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蓝牙技术是全球最知名的品牌之一，也是世界上应用最广泛的无线通信技术之一。自 2000 年问世以来，它已融入数十亿台设备中 ------ 仅去年一年，制造商就出货了超 30 亿台蓝牙设备。
蓝牙技术从未停滞不前。从最初版本开始，它就持续进行细致、系统化的优化，以跟上市场需求，支持并激发创新。
蓝牙网状网络是这一卓越技术发展历程的最新篇章，由蓝牙技术联盟（SIG）的 150 家成员企业共同参与打造。
技术分支与特性
关注蓝牙技术的人士应该习惯了蓝牙 SIG 定期推出新版本。
通常，新版本会为蓝牙连接新增功能，或是以某种方式优化现有能力。不过偶尔也会推出全新的蓝牙技术分支------ 这是一种截然不同的蓝牙变体，采用不同的无线电使用方式，其设计与实现针对广泛的用例进行了优化。
蓝牙基础速率 / 增强数据速率（BR/EDR）是首个推出的蓝牙技术分支，旨在作为有线替代技术，很快便成为无线音频产品的主流方案，同时也推动了无线鼠标、键盘等电脑外设的发展。
蓝牙低功耗（LE）是下一个真正独立的蓝牙技术分支。它针对低能耗进行了优化：搭载该技术的设备仅需一枚硬币大小的电池即可实现无线运行与通信，且电池续航往往长达数年。智能手机或平板设备通常不支持蓝牙低功耗，但健康、运动类设备（如运动追踪器）和智能手表等可穿戴设备都依赖这项技术。蓝牙低功耗的影响力极为显著且应用广泛。
那么，蓝牙网状网络是蓝牙技术的新分支，还是一项新功能？
实际上，它两者都不是。让我们进一步了解这项令人兴奋的全新蓝牙技术：它与其他蓝牙形式的关系、功能以及工作原理。
关键三者的关系
在智能手机等设备中，通常同时配备蓝牙 BR/EDR 与蓝牙 LE，但两者并不依赖彼此的服务与能力。实际上，这两个蓝牙分支是独立运行的 ------ 虽然它们可以在同一设备中共存，但蓝牙 BR/EDR 设备无法与蓝牙 LE 设备通信，反之亦然。它们可以 "共处一室"，但不会 "交流"。
相比之下，蓝牙网状网络依赖并使用蓝牙 LE 技术------ 蓝牙 LE 是蓝牙网状网络所依托的无线通信协议栈。
蓝牙网状网络并非一种无线通信技术，而是一种组网技术。
图 1 展示了蓝牙 BR/EDR、蓝牙 LE 与蓝牙网状网络之间的关系。
拓扑结构的故事
从最基础的层面来说，蓝牙 BR/EDR 支持一台设备与另一台设备建立连接并通信，形成 1:1 的关系 ------ 这就是大家熟悉的 "配对" 概念。部分设备可以与多台设备建立多个 1:1 关系，从而组成一种名为 "微微网" 的星型拓扑结构。
蓝牙 LE 设备同样可以与其他设备形成 1:1 或星型关系，同时也支持无连接模式：设备广播数据，所有处于直接无线电范围内的设备都能接收。这是一种 1:m 拓扑（m 可以是很大的数值）------ 如果监听广播的设备自身不传输数据，广播设备就能独占无线电频谱，接收并使用其广播的设备数量几乎没有有效限制。蓝牙信标就是这种能力的典型应用案例。
蓝牙网状网络的研发动因
蓝牙网状网络的诞生，是因为网状拓扑是满足各类日益普遍的通信需求（以楼宇自动化、传感器网络等应用为代表）的最佳方式。这些需求包括：
- 覆盖超大区域
- "即连即用" 的互操作性
- 支持对大量设备的监控与控制
- 优化的低能耗特性
- 高效利用无线电资源，实现高扩展性
- 与当前主流智能手机、平板、个人电脑产品兼容
- 符合行业标准的、政府级别的安全性
其他低功耗无线通信技术也支持网状拓扑，但我们的成员常反馈：这些技术存在无法接受的约束与局限，并非解决其目标问题、打造目标产品的最优选择。同类技术的问题包括：数据传输速率低、网状网络中数据中继的跳数有限、因无线电信道使用方式导致的扩展性限制，以及调整网状网络设备组成时的流程复杂、延迟较高等。
此外，其他网状技术通常不被标准智能手机、平板和 PC 设备支持 ------ 这是一个重大限制。
而基于蓝牙 LE 打造行业标准的网状通信技术，既能满足上述需求，又能避免相关局限。毕竟，互操作性与能效本就是蓝牙 LE 的标志性优势。
面向消息的通信
蓝牙网状网络采用 "发布 / 订阅" 消息系统：
设备可以向特定地址发送消息，这些地址的名称和含义对应用户易懂的高层概念（比如 "花园灯"）------ 这一过程称为 "发布"。
设备可以被配置为接收其他设备发送到特定地址的消息 ------ 这一过程称为 "订阅"。
当一台设备向某个地址发布消息时，所有订阅了该地址的设备都会收到消息副本，对其进行处理并做出响应。
举个例子：花园里安装了一组户外灯，每盏灯都被配置为订阅 "花园灯" 消息。现在，假设有一个蓝牙网状网络灯开关向 "花园灯" 地址发送了一条 "开启" 消息 ------ 花园里的所有灯都会收到这条消息，并做出响应...... 你猜对了：它们会打开。
就是这么简单。
消息与设备状态
"状态" 是蓝牙网状网络的核心概念。蓝牙网状网络中的每个设备都有一组独立的状态值，代表设备的某种状态。以花园灯为例，每盏灯都有一个状态值表示其当前是开启还是关闭。
蓝牙网状灯开关通过发布特定类型的消息（这类消息的定义就是作用于开关状态值）来改变状态，从而实现对灯的控制。改变状态值会修改设备自身的物理状态（比如开关灯）。
消息、状态，以及设备针对这些概念的行为方式，都在名为 "模型" 的规范中定义，由蓝牙网状网络设备实现。
中继功能
在第一部分中我们了解到，蓝牙网状网络设备通过消息和 "发布 / 订阅" 机制进行通信。
网状网络支持设备在超大区域内部署并互通。想象一下商场、机场或写字楼的空间规模 ------ 墙壁等物理障碍可能导致一栋建筑两侧的设备无法直接建立无线电连接，甚至相邻建筑的设备也无法通信。蓝牙网状网络通过允许部分设备充当 "中继节点" 来解决这一问题。
中继节点会重传从其他设备接收到的消息，从而实现与原消息发布设备无线电覆盖范围外的设备通信。消息可能会被多次中继（称为 "跳数"），最大跳数可达 127 次，足以覆盖极广的物理区域。
受控泛洪
蓝牙网状网络采用 "泛洪" 方式来发布和中继消息。这意味着消息并非通过路由过程沿特定路径传输，而是由部分设备组成的序列传递；相反，范围内的所有设备都会接收消息，其中作为中继的设备会将消息重传给自身范围内的其他所有设备。
一般来说，泛洪技术有其优缺点。但在蓝牙网状网络中，我们优化了设计，既保留了泛洪的优势，又解决了其不足。
泛洪技术的优势
先来看泛洪技术的优势：
泛洪的优点在于，无需特定设备承担中央路由器的特殊职责（这类设备故障可能导致整个网络瘫痪）。特定路由不可用也可能对网络造成灾难性影响，而泛洪式网状网络可避免这一问题。
泛洪方式还意味着消息通常有多种路径可达目的地，这让网络具备了极高的可靠性。
优化网状网络
蓝牙的网状网络方案包含多项措施，既采用泛洪方式，又能优化单个设备及整个网络的能耗：
所有数据包都包含一个名为 "TTL（生存时间）" 的字段，可用于限制消息中继的跳数。设备定期传输的 "心跳消息" 包含网络拓扑及设备间跳数的信息，这让设备能将 TTL 设为最优值，避免消息被不必要地多次中继。
每台设备都内置 "消息缓存"，可判断是否已接收过某条消息 ------ 若已接收，则直接丢弃，从而避免不必要的处理开销。
最有意思的是，对于功耗受限严重的设备（比如由小型电池供电、需续航数年的传感器），可将其设计为 "低功耗节点"。低功耗节点需与一台或多台 "友节点" 配合工作：友节点无功耗限制，负责暂存发往低功耗节点的消息，仅在低功耗节点主动请求时才交付。低功耗节点与友节点的关系被称为 "友关系"。
我们具体看看友关系如何实现节能：
低功耗设备通常大部分时间都在传输数据（传感器就是典型例子）。比如某传感器仅在温度超出设定阈值时才传输读数，可能一天只触发两次 ------ 这种低频率传输本身就能让设备能耗极低。
但如果传感器需要偶尔接收数据呢？比如它需要同步网络中使用的安全密钥，或是根据季节调整温度阈值。若传感器要直接接收消息，就需开启无线电监听，但多数时候不会收到数据，却会消耗能量。
与友节点配合后，低功耗节点可自主调度无线电接收消息的频率（远低于持续监听的频率），同时避免因罕见的消息接收需求而持续耗电。
友节点为低功耗节点承担了 "重活"：它们暂存消息，仅在低功耗节点主动请求时交付；而低功耗节点可自主控制调度，从而实现无线电的最高效利用。
已上市蓝牙设备的支持
蓝牙网状网络虽是新技术，但蓝牙低功耗（LE）并非新事物。那么，市场上已有的数十亿台设备（比如智能手机、平板）能否接入蓝牙网状网络？
答案是：可以。
蓝牙网状网络定义了一种名为 "代理节点" 的设备角色。代理节点包含标准的蓝牙低功耗 GATT 服务，其中有两个 GATT 特征："Mesh Proxy Data In" 和 "Mesh Proxy Data Out"。智能手机等蓝牙 LE 设备可通过这两个特征与网状网络收发数据。
蓝牙网状网络规范定义了 "代理协议"，代理节点提供的两个 GATT 特征所传输的数据，就是代理协议的 PDU（协议数据单元）。
本系列后续会专门用一篇文章介绍代理节点的角色。
安全性
安全性是蓝牙网状网络设计的核心，且是强制要求：
每个数据包都经过加密和认证；通过合理使用序列号可防止重放攻击；在关键流程中使用非对称加密可防御中间人攻击；还针对 "垃圾桶攻击"（利用废弃设备的漏洞）提供了防护；安全密钥会在必要时更新。
"关注点分离" 是蓝牙网状网络安全设计的重要原则：网络安全与单个应用（如照明、供暖、物理门禁）的安全相互独立。不同安全密钥用于保护不同层级的操作，比如灯泡可通过相同的应用密钥获取灯光开关发送的消息，但它在中继物理门禁令牌的消息时，无法查看这些消息的应用层内容。
后续文章会深入探讨安全性，还会详细介绍 "配置" 流程（让设备加入蓝牙网状网络）、设备安全移除网络的方式，以及安全密钥的更新机制。
协议栈
蓝牙网状网络引入了新的协议栈，如前所述，它构建在蓝牙低功耗之上。图 1 展示了该协议栈的各层：
（图 1：蓝牙网状网络协议栈，从下到上依次为：蓝牙低功耗 → 承载层 → 网络层 → 下层传输层 → 上层传输层 → 接入层 → 基础模型 → 模型）
若想深入了解各层的职责，规范文档是最佳参考。简单来说，各层的核心功能如下：
- 承载层：定义如何通过底层 LE 栈传输 PDU，目前已定义两种承载方式：广播承载、GATT 承载。
- 网络层：定义各类消息地址类型与网络消息格式，中继和代理行为也由网络层实现。
- 下层传输层：按需处理 PDU 的分片与重组。
- 上层传输层：负责接入层收发应用数据的加密、解密与认证，同时处理 "传输控制消息"（如心跳消息、友关系相关消息）。
- 接入层：负责应用数据的格式定义，控制上层传输层的加解密流程，在将数据向上传递前，验证数据是否属于当前网络与应用。
- 基础模型：负责实现与网状网络配置、管理相关的模型。
蓝牙网状网络的未来
我们预计蓝牙网状网络会被广泛应用于各行业与场景，初期尤其会在楼宇自动化、商用照明、传感器网络中落地。商用照明是蓝牙网状网络特别令人兴奋的应用场景：通过合适的固件，照明系统不仅能实现无线灯光控制，还能成为建筑内各类蓝牙服务（如资产追踪、定位）的平台。