談?wù)凚luetooth Mesh【市場及協(xié)議框架】

　　終于開啟了BLE MESH組網(wǎng)這個話題，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)議作為藍牙低功耗協(xié)議的補充協(xié)議，獨立于藍牙5.0，該協(xié)議首次將開放標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)引入低功耗藍牙設(shè)備。

　　MESH網(wǎng)絡(luò)是針對面向智能家居和樓宇自動化應(yīng)用應(yīng)用而生的低功耗無線技術(shù)， 但是由于藍牙聯(lián)盟之前缺乏對MESH網(wǎng)絡(luò)支持，使得使用低功耗藍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)用的開發(fā)，直到2017年中藍牙MESH的規(guī)范公之于眾。現(xiàn)在藍牙SIG通過引入藍牙5.0補充規(guī)范-藍牙網(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，可以通過刷新固件在目前已有藍牙低功耗芯片（v4.0、4.1、4.2和5）上運行。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461個，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

　　低功耗藍牙最初旨在通過將無線技術(shù)擴展到電池供電的設(shè)備，補充“經(jīng)典”藍牙低功耗的不足。比如低功耗藍牙在心率帶或無線控制的玩具應(yīng)用，這些設(shè)備都通過低功耗藍牙與主機設(shè)備（例如手機）進行通信，，甚至一個主機設(shè)備控制多個從機設(shè)備，形成星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/span>

　　低功耗藍牙由于其與手機的互操作性在一定程度上幫助其迅速擴展到其他領(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)的缺點就變得很明顯。例如，藍牙低功耗解決方案只能應(yīng)付有限數(shù)量的同時連接（通常為八個），燈泡數(shù)量超過該數(shù)量的照明設(shè)備無法通過單個命令進行控制，從而導(dǎo)致控制延遲。其次，在大房子，遠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)點轉(zhuǎn)接。

　　在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，不是通過Gateway與各個外圍設(shè)備進行通信，而是通過跨連接多個節(jié)點的雙向通道進行轉(zhuǎn)發(fā)，將消息從網(wǎng)絡(luò)中的一個點中繼到其他任何點。這樣，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)帶來了顯著的優(yōu)勢，因為它允許同時控制多個連接設(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，低功耗藍牙已推出版本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（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牙5.0的芯片）。

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

　　BLE MESH核心協(xié)議向藍牙協(xié)議兼容的特點在于，藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)并不是藍牙BLE協(xié)議棧中不可或缺的一部分，而是一個由七個層組成的單獨的新實體，其中的某些節(jié)點可以和藍牙協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。

4. 藍牙網(wǎng)狀節(jié)點

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

　　中繼節(jié)點（Relay Nodes ）中繼節(jié)點通過網(wǎng)絡(luò)層接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。中繼節(jié)點的缺點是它們必須始終保持警報狀態(tài)，這會大大增加功耗。這對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，但是對于諸如被并入網(wǎng)絡(luò)中的交換機之類的非主電源供電的節(jié)點則是一個問題。

低功耗節(jié)點（LPN）低功耗節(jié)點采用藍牙低功耗的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)電特性（即：長時間處于睡眠狀態(tài)），因此可以通過電池或能量收集來長期運行。每個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進入接收模式（按照預(yù)定的時間表）時，它接受緩存的消息，按照指示進行操作，然后返回節(jié)能睡眠模式。

　　友鄰節(jié)點（Friend Nodes）友鄰特性收聽網(wǎng)絡(luò)中轉(zhuǎn)發(fā)的任何消息，友鄰節(jié)點會存儲這些消息，當(dāng)?shù)凸墓?jié)點喚醒并Polling友鄰節(jié)點時，將這些消息傳送給相關(guān)的低功耗節(jié)點。由于友鄰節(jié)點需要為一個或多個低功耗節(jié)點存儲消息，因此友鄰節(jié)點會比其他類型的節(jié)點多占用存儲器。所需的存儲器大小取決于需要存放在友鄰節(jié)點、并在輪詢操作中傳送給低功耗節(jié)點的數(shù)據(jù)/命令數(shù)量。

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

　　舉個例子，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（最左端長供電的燈泡）接收發(fā)送溫度消息，溫度消息通過燈泡間的傳遞，最后智能手機通過BLE的GATT層和代理節(jié)點的燈泡進行數(shù)據(jù)傳遞（左上）。
　　另外，在新節(jié)點加入MESH網(wǎng)絡(luò)前，必須進行入網(wǎng)配置，用于保證該新設(shè)備可訪問網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點，是一個受信任的設(shè)備。進入網(wǎng)絡(luò)后，MESH網(wǎng)絡(luò)為新節(jié)點分配地址，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)點使用，理論上藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)可以支持多達32,000個節(jié)點。

5. 藍牙MESH架構(gòu)

　　藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)使用“泛洪”技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送消息（說人話：病毒傳播方式）。每個數(shù)據(jù)包都轉(zhuǎn)發(fā)廣播到網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點，直到消息送達目標(biāo)節(jié)點為止。消息廣播可以針對單個節(jié)點，一組節(jié)點或所有節(jié)點。舉個例子，我們可以把單個房間所有的燈定義為一個組地址。藍牙m(xù)esh規(guī)范定義了四個固定組地址：“所有代理節(jié)點”，“所有好友節(jié)點”，“所有中繼節(jié)點”和“所有節(jié)點”以專門針對節(jié)點類型。（LPN不具備轉(zhuǎn)發(fā)消息功能，因為他要保持低功耗，就是這么高冷）。
　　泛洪網(wǎng)狀mesh架構(gòu)和組地址的選擇增強了藍牙MESH網(wǎng)絡(luò)對于智能家居應(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MESH網(wǎng)絡(luò)快速把該指令廣播到整個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點設(shè)備都接收該命令并據(jù)此采取行動，目標(biāo)組中的燈可以幾乎立即點亮。
相比于星型網(wǎng)絡(luò)而言，MESH網(wǎng)絡(luò)節(jié)點平均接收數(shù)據(jù)的最小等待時間比星形網(wǎng)絡(luò)的最小等待時間低得多，因為在星形網(wǎng)絡(luò)中，要求中央設(shè)備向每個連接的燈傳輸單獨的命令，中央處理器需要分時下達指令到所以子設(shè)備。
　　藍牙MESH有一個和傳統(tǒng)藍牙不一致的地方，所有的mesh數(shù)據(jù)只會在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，信道傳輸策略簡單；缺點是減少了網(wǎng)絡(luò)帶寬，增加了擁塞風(fēng)險。
　　MESH網(wǎng)絡(luò)處理擁塞的機制有兩種：第一個是“生存時間”（TTL）計數(shù)器，它定義特定數(shù)據(jù)包可以中繼多少次（典型值為三個步驟）。第二個是廣播數(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，該設(shè)備不需要進一步轉(zhuǎn)發(fā)。
　　開發(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)點可以接收數(shù)據(jù)包，但不能將其傳遞，節(jié)點的靈活性會變差。

6. BLE MESH模型

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

　　不同的模型間通過 “發(fā)布和訂閱”方式相互交談。發(fā)布節(jié)點發(fā)送一條消息，配置為訂閱的節(jié)點接收到消息后會進行處理。
　　在下圖中，最左邊的燈開關(guān)（開關(guān)1）指令發(fā)布到Kitchen組地址，假設(shè)節(jié)點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進行操作。

7. 藍牙MESH設(shè)備入網(wǎng)流程

　　下圖是一個完整的配網(wǎng)訂閱的例子，該流程是藍牙MESH配網(wǎng)注冊設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)流程，燈泡首先向MESH網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信號，告知其正在尋找要加入的網(wǎng)絡(luò)。配置節(jié)點會驗證燈泡的信標(biāo)，并邀請其加入網(wǎng)絡(luò)。如果身份驗證成功，則會為設(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，為燈泡提供“家庭自動化”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“燈組”的訂閱。

8. 藍牙MESH產(chǎn)品形態(tài)

　　對2020年之前所有SIG認(rèn)證的MESH產(chǎn)品進行初略統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，BLE MESH的應(yīng)用主要集中在智能家居和燈控場合，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勢頭很猛烈，在國內(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BLE MESH和Zigbee的分析，歡迎各位拍磚。