【p2p、分布式,区块链笔记 MESH】Bluetooth蓝牙通信 BLE Mesh协议的拓扑结构 & 定向转发机制

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节点的功能

节点的功能由节点支持的特性和功能决定。所有节点都能够发送和接收网格消息。节点还可以选择支持一个或多个附加功能,如 Configuration Server 模型所定义(见原文2.3.13. 特性和功能):

  • 中继功能 -- 通过广告承载接收和重新传输网状消息以支持更大的网络的能力。
  • 代理功能 -- 能够在 GATT 和广告承载之间接收和重新传输网状消息。
  • 低功耗功能 -- 能够以显著降低的接收器占空比在网状网络中运行,仅与支持 Friend 功能的节点结合使用。
  • Friend 功能 -- 通过存储发往这些节点的消息来帮助支持 Low Power 功能的节点运行的能力。
  • 某些节点支持 "Friend" 功能,这意味着它们可以与其他低功耗节点建立"友谊"关系。
  • 支持 Friend 功能的节点可以为 Low Power Nodes(低功耗节点) 缓存消息,让低功耗节点不需要一直监听无线信道,从而节省电量。

承载层(GATT/Adv)

在 蓝牙Mesh(Bluetooth Mesh) 网络中,GATT Bearer 和 Advertising Bearer(简称 Adv Bearer) 是两种不同的消息传输方式(即"承载层",Bearer,持票人;持有者;送信人;传播者)

  • Advertising Bearer 是蓝牙Mesh网络默认使用的通信方式,基于BLE的广播机制。
  • GATT Bearer 主要用于传统BLE设备(如手机)接入Mesh网络,通过GATT连接进行通信。
对比项 Advertising Bearer GATT Bearer
是否必须支持 是(所有 Mesh 节点必须支持) 否(可选)
是否需要连接 否 是(需与 Proxy Node 建立 GATT 连接)
是否支持广播 是 否
是否支持分段 是 否(由 Proxy Node 处理)
适用对象 所有 Mesh 节点 BLE 设备(如手机)
通信方式 广播/泛洪 单播(GATT 连接)

局限性:

  • Advertising Bearer的数据包大小有限(通常不超过 39 字节有效载荷)。如果消息太大,会被分段处理,增加传输延迟。
  • GATT Bearer 仅支持单播通信,效率低于广播承载。不支持自动重传和分段功能,因此依赖于 Proxy Node 处理。

拓扑关系

节点 类型 描述
Q, R, S Relay Node 具备转发消息能力,将接收到的消息重新广播出去,以扩大网络覆盖范围
N 支持 Friend 未启用 Friendship
O, P Friend Node 为 Low Power Nodes 提供消息缓存
I, J, K Low Power Node 一般用于电池供电设备;使用 P 作为 Friend
L, M Low Power Node 一般用于电池供电设备;使用 O 作为 Friend
T GATT Proxy Client 通过 S 接入网络
S Proxy Node 为 T 提供 GATT 到 Mesh 的桥接
  • 虽然节点 N 支持 Friend 功能,但它并没有与任何低功耗节点建立连接或缓存消息,所以它不算真正的 Friend Node。

  • 节点 O 和 P 是真正的 Friend Node,因为它们有对应的 Low Power Nodes 与之建立连接。

  • 例如,如果要从 T 向 L 发送一条消息,T 将通过 GATT 承载方式把该消息发送给节点 S。节点 S 将使用广播承载方式重新广播这条消息。节点 H、R、N 和 O 处于节点 S 的无线通信范围内,因此它们都会接收到这条消息。由于节点 O 是 L 的好友节点,它会将这条消息缓存起来。如果该消息是分段的消息,O 会在底层传输层回复一个确认(acknowledgment)。一段时间后,L 会轮询节点 O 以检查是否有新消息,这样 O 就会将最初由 T 发送的消息转发给 L。

定向转发机制

  • 节点 M 是一个 低功耗节点(Low Power Node),它不能持续监听网络。
  • 它与节点 O 建立了"友谊"关系(Friendship),所以节点 O 会为它缓存消息,并代表它发送或接收数据。
    • 节点 O 不仅是 Friend Node,还支持 Directed Friend 功能,即它可以主动为低功耗节点建立一条优化的、指向特定目标的路径。
    • 它为节点 M 到目标节点 H 建立了一条 2-lane path(双车道路径) :
      • "2-lane" 表示路径可以双向使用(从 M 到 H 和从 H 到 M)。
      • 这种路径可能是根据网络延迟、信号强度或其他路由指标优化后的最佳路径。

定向转发意义

因此,无论支持定向中继的节点数量有多少,通信流量都会被限制在已建立的路径之内。在这个例子中,即使节点 E、G、N 和 Q 接收到了从 M 发往 H 的消息,它们也不会参与转发。

  • BLE Mesh 中引入 定向转发机制 的目的是:
    • 避免传统泛洪机制造成的广播风暴和资源浪费。
    • 将流量限制在已知的最佳路径上,提升效率、降低延迟、减少能耗。
    • 提高网络可扩展性,特别是在大型网络中。

CG

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