第二章：Mesh系统架构详解
蓝牙Mesh网络的设计核心是一个分层架构，这类似于我们熟悉的网络通信模型（如TCP/IP）。每一层都有明确的职责，下层为上层提供服务，共同协作完成从用户指令到无线信号传输的整个过程。
为了让您更好地理解，我们可以将Mesh网络想象成一个高效的邮局系统：
您（用户） 是寄信人，想发送一个指令（如"打开客厅的灯"）。
Mesh网络就是遍布城市的邮局和邮递员网络。
分层架构规定了这封信从书写、装袋、分拣、运输到最终投递的每一道工序。
下面，我们结合这个比喻，逐层解析Mesh架构。
2.1 分层架构：从应用到底层的七层分工
蓝牙Mesh规范定义了七层结构，如图2.1所示。我们从最贴近用户的"应用层"开始，自上而下地理解：
- 模型层 & 基础模型层：定义"能做什么"
通俗理解：这相当于产品说明书和公司管理章程。
模型层：定义了设备的具体功能。例如，"灯泡模型"说明书里写明：这个设备能接收"开"、"关"、"调亮度"这几条指令。另一个设备如果是"温度传感器"，它的说明书里就是"报告当前温度"指令。
基础模型层：定义了管理整个Mesh网络所需的"管理章程"，比如如何给新设备分配地址、如何设置网络密钥等。这主要由配置服务器模型和配置客户端模型来实现。
举例：您买了一个智能灯泡，它内部就实现了"灯泡模型"。当您用手机App（配置客户端）给它配网时，用的就是"基础模型层"定义的管理流程。
- 访问层：校验"信件"的合法性
通俗理解：邮局安检和分拣员。他检查信件是否属于本邮局系统（网络），以及是寄往哪个部门的（应用）。
具体职责：负责定义应用数据的格式，并验证收到的数据是否使用了正确的网络密钥和应用密钥。它确保"打开灯"的指令不会被一个"门锁"设备错误地执行。
关键概念：应用密钥。不同的应用（如照明、安防）可以使用不同的应用密钥，实现安全隔离。照明指令无法解锁安防门锁。
- 上层传输层：为"信件"内容加密
通俗理解：信件内容加密员。他用只有收信人知道的密码（应用密钥）给信纸内容加密，确保传输途中无人能窥探或篡改内容。
具体职责：对访问层下来的"应用数据"进行加密、解密和认证，保证消息的机密性和完整性。
- 下层传输层：处理"大包裹"
通俗理解：包裹打包/拆包员。如果信件内容太长（超过11字节），一个"信封"装不下，他就负责把一封信分割成多个小包裹发送；接收方则负责把多个小包裹重新组装成完整的信。
具体职责：管理消息的分段与重组，以传输较大的上层传输层消息。
- 网络层：决定"往哪送"和"是否中转"
通俗理解：邮局路由分拣中心。他查看信封上的目的地地址，决定这封信是留在本地投递，还是需要转发到下一个邮局（中继）。同时，他为整个信封套上一个大的"邮袋"，并用邮局系统的通用密码（网络密钥）给这个邮袋加密。
具体职责：
寻址：使用16位的地址（单播、组播、虚拟地址）来标识一个或多个设备。
中继决策：根据TTL值等，决定是否转发消息。
网络加密：使用网络密钥对整个网络PDU进行加密和认证。
关键概念：
TTL：生存时间。每经过一个中继节点，TTL值减1，减到0就不再转发，防止消息在网络中无限循环。
消息缓存：每个节点会缓存最近收到的消息，如果收到重复消息就直接丢弃，避免"广播风暴"。
- 承载层：选择"运输工具"
通俗理解：选择用卡车还是轮船运输。这是最底层，负责把数据包变成无线电波发出去。
具体职责：定义了网络消息如何在节点间传输。主要有两种"交通工具"：
广播承载器：利用BLE的广播信道发送数据。这是Mesh设备间主要的通信方式，无需建立连接，适合一对多、低延迟的通信。
GATT承载器：通过蓝牙连接（GATT）来传输Mesh数据。这主要为了让不支持Mesh协议的传统手机或设备（如只支持BLE 4.0的手机）能够通过一个代理节点接入Mesh网络。
- Bluetooth Low Energy Core Specification（蓝牙低功耗核心规范）
通俗理解：公路、铁路等基础设施标准。Mesh协议建立在标准的BLE物理层和链路层之上，它使用了BLE的广播信道（37, 38, 39）进行通信。
2.2 Mesh操作概述：网络如何运转
Mesh网络的设计目标包括：支持消息中继以扩大范围、确保安全、兼容现有设备、支持低功耗设备等。其核心是一种受管理的泛洪网络。
泛洪通信：消息像水波一样扩散出去。源设备广播消息，所有在无线范围内且开启了中继功能的设备都会接收并重新广播它，直到达到TTL限制。
优点：无需复杂的路由发现和维护，路径天然冗余，可靠性高。
挑战：可能引起网络拥塞。
解决方案：通过 TTL 和 消息缓存 两大机制来管理泛洪，抑制不必要的重复广播。
2.3 核心概念详解（结合实例）
- 设备 vs. 节点
未配置设备：一个全新的、未加入任何Mesh网络的智能灯泡。它只能广播"我在这里，求加入"。
节点：被配网器（如手机App）成功配置并加入Mesh网络后的设备。它拥有了网络地址和密钥，可以收发Mesh消息。
- 元素
通俗理解：一个物理设备内部的逻辑功能单元。一个设备至少有一个主元素，还可以有多个次元素。
举例：一个双键智能开关可能包含两个元素：元素1对应左键，元素2对应右键。每个元素都有自己唯一的单播地址。这样，网络就可以单独控制左键或右键。
- 地址
单播地址：唯一标识一个元素。就像每个人的唯一身份证号。网络中共有32767个可用单播地址。
组播地址：标识一组元素。就像一个部门的群组邮箱。发送到组播地址的消息，所有订阅了该地址的元素都会收到。例如，可以将"客厅所有灯"订阅到组播地址"客厅灯组"，一条指令就能控制所有灯。
虚拟地址：一种更灵活的组播地址，基于一个128位的UUID标签生成。它像是一个"话题标签"，任何元素都可以订阅这个标签。
- 发布与订阅
这是Mesh网络的核心通信模式，非常灵活。
发布：一个节点（如开关）向某个地址（单播/组播/虚拟）发送消息。
订阅：一个或多个节点（如灯泡）监听（订阅）一个或多个地址。
举例：开关A发布"开"指令到组播地址"厨房"。灯泡1、2、3都订阅了"厨房"地址，因此同时亮起。而开关B发布指令到"餐厅"，只有订阅了"餐厅"的灯泡3会响应。这样，灯泡3可以被两个不同的开关控制。
- 特性与节点角色
节点可以根据其支持的特性扮演不同角色，增强网络能力：
中继节点：接收并转发消息，扩大网络覆盖范围。是网络扩展的关键。
代理节点：在GATT承载和广播承载之间转换消息，让传统手机能接入Mesh网络。
低功耗节点：通常是电池供电的设备（如传感器）。它不能一直监听网络，为了省电。
朋友节点：与LPN结对，为LPN缓存消息。LPN可以长时间睡眠，偶尔醒来向它的Friend节点"取快递"（轮询消息），从而极大节省能耗。
总结：蓝牙Mesh通过清晰的分层架构和发布-订阅模型，构建了一个去中心化、可自组网、高可靠、且支持低功耗设备的无线网络。理解"元素"、"地址"、"发布/订阅"以及"中继/Friend"这些核心概念，是掌握Mesh如何工作的关键。