潜入蓝牙mesh海洋深处

日期:2018-04-02

作者:蓝牙技术联盟EMEA开发关系经理 Martin Woolley
 

 
蓝牙mesh网络让您在无线设备之间得以建立多对多的通信关系,并且可以让设备将数据中继到自身无线电传输范围以外的其他设备。通过这种方式,蓝牙mesh网络能够跨越广泛的物理区域,支持数十、数百、乃至数千台设备。
 
mesh开发的目的
mesh拓扑提供了最佳的平台,能够满足从建筑自动化到传感器网络等商业和工业应用领域日益普遍的通信需求。因此,蓝牙mesh致力于提供:
·         大面积覆盖
·         直接的互通性
·         设备监控
·         低功耗
·         效率及可拓展性方面的优化
·         与智能手机、平板电脑和PC的兼容性
·         行业标准、政府级的安全性
针对解决工业物联网需要解决的挑战,其他支持mesh拓扑的低功耗无线技术并非最优选择。数据传输速率低、跳数有限、可扩展性的限制、以及缺少移动设备支持等因素都阻碍了新物联网解决方案的发展。基于低功耗蓝牙(Bluetooth LE)堆栈创建的行业标准mesh技术使我们能够满足这些要求,且不受相关限制和约束。

消息导向的通信

蓝牙mesh网络使用发布/订阅消息系统,让设备能够将消息发送到设备组,例如“工厂照明 ”。当设备向一组地址发布消息时,订阅该地址的所有其他设备都会收到该消息的副本,对其进行处理并作出回应。
 
可以想象一下,某工厂里安装了一套户外照明系统。每台照明灯都配置为订阅“工厂照明”消息。当蓝牙mesh照明开关向“工厂照明”地址发送“开启(ON)”消息时,工厂内所有照明灯都会接收到“开启(ON)”这一消息,并通过开启照明以做出回应。

 

中继

蓝牙mesh网络让设备能够在广范围内相互通信,也因此成为了商场、机场或办公楼的理想选择。这些设施中的墙壁和其他物理屏障可能会妨碍设备间的直接无线电通信。为解决这一问题,蓝牙mesh网络让您能够将一些设备指定为“中继设备”。
 
中继设备会对接收到的消息进行重新传输,将其发送至原始消息发布设备的无线电范围以外的设备。一则消息可被多次中继,最多可达127跳。

管理型网络泛洪

蓝牙mesh网络中,消息并非沿特定路径传输,而是传输范围内的所有设备都会收到消息。那些充当中继的设备会将消息转发给其传输范围内的所有其他设备。
 
采用网络泛洪方式,不需要任何设备作为中央路由器。采用中央路由器时,如果它发生故障,就可能导致整个网络无法运行。特定通信线路出现不可用的情况时,也可能对网络造成灾难性的影响,这都可以通过泛洪的方式来避免。泛洪方式让消息能够通过多条路径得以传输,从而形成更加可靠的网络。
 

优化能源使用

蓝牙mesh网络包括若干能够优化单一设备和整体网络能源使用的措施。

 
所有数据包可能都会限制消息中继时的跳数。每隔一段时间发送的一次TTL (Time to Live) ,让网络能够了解其拓扑结构以及每台设备的跳数,这样即可避免不必要的消息中继。同时,每台设备还包含一个消息缓存,因而可以确认之前是否已看到过该消息,丢弃冗余并避免不必要的消息处理。
 
另外,功率受限的设备(例如电池供电的传感器)可被指定为低功耗节点。低功耗节点与指定为好友节点的一台或多台设备协同工作。好友节点作为低功耗节点的代表,不但可存储消息,而且能当低功耗节点需要时才将消息传送给它。这种与好友的协同工作的方式能够让低功耗节点以对于设备来说合理的任何频率来规划无线电使用,接收消息,并且可以是相对于一直收听消息的情况下要低得多的频率。
 

 

安全性

安全性是蓝牙mesh网络设计的核心,其使用是强制性的。每个数据包都经过加密和验证。通过正确使用序列号可防止中继攻击。在重要的程序中,可通过使用非对称性密码来保护网络免受中间人攻击(Man-in-the-Middle Attack)。而针对使用丢弃设备的垃圾桶攻击(Trash Can Attack),可通过定期安全密钥刷新来进行管理。
 
安全分级考量(Separation of Concerns是蓝牙mesh网络安全中体现出来的一个重要原则。网络的安全性与照明、供暖或物理建筑安全等个人应用的安全性彼此独立。不同的安全密钥会分别用于保护网络层操作(例如中继)或应用特定的消息内容。例如,灯泡可访问由照明灯开关传输的数据,因为它们具有相同的应用程序密钥。相同的灯泡可将来自访问令牌的消息中继到前门的锁中,但是无法查看这些消息的应用层内容。

 

蓝牙mesh网络的未来

蓝牙mesh网络是一种高效且用途明确的拓扑结构,它的出现旨在满足物联网的苛刻要求。因此,我们希望看到它能够被广泛应用于各行业领域,尤其是商业照明,它是蓝牙mesh非常振奋人心的应用之一,这种应用能够让您将照明打造为其它建筑服务的无线平台,例如资产跟踪和定位功能。

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