Bluetooth® Mesh网络的核心基础概念

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https://blog.csdn.net/weixin_47456647/article/details/155188246?spm=1011.2415.3001.5331

蓝牙网状网络为 "与环境互动" 创造了新可能 ------ 无论是用智能照明、暖通、安防系统让家庭 / 办公空间更智能，还是提升工业无线传感器网络（WSN）的效率，它都能提供构建大规模设备网络的基础，支持数十、数百甚至数千台无线设备可靠、安全地互通。本文将深入解析这一创新网络拓扑背后的核心基础概念。

节点

想象一个由数千台设备组成的网络，每台设备都通过蓝牙低功耗（LE）短突发无线连接通信 ------ 这些蓝牙网状网络中的设备被称为 "节点"。每个节点都能收发消息，信息可在节点间中继，让消息传输距离突破无线电波的常规限制。这种节点组成的网络（图 1）可覆盖制造工厂、办公楼、购物中心、企业园区等场景。

蓝牙网状网络的节点类型丰富，可在网络中承担多种角色：灯具、机械、安防摄像头、烟雾探测器、环境传感器等，都是节点可承担的角色示例。

元素

有些节点（如传感器）由电池供电，而另一些节点（如灯具、生产机械、安防摄像头）由电网供电；部分节点的处理能力更强，可在网状网络中承担更复杂的任务，同时具备以下四种节点功能中的任意一种：

低功耗功能：功耗受限的节点可通过该功能减少无线电开启时间、节省电量。低功耗节点（LPN）需与友节点配合工作。
友功能：无功耗限制的节点很适合作为友节点，负责暂存发往低功耗节点的消息与安全更新，仅在低功耗节点主动请求时才交付。
中继功能：中继节点接收并重传消息，通过节点间的中继实现更大规模的网络。节点是否承担该功能，取决于其电源与计算能力。
代理功能：代理节点实现 GATT 设备与蓝牙网状网络节点之间的消息收发，承担该角色的节点需要稳定的电源与充足的计算资源。

部分节点结构更复杂，由多个独立的 "元素" 组成：每个节点至少包含一个 "主元素"，还可包含额外元素（图 2）。元素由定义节点功能与自身状态的实体构成。以灯泡为例，它包含 1 个元素、2 项功能：

Node = Light bulb
One Element = Primary Element
Functionality of node
1. On/Off
2. Brightness
Condition/State of Element
1. On or Off
2. 0 -- 10 (Brightness Level)

节点内的每个元素都有一个唯一地址，称为 "单播地址"，这让每个元素都可以被单独寻址。我们会在蓝牙网状网络系列的后续内容中解释寻址机制。

模型与状态

无论节点是部署在生产车间、酒店、办公楼还是企业园区，节点的基础功能都是由 "模型" 定义并实现的。模型存在于元素内部，每个元素必须包含一个或多个模型（图 3）。模型负责定义并实现节点的功能与行为，而 "状态" 则用于描述元素的当前状态。

用我们的Light bulb示例来说：这个模型的功能是 "开关" 和 "亮度调节"，对应的状态分别是 "开 / 关" 和 "0--10（亮度等级）"。

Model (functionality of node)
- 1. On/Off
  - State -> On or Off
- 1. Brightness (0-10)
  - 1. State -> 0-10

蓝牙网状网络支持 "复合状态"------ 即由两个或多个值组成的状态。变色灯就是一个例子：它的色相可以独立于色彩饱和度或亮度变化。

"绑定状态" 指的是一个状态的变化会触发另一个状态的变化。常见的绑定关系存在于 "亮度状态" 与 "开关状态" 之间：若亮度从 0 变为 1，开关状态也会从 "关" 切换为 "开"。

每个模型都有唯一标识符：蓝牙 SIG 采用的模型是 16 位，而厂商自定义模型是 32 位（包含 16 位蓝牙分配的公司标识符，以及 16 位厂商分配的模型标识符）。这确保了每个模型都能被唯一寻址。

蓝牙网状网络通过 "客户端 - 服务器架构" 实现消息通信：服务器的作用是暴露元素的状态。最简单的状态之一是 "二进制开关"（状态非开即关），而 "通用开关服务器模型" 就是一种简单的服务器模型，它包含代表开关状态的状态值。

客户端通过请求、修改或使用服务器的状态来访问这些状态。"通用开关客户端模型"（对应二进制开关）是简单客户端模型的示例：它通过发送消息来控制通用开关服务器模型，比如通过这种机制实现灯光的开关控制。

这种客户端 - 服务器架构衍生出三类模型：

定义模型可收发的消息，以及元素在收到这些消息后的行为
- 示例：
  - 开关：可暴露开关的状态
  - 传感器：可暴露传感器的状态（比如温度值、传感器的满 / 缺状态）
  - 功率等级：可暴露功率状态（等级 1-10）
客户端模型
- 定义客户端用于请求、修改或使用服务器对应状态的消息集合
- 示例：
  - 开关：客户端发送 "开 / 关" 消息
  - 功率等级：定义功率状态（0-10）的消息
控制模型
- 具备多重功能，可能包含以下一种或多种组件：
  - 客户端模型
  - 服务器模型
  - 控制逻辑（规则与行为）：协调与其连接的各模型之间的交互
- 示例：我们可以为一台给机器循环输送冷却液的泵使用控制模型
  - 场景：温度传感器记录机器温度，当温度超过设定值时，冷却泵启动
  - 组件：
    - 冷却泵的控制模块：包含一个用于温度传感器的客户端（接收温度值）、一个用于开关的服务器（控制泵的启停）
    - 控制逻辑（规则与行为）：定义 "当温度传感器数值超过设定值时，启动泵"

模型定义让你可以配置网状网络中节点及其功能。模型定义及其他模型相关概念，会在后续文章中详细介绍。

蓝牙mesh网络架构

蓝牙网状网络运行在蓝牙低功耗（LE）协议栈之上。下图 1 展示了蓝牙网状网络的协议栈，并定义了各层的功能：

协议栈层级	功能描述
模型层	定义模型，进而定义功能。
基础模型层	定义配置与管理网状网络所需的状态、消息与模型。
接入层	定义应用数据的格式，以及高层应用如何使用上层传输层。
上层传输层	对应用数据进行加密、解密与认证。
下层传输层	定义上层传输层消息如何分片、重组为多个下层传输 PDU。
网络层	定义传输层消息如何寻址到一个或多个元素。
承载层	定义网络消息如何在节点间传输。
蓝牙低功耗核心规范	蓝牙低功耗（底层基础）。

地址

蓝牙网状网络包含 4 类地址（其中 3 类用于消息通信）：单播地址、虚拟地址、组地址，第 4 类是未分配地址。地址长度为 16 位，编码规则如下（图 2）：

数值（二进制）	地址类型
0b0000000000000000	未分配地址
0b0xxxxxxxxxxxxxxx（除上述值）	单播地址
0b10xxxxxxxxxxxxxx	虚拟组地址
0b11xxxxxxxxxxxxxx	组地址

未分配地址：未配置的元素或无指定地址的元素会使用该地址，这类元素无唯一标识，因此不用于消息通信。
单播地址：配置者会为节点中的每个元素分配一个单播地址，有效期与节点在网络中的存续期一致。单播地址可出现在消息的源地址或目的地址字段，发往单播地址的消息仅由一个元素处理。
虚拟地址：是与特定标签 UUID 关联的一组元素，可被发布或订阅。标签 UUID 是 128 位值，关联来自一个或多个节点的多个元素。

对于虚拟地址，其第 15 位和 14 位分别设为 1 和 0（图 2），第 13--0 位是哈希值（提供 16384 个哈希值）。哈希值由标签 UUID 生成 ------ 直接核对 128 位 UUID 效率较低（尤其 UUID 可能跨多个消息分片），哈希值能更高效地确定消息的接收元素。

组地址 ：是蓝牙网状网络中的另一种组播地址，代表来自一个或多个节点的多个元素，分为两类：
- 动态分配：0xC000--0xEFFF
- 固定地址（由蓝牙 SIG 分配，分为 5 段）：
  - 预留未来使用（RFU）：0xF000--0xFFFB
  - 所有代理节点：0xFFFC（发往所有启用代理功能的节点）
  - 所有友节点：0xFFFD（发往所有启用友功能的节点）
  - 所有中继节点：0xFFFE（发往所有启用中继功能的节点）
  - 所有节点：0xFFFF（发往所有节点）
- 发往固定地址的消息，由节点的主元素处理。

消息

蓝牙网状网络通过消息通信，消息分为控制消息 与接入消息：

控制消息：与网状网络运行相关的消息，例如心跳消息、友节点请求消息。
接入消息：允许客户端模型获取 / 设置服务器模型的状态值，或由服务器模型用于上报状态值。

模型定义并实现节点的功能；元素是节点内可唯一寻址的实体，包含一个或多个模型；状态则描述元素的状态。每个状态对应服务器模型支持的一组消息，例如客户端模型请求状态值、请求修改状态，或服务器模型发送状态 / 状态变更消息。

消息通过操作码标识，附带参数。操作码定义消息的操作类型，示例：

通用开关读取：用于标识通用模型的开关状态，无参数。
通用开关设置 ：用于设置通用模型的开关状态，参数包括：
- OnOff：目标值（开 / 关）
- TID：事务标识符（标识消息是新消息还是重传）
- Transition Time：元素从一个状态切换到另一个状态的时长
- Delay：消息执行延迟

接入消息分为两类：确认型 与非确认型。确认型消息会被每个接收元素传输并确认，响应通常是状态消息；非确认型消息无需响应，蓝牙网状网络的状态消息就是非确认型消息的示例。

消息安全

蓝牙网状网络的每条消息都通过 **NetKey（网络密钥）与AppKey（应用密钥）** 进行加密和认证：

NetKey：用于网络层通信。若网状网络无子网，网络内所有通信使用同一网络密钥。
AppKey：用于应用数据。网络中部分节点可能对应特定应用，这类应用中的敏感数据需要受限访问 ------ 这些节点会使用特定 AppKey，并与特定应用关联。例如安防（楼宇门禁、设备间门禁、CEO 办公室门禁）、照明（生产车间灯、建筑外墙灯、走道灯）、暖通系统等场景，可能使用不同的 AppKey。

中继节点（如灯泡、墙壁开关）通常持有有效的 NetKey，可在网络内中继敏感消息，但无法访问各受限区域（如楼宇控制、暖通系统）的特定 AppKey，因此无法解密这些应用的数据。

消息交换

蓝牙网状网络采用发布 / 订阅模型传输消息：生成消息的节点是 "发布方"，希望接收消息的节点会订阅感兴趣的地址。消息可发布到单播、组或虚拟地址。

消息可以是其他消息的响应，也可以是主动推送的消息：发送响应消息时，模型会将消息发起方的源地址作为目的地址；发送主动推送消息时，会将模型的发布地址作为目的地址 ------ 节点中的每个模型都有唯一的发布地址。

接收消息时，节点内的每个模型实例（一个节点可能包含多个模型）可订阅一个或多个组地址 / 虚拟地址的消息。

订阅消息的模型通过订阅列表定义可接收消息的有效地址：当模型收到消息时，会检查订阅列表，若列表中的地址是该模型元素的单播地址，或属于该节点的固定组地址，则判定为匹配。图 3 展示了接入消息的有效源地址与目的地址：

地址类型	有效源地址	接入消息的有效目的地址
未分配地址	否	否
单播地址	是	是
虚拟组地址	否	是
组地址	否	是

当蓝牙网状网络实体发布各节点的状态时，整个网络中的系统都可订阅这些数据（无论与发送节点的距离远近）。这让网络一端的设备能通过低功耗无线消息，与设施内其他位置的管理员通信，不受距离限制。

了解更多蓝牙网状网络信息

蓝牙网状网络结合了蓝牙技术成熟的全球互操作性与可信生态系统，支持构建工业级设备网络。现在你已了解蓝牙网状网络的基础核心概念，可以进一步探索其拓扑细节。若想深入了解，可下载《蓝牙网状网络技术概述》文档。后续我们还会探讨蓝牙网状网络的安全、配置、代理节点等内容。