是否應(yīng)該將確認(rèn)信號(hào)(確認(rèn))發(fā)送回主設(shè)備。

            3 藍(lán)牙m(xù)esh是否安全

            建立具有許多設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò),會(huì)給安全數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在開(kāi)發(fā)藍(lán)牙m(xù)esh時(shí),安全性是首要任務(wù)。為此,藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)概述了嚴(yán)格的規(guī)范。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全功能都是強(qiáng)制性的。

            但是,由以色列理工學(xué)院(Israel Institute of Technology)的研究人員發(fā)現(xiàn)的藍(lán)牙安全簡(jiǎn)單配對(duì)和BLE安全連接中的安全漏洞也會(huì)影響藍(lán)牙m(xù)esh,因?yàn)樗腔贐LE堆棧的。某些受影響產(chǎn)品的供應(yīng)商已提供固件更新或正在解決此問(wèn)題。儒卓力匯編了產(chǎn)品目錄中受影響藍(lán)牙產(chǎn)品的概述,以記錄可能的固件更新?tīng)顟B(tài):rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status。

            關(guān)鍵的安全功能如下。

            ?加密和身份驗(yàn)證:所有藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)消息都經(jīng)過(guò)加密和身份驗(yàn)證。

            ?關(guān)注點(diǎn)分離:藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中有三個(gè)不同的安全方面:應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備安全性,它們彼此獨(dú)立處理并擁有自己的安全密匙:

           ?、賾?yīng)用程序密匙(AppKey):這保護(hù)與特定應(yīng)用程序有關(guān)的數(shù)據(jù),例如照明或攝像頭。

           ?、诰W(wǎng)絡(luò)密匙(NetKey):網(wǎng)絡(luò)密鑰適用于網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備,從而確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。

            ③設(shè)備密匙(DevKey):每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的設(shè)備密鑰,這個(gè)安全密鑰可用于將設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中。

            ?區(qū)域隔離:藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)分為許多個(gè)子網(wǎng),這些子網(wǎng)在加密方面各不相同,并且每個(gè)子網(wǎng)都是安全的。

            ?密匙刷新:在密匙刷新過(guò)程中,可以更改藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全密匙。

            ?消息模糊處理:此數(shù)據(jù)隱私機(jī)制使得跟蹤網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)變得極其困難,因此幾乎不可能跟蹤發(fā)送的消息。

            ?重放攻擊保護(hù):安全功能可保護(hù)網(wǎng)絡(luò)免受重放攻擊(身份盜用:先前收集的數(shù)據(jù)用于身份驗(yàn)證和接入控制)。

            ?垃圾桶攻擊防護(hù):可以通過(guò)防止垃圾桶攻擊(從無(wú)效節(jié)點(diǎn)讀取重要的網(wǎng)絡(luò)信息)的方式,安全地從網(wǎng)絡(luò)中刪除節(jié)點(diǎn)。

            ?安全設(shè)備配置:可以在安全的過(guò)程中將新節(jié)點(diǎn)添加到藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中。

            4 結(jié)論

            所有這些廣泛的安全功能,使藍(lán)牙m(xù)esh成為需要在多個(gè)設(shè)備之間低數(shù)據(jù)速率通信的應(yīng)用的理想解決方案。而且,藍(lán)牙m(xù)esh適用于新的應(yīng)用領(lǐng)域,比如預(yù)測(cè)性維護(hù)或智能農(nóng)業(yè)/農(nóng)業(yè)。在裝配線中實(shí)施無(wú)線傳感器mesh網(wǎng)絡(luò)可以在機(jī)器發(fā)生故障之前及時(shí)向維護(hù)人員發(fā)出警告?;蛘撸ㄟ^(guò)在農(nóng)業(yè)中使用mesh網(wǎng)絡(luò),土壤和空氣濕度或溫度等數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)街悄苁謾C(jī),而無(wú)需網(wǎng)關(guān)。藍(lán)牙m(xù)esh技術(shù)還可以更有效地使用水和肥料,減少農(nóng)藥的使用:只有在測(cè)量值低于某一限值時(shí)才采取適當(dāng)?shù)拇胧?。在智能家居領(lǐng)域,燈可以配備傳感器,當(dāng)有人在附近時(shí)進(jìn)行注冊(cè),確保僅在這種情況下燈才會(huì)打開(kāi)。藍(lán)牙m(xù)esh甚至可以用于體育活動(dòng):運(yùn)動(dòng)員鞋中集成的傳感器可以記錄運(yùn)動(dòng)性能數(shù)據(jù),然后通過(guò)藍(lán)牙m(xù)esh主裝置從一名運(yùn)動(dòng)員傳輸?shù)较乱幻\(yùn)動(dòng)員,直到這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇叹毺帲S后教練可以評(píng)估數(shù)據(jù)。

            另一個(gè)優(yōu)點(diǎn):實(shí)際環(huán)境對(duì)于BLE mesh技術(shù)并不重要。由于mesh規(guī)格1.0及更高版本完全滿足工業(yè)要求,因此可以想象到無(wú)數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域:無(wú)論是在醫(yī)院、工廠、辦公室、大學(xué)還是私人住宅中。藍(lán)牙m(xù)esh非常值得業(yè)界關(guān)注,因?yàn)榇罅吭O(shè)備之間安全、穩(wěn)健的無(wú)線通信,能夠用于實(shí)現(xiàn)各種嶄新應(yīng)用。

          本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第15頁(yè),歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用,并注明出處



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