談?wù)凚luetooth Mesh【市場(chǎng)及協(xié)議框架】

　　終于開(kāi)啟了BLE MESH組網(wǎng)這個(gè)話題，本文作為MESH系列的第一篇，介紹Bluetooth mesh 1.0協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)和功能，Bluetooth Mesh協(xié)議作為藍(lán)牙低功耗協(xié)議的補(bǔ)充協(xié)議，獨(dú)立于藍(lán)牙5.0，該協(xié)議首次將開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)引入低功耗藍(lán)牙設(shè)備。

　　MESH網(wǎng)絡(luò)是針對(duì)面向智能家居和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用應(yīng)用而生的低功耗無(wú)線技術(shù)， 但是由于藍(lán)牙聯(lián)盟之前缺乏對(duì)MESH網(wǎng)絡(luò)支持，使得使用低功耗藍(lán)牙的工程師不得不選擇其他技術(shù)（Zigbee和Thread）用于智能家居應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，直到2017年中藍(lán)牙MESH的規(guī)范公之于眾。現(xiàn)在藍(lán)牙SIG通過(guò)引入藍(lán)牙5.0補(bǔ)充規(guī)范-藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)1.0解決了MESH組網(wǎng)這一欠缺。該規(guī)范不需要其他硬件支持，可以通過(guò)刷新固件在目前已有藍(lán)牙低功耗芯片（v4.0、4.1、4.2和5）上運(yùn)行。一些芯片廠家已經(jīng)可以支持Bluetooth Mesh 1.0協(xié)議。

1. BLE MESH市場(chǎng)現(xiàn)狀：

　　到目前為止，全球已經(jīng)在SIG聯(lián)盟認(rèn)證的BLE MESH的企業(yè)共有73家，認(rèn)證的產(chǎn)品數(shù)量高達(dá)461個(gè)，該數(shù)據(jù)包括終端產(chǎn)品和芯片的認(rèn)證總數(shù)，下表羅列出認(rèn)證企業(yè)和其產(chǎn)品認(rèn)證的數(shù)量，其中國(guó)的互聯(lián)網(wǎng)巨頭認(rèn)證的終端產(chǎn)品不少。

2. MESH網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

　　低功耗藍(lán)牙最初旨在通過(guò)將無(wú)線技術(shù)擴(kuò)展到電池供電的設(shè)備，補(bǔ)充“經(jīng)典”藍(lán)牙低功耗的不足。比如低功耗藍(lán)牙在心率帶或無(wú)線控制的玩具應(yīng)用，這些設(shè)備都通過(guò)低功耗藍(lán)牙與主機(jī)設(shè)備（例如手機(jī)）進(jìn)行通信，，甚至一個(gè)主機(jī)設(shè)備控制多個(gè)從機(jī)設(shè)備，形成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/span>

　　低功耗藍(lán)牙由于其與手機(jī)的互操作性在一定程度上幫助其迅速擴(kuò)展到其他領(lǐng)域應(yīng)用，包括照明控制，智能家居等。在這些類型的應(yīng)用中，星形網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)就變得很明顯。例如，藍(lán)牙低功耗解決方案只能應(yīng)付有限數(shù)量的同時(shí)連接（通常為八個(gè)），燈泡數(shù)量超過(guò)該數(shù)量的照明設(shè)備無(wú)法通過(guò)單個(gè)命令進(jìn)行控制，從而導(dǎo)致控制延遲。其次，在大房子，遠(yuǎn)處的燈泡可能不在中央控制器的范圍內(nèi)，需要有路由功能的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)接。

　　在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，不是通過(guò)Gateway與各個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行通信，而是通過(guò)跨連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向通道進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將消息從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)點(diǎn)中繼到其他任何點(diǎn)。這樣，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了顯著的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S同時(shí)控制多個(gè)連接設(shè)備，克服了范圍限制。

3. BLE MESH核心協(xié)議

　　自從推出Bluetooth LE以來(lái)，低功耗藍(lán)牙已推出版本4.1、4.2、5.0，和5.1版本，協(xié)議中增加了比如傳輸范圍、吞吐量、廣播數(shù)據(jù)載核、AoA、AoD定位，以及共存方面的改進(jìn)（當(dāng)然，這些新特性有些屬于可選，可選的意思是不支持這些新功能的芯片也可以是藍(lán)牙5.0的芯片）。

Bluetooth Mesh 1.0不是簡(jiǎn)單的Bluetooth 5的升級(jí)，他是獨(dú)立與藍(lán)牙協(xié)議之外的一套協(xié)議，任何舊版（4.0、4.1、4.2、5）低功耗藍(lán)牙芯片產(chǎn)品都可以進(jìn)行修改升級(jí)，僅需進(jìn)行固件升級(jí)即可運(yùn)行藍(lán)牙網(wǎng)格，前提是flash和ram資源足夠。

　　BLE MESH核心協(xié)議向藍(lán)牙協(xié)議兼容的特點(diǎn)在于，藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)并不是藍(lán)牙BLE協(xié)議棧中不可或缺的一部分，而是一個(gè)由七個(gè)層組成的單獨(dú)的新實(shí)體，其中的某些節(jié)點(diǎn)可以和藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

4. 藍(lán)牙網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)

　　藍(lán)牙網(wǎng)格使用四種類型的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：

　　中繼節(jié)點(diǎn)（Relay Nodes ）中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。中繼節(jié)點(diǎn)的缺點(diǎn)是它們必須始終保持警報(bào)狀態(tài)，這會(huì)大大增加功耗。這對(duì)于諸如智能照明之類的主電源供電的應(yīng)用程序不是不利的，但是對(duì)于諸如被并入網(wǎng)絡(luò)中的交換機(jī)之類的非主電源供電的節(jié)點(diǎn)則是一個(gè)問(wèn)題。

低功耗節(jié)點(diǎn)（LPN）低功耗節(jié)點(diǎn)采用藍(lán)牙低功耗的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)電特性（即：長(zhǎng)時(shí)間處于睡眠狀態(tài)），因此可以通過(guò)電池或能量收集來(lái)長(zhǎng)期運(yùn)行。每個(gè)LPN都連接到由市電供電的Friend Node，該Friend Node保持喚醒狀態(tài)并緩存指向LPN的所有消息。當(dāng)LPN進(jìn)入接收模式（按照預(yù)定的時(shí)間表）時(shí)，它接受緩存的消息，按照指示進(jìn)行操作，然后返回節(jié)能睡眠模式。

　　友鄰節(jié)點(diǎn)（Friend Nodes）友鄰特性收聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的任何消息，友鄰節(jié)點(diǎn)會(huì)存儲(chǔ)這些消息，當(dāng)?shù)凸墓?jié)點(diǎn)喚醒并Polling友鄰節(jié)點(diǎn)時(shí)，將這些消息傳送給相關(guān)的低功耗節(jié)點(diǎn)。由于友鄰節(jié)點(diǎn)需要為一個(gè)或多個(gè)低功耗節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)消息，因此友鄰節(jié)點(diǎn)會(huì)比其他類型的節(jié)點(diǎn)多占用存儲(chǔ)器。所需的存儲(chǔ)器大小取決于需要存放在友鄰節(jié)點(diǎn)、并在輪詢操作中傳送給低功耗節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)/命令數(shù)量。

　　代理節(jié)點(diǎn)（Proxy Nodes）代理節(jié)點(diǎn)是非BLE MESH設(shè)備（手機(jī)）連接到BLE MESH網(wǎng)絡(luò)的唯一入口。對(duì)于不直接支持藍(lán)牙的Mesh設(shè)備，具備代理特性的節(jié)點(diǎn)是它們登入Mesh網(wǎng)絡(luò)的入口。代理特性支持節(jié)點(diǎn)在GATT（通用屬性）層和廣播承載層之間轉(zhuǎn)發(fā)消息，而在藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)中，消息是通過(guò)廣播承載層轉(zhuǎn)發(fā)。例如，當(dāng)用戶希望使用傳統(tǒng)智能手機(jī)來(lái)控制智能照明網(wǎng)絡(luò)時(shí)，此功能很有用。交互是通過(guò)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的通用屬性配置文件（GATT）數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)。

　　舉個(gè)例子，如圖所示的溫度傳感器是電池供電的LPN，設(shè)備定期從燈泡友鄰節(jié)點(diǎn)（最左端長(zhǎng)供電的燈泡）接收發(fā)送溫度消息，溫度消息通過(guò)燈泡間的傳遞，最后智能手機(jī)通過(guò)BLE的GATT層和代理節(jié)點(diǎn)的燈泡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞（左上）。
　　另外，在新節(jié)點(diǎn)加入MESH網(wǎng)絡(luò)前，必須進(jìn)行入網(wǎng)配置，用于保證該新設(shè)備可訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)，是一個(gè)受信任的設(shè)備。進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后，MESH網(wǎng)絡(luò)為新節(jié)點(diǎn)分配地址，以及設(shè)備類型和設(shè)備密鑰。設(shè)置后，設(shè)備密鑰用于建立安全通道以配置新節(jié)點(diǎn)使用，理論上藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)可以支持多達(dá)32,000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

5. 藍(lán)牙MESH架構(gòu)

　　藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)使用“泛洪”技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息（說(shuō)人話：病毒傳播方式）。每個(gè)數(shù)據(jù)包都轉(zhuǎn)發(fā)廣播到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)，直到消息送達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)為止。消息廣播可以針對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)，一組節(jié)點(diǎn)或所有節(jié)點(diǎn)。舉個(gè)例子，我們可以把單個(gè)房間所有的燈定義為一個(gè)組地址。藍(lán)牙m(xù)esh規(guī)范定義了四個(gè)固定組地址：“所有代理節(jié)點(diǎn)”，“所有好友節(jié)點(diǎn)”，“所有中繼節(jié)點(diǎn)”和“所有節(jié)點(diǎn)”以專門針對(duì)節(jié)點(diǎn)類型。（LPN不具備轉(zhuǎn)發(fā)消息功能，因?yàn)樗３值凸?，就是這么高冷）。
　　泛洪網(wǎng)狀mesh架構(gòu)和組地址的選擇增強(qiáng)了藍(lán)牙MESH網(wǎng)絡(luò)對(duì)于智能家居應(yīng)用支持。例如，MESH網(wǎng)絡(luò)中的Gateway設(shè)備收到“ ON” 命令，可以通過(guò)MESH網(wǎng)絡(luò)快速把該指令廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備都接收該命令并據(jù)此采取行動(dòng)，目標(biāo)組中的燈可以幾乎立即點(diǎn)亮。
相比于星型網(wǎng)絡(luò)而言，MESH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)平均接收數(shù)據(jù)的最小等待時(shí)間比星形網(wǎng)絡(luò)的最小等待時(shí)間低得多，因?yàn)樵谛切尉W(wǎng)絡(luò)中，要求中央設(shè)備向每個(gè)連接的燈傳輸單獨(dú)的命令，中央處理器需要分時(shí)下達(dá)指令到所以子設(shè)備。
　　藍(lán)牙MESH有一個(gè)和傳統(tǒng)藍(lán)牙不一致的地方，所有的mesh數(shù)據(jù)只會(huì)在37，38，39三廣播信道傳輸，這種數(shù)據(jù)傳輸策略有好有壞，好的地方是效率高，信道傳輸策略簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了擁塞風(fēng)險(xiǎn)。
　　MESH網(wǎng)絡(luò)處理?yè)砣臋C(jī)制有兩種：第一個(gè)是“生存時(shí)間”（TTL）計(jì)數(shù)器，它定義特定數(shù)據(jù)包可以中繼多少次（典型值為三個(gè)步驟）。第二個(gè)是廣播數(shù)據(jù)包緩存，設(shè)備捕獲一幀轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包后只會(huì)廣播一次，下次接收到其他設(shè)備廣播的相同信息數(shù)據(jù)包時(shí)，該設(shè)備不需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)發(fā)。
　　開(kāi)發(fā)人員還可以采用可選的組傳遞路線，以及保留中繼功能，這樣設(shè)置后，節(jié)點(diǎn)可以接收數(shù)據(jù)包，但不能將其傳遞，節(jié)點(diǎn)的靈活性會(huì)變差。

6. BLE MESH模型

　　MESH MODE的概念類似藍(lán)牙的profile概念，該模型規(guī)定一個(gè)公共信息結(jié)構(gòu)體，內(nèi)部可以包含一個(gè)或者多個(gè)服務(wù)（MODE的概念是用于定義終端設(shè)備）。
　　模型包含節(jié)點(diǎn)特定的行為或服務(wù)，并定義了一組狀態(tài)以及對(duì)這些狀態(tài)起作用的消息。標(biāo)準(zhǔn)模型涵蓋了典型的使用場(chǎng)景，例如設(shè)備配置，傳感器讀數(shù)和照明控制。 開(kāi)發(fā)者還可以創(chuàng)建自定義模型。
　　節(jié)點(diǎn)中的模型按元素排列；每個(gè)元素都充當(dāng)具有唯一地址的網(wǎng)格中的虛擬實(shí)體。每個(gè)傳入消息都由元素中的模型處理。

　　不同的模型間通過(guò) “發(fā)布和訂閱”方式相互交談。發(fā)布節(jié)點(diǎn)發(fā)送一條消息，配置為訂閱的節(jié)點(diǎn)接收到消息后會(huì)進(jìn)行處理。
　　在下圖中，最左邊的燈開(kāi)關(guān)（開(kāi)關(guān)1）指令發(fā)布到Kitchen組地址，假設(shè)節(jié)點(diǎn)Light 1，Light 2和Light 3（燈的順序從左往右）訂閱了Kitchen地址，因此它們會(huì)接收處理并根據(jù)發(fā)布到該地址的消息（例如“ on”和“ off”命令）進(jìn)行操作。Light 3也預(yù)訂了飯廳地址，因此可以從Switch 2以及Switch 1進(jìn)行操作。

7. 藍(lán)牙MESH設(shè)備入網(wǎng)流程

　　下圖是一個(gè)完整的配網(wǎng)訂閱的例子，該流程是藍(lán)牙MESH配網(wǎng)注冊(cè)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)流程，燈泡首先向MESH網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號(hào)，告知其正在尋找要加入的網(wǎng)絡(luò)。配置節(jié)點(diǎn)會(huì)驗(yàn)證燈泡的信標(biāo)，并邀請(qǐng)其加入網(wǎng)絡(luò)。如果身份驗(yàn)證成功，則會(huì)為設(shè)備提供必要的密鑰和地址，以加入網(wǎng)絡(luò)并為配置做準(zhǔn)備。接下來(lái)，為燈泡提供“家庭自動(dòng)化”應(yīng)用程序密鑰。設(shè)置“ OnOff服務(wù)器”（控制燈泡）的發(fā)布狀態(tài)，最后添加對(duì)“燈組”的訂閱。

8. 藍(lán)牙MESH產(chǎn)品形態(tài)

　　對(duì)2020年之前所有SIG認(rèn)證的MESH產(chǎn)品進(jìn)行初略統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，BLE MESH的應(yīng)用主要集中在智能家居和燈控場(chǎng)合，燈控占6成，智能家具設(shè)備占3成，還有一成屬于原廠的芯片認(rèn)證以及玩具應(yīng)用認(rèn)證，BLE MESH勢(shì)頭很猛烈，在國(guó)內(nèi)和幾大互聯(lián)網(wǎng)廠商有較為深入合作，MESH系列文章后續(xù)慢慢展開(kāi)BLE MESH和Zigbee的分析，歡迎各位拍磚。