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BLEMESH组⽹（⼀）简介和基本概念
BLE MESH组⽹（⼀）
BLE MESH简介
Bluetooth mesh profile规范是由Bluetooth SIG开发和发布的，它允许⼀对⼀、⼀对多和多对多通信。它使⽤BLE协议在⽹络节点之间交换消息。这些节点可以相互通信，只要它们在彼此的直接⽆线电范围内，或者有⾜够的设备能够侦听和转发这些消息。 BLE MESH⽹络利⽤管理泛洪⽅法进⾏消息传输，这是⼀种简单可靠的消息中继形式，特别适⽤于低功耗⽆线⽹状⽹络，尤其是那些处理⼤量多播流量的⽹络。这使得基于泛洪的消息中继成为满⾜商业和⼯业市场严格的可靠性、可扩展性和性能要求的理想⽅法。
BLE MESH来源
蓝⽛基本速率/增强数据速率 (BR/EDR) 是第⼀个发布的蓝⽛版本。它旨在作为⼀种电缆替代技术，很快就主导了⽆线⾳频产品，并成为新计算机外围设备（如⽆线⿏标和键盘）的推动者。
低功耗蓝⽛ (LE) 是下⼀个真正与众不同的蓝⽛技术。它经过优化，可与包含它的设备⼀起使⽤尽可能少
的能源，并且能够⽆线操作和通信，仅由硬币⼤⼩的电池供电，通常可以使⽤多年。它已被⼴泛采⽤。很难到不⽀持蓝⽛ LE 的智能⼿机或平板电脑。健康、运动和健⾝设备（如活动追踪器）依赖蓝⽛ LE 技术。智能⼿表等可穿戴设备也是如此。这种蓝⽛风格的影响令⼈印象深刻且⼴泛。
蓝⽛ BR/EDR 和蓝⽛ LE 在智能⼿机等设备中都很常见，但它们并不依赖于彼此的服务和功能。出于所有意图和⽬的，这两种蓝⽛风格彼此独⽴⼯作。事实上，虽然他们很乐意在同⼀设备中共存，但不可能使⽤蓝⽛ BR/EDR 与蓝⽛ LE 设备进⾏通信。
相⽐之下，BLE MESH⽹络使⽤并依赖于蓝⽛ LE。蓝⽛ LE 是BLE MESH⽹络使⽤的⽆线通信协议栈。
BLE MESH⽹络不是⽆线通信技术。这是⼀种⽹络技术。
BLE MESH⽤处
Bluetooth ®⽹状⽹络的创建是因为⽹状拓扑提供了满⾜各种⽇益常见的通信需求的最佳⽅式，这些需求以楼宇⾃动化和传感器⽹络等应⽤为代表。这些要求包括：
覆盖⾮常⼤的区域
“只是⼯作互操作性”
监视和控制⼤量设备的能⼒
优化、低能耗
有效利⽤⽆线电资源，实现可扩展性
与当前可⽤的智能⼿机、平板电脑和个⼈电脑产品的兼容性
⾏业标准、政府级安全
其他⽹状技术，⼀般来说，标准的智能⼿机、平板电脑和PC设备不⽀持；⼀个主要的制约因素。
BLE MESH的通讯⽅式
公牛辅助BLE MESH⽹络使⽤发布/订阅消息系统。
设备可能会向其名称和含义对应于⽤户可以理解的⾼级概念的地址发送消息，例如Garden Lights。这称为发布。
设备可以配置为接收由其他设备发送到特定地址的消息。这称为订阅。
当设备向特定地址发布消息时，订阅该地址的所有其他设备都将收到它的副本，对其进⾏处理并以某种⽅式做出反应。
想象⼀下安装在花园中的⼀组户外灯。每个灯都已配置为订阅“花园灯”消息。现在，想象⼀个BLE MESH灯开关向“花园灯”地址发
送“ON”消息。花园中的所有灯都会收到“ON”消息，并通过……做出反应。你猜对了……打开。
就这么简单。
管理洪⽔
中继设备重新传输它们从其他设备接收的消息。在这样做时，他们能够与不在最初发布消息的设备的⽆线电范围内的设备进⾏通信。⼀条消息可以通过所谓的“跳跃”多次中继。最多可能有127跳，⾜以在巨⼤的物理区域中中继消息。
BLE MESH使⽤⼀种称为“泛洪”的⽅法来发布和中继消息。这意味着消息不是由导致它们沿着仅包含特定设备序列的特定路径传输的过程路由的。相反，范围内的所有设备都会接收消息，⽽那些充当中继的设备会将消息重新传输到范围内的所有其他设备。
⼀般来说，泛洪是⼀种技术，有优点也有缺点。
泛洪的优点是不需要特定设备承担特殊责任来充当集中式路由器，其故障可能导致整个⽹络⽆法运⾏。特定路由不可⽤也可能对⽹络产⽣灾难性影响，⽽这也可以通过⽹状⽹络的泛洪⽅法来避免。
泛洪⽅法还意味着消息通常可以通过多条路径到达其⽬的地。这使得⽹络⾮常可靠。
传输带所有数据包都包含⼀个称为TTL的字段。这可⽤于限制消息在中继时采⽤的跳数。由设备每隔⼀段时间传输的⼼跳消息包括允许⽹络了解其拓扑结构和跳数的信息，其他每个设备都是如此。这允许设备将 TTL 设置为最佳值，从⽽避免消息被中继不必要的次数。
市场内蓝⽛设备⽀持
Bluetooth® mesh⽹络指定了⼀个称为代理节点的设备⾓⾊。代理节点包括标准的低功耗蓝⽛ GATT 服务，该服务具有两个 GATT 特性。这些特征称为Mesh Proxy Data In 和Mesh Proxy Data Out。智能⼿机等低功耗蓝⽛设备可以使⽤这些特性向⽹状⽹络发送数据和从⽹状⽹络接收数据。
⽹格规范定义了⼀个称为代理协议的协议，通过代理节点提供的两个 GATT 特性交换的数据由代理协议 PDU 组成。
安全性
安全性是BLE MESH⽹络设计的核⼼，它的使⽤是强制性的。
每个数据包都经过加密和验证。通过明智地使⽤序列号来防⽌重放攻击。通过在重要过程中使⽤⾮对称加密来防⽌中间⼈攻击。提供针对利⽤废弃设备的垃圾桶攻击的保护。必要时会刷新安全密钥。
“关注点分离”是⼀个重要的原则，体现在蓝⽛mesh⽹络的安全性上。⽹络安全与照明、供暖或物理建筑安全等个别应⽤的安全是相互独⽴的。不同的安全密钥⽤于保护⽹络层操作，例如中继与保护特定于应⽤程序的消息内容。这样做的结果是，例如，灯泡可以完全访问由电灯开关传输的消息中的数据，因为它们具有相同的应⽤程序密钥。但是，虽然同⼀个灯泡能够将消息从蓝⽛物理访问令牌转发到前门的锁，但它⽆法看到这些消息的应⽤层内容。
协议栈的各个层分别负责以下关键功能：
承载层（bearer）：承载层定义了如何使⽤底层 LE 堆栈传输 PDU。⽬前定义了两种承载，Advertising Bearer 和 GATT Bearer。
⽹络层(network)：⽹络层定义了各种消息地址类型和⽹络消息格式。中继和代理⾏为由⽹络层实现。
下层传输层(lower transport)：在需要时，下层传输层处理 PDU 的分段和重组。
上层传输层(upper transport)：负责传⼊和传出接⼊层的应⽤数据的加密、解密和认证。它还负责处理称为传输控制消息的特殊消息。这些包括与“友谊”关系相关的⼼跳和消息。
访问层(access)：负责应⽤程序数据的格式，定义和控制在上层传输层执⾏的加密和解密过程，并在将数据向上转发到堆栈之前验证从它接收到的数据⽤于正确的⽹络和应⽤程序。
基础模型(foundation models)：基础模型层负责实现那些与MESH⽹络的配置和管理有关的模型。
模型(models)：模型层关注模型的实现，因此也关注⾏为、消息、状态等的实现。
BLE MESH基本概念
ble mesh⽹络为与环境交互创造了新的机会，⽆论您是使⽤智能照明、加热/冷却和安全系统使您的家庭或办公室更加智能，还是提⾼⼯业⽆线传感器⽹络 (IWSN) 的效率。BLE MESH⽹络提供了创建真正⼤规模设备⽹络所需的基础，使您能够使数⼗、数百甚⾄数千个⽆线设备相互可靠、安全地通信。本⽂深⼊探讨了这种创新⽹络拓扑背后的基本概念。
节点
想象⼀个由数千个设备组成的⽹络，每个设备都通过蓝⽛®低功耗 (LE) 短脉冲⽆线连接进⾏通信。BL
E MESH⽹络上的这些设备称为节点。每个节点发送和接收消息。信息可以从⼀个节点到另⼀个节点中继，使消息能够传播⽐⽆线电波通常允许的更远的距离。这个节点⽹络下图可能遍布制造设施、办公楼、购物中⼼、商业园区等。
元素
某些节点（例如传感器）会消耗电池电量，⽽其他节点（例如灯具、制造机械和安全摄像头）则从主电⽹获取电⼒。⼀些节点⽐其他节点具有更多的处理能⼒。这些节点可以在⽹状⽹络中承担更复杂的任务，承担不同的⾓⾊并拥有以下四个节点特征中的任何⼀个。
低功率特性： 功率受限的节点可以使⽤低功率特性来减少⽆线电开启时间并节省功率。低功耗节点 (LPN) 与朋友节点协同⼯作。
朋友特征：没有功率限制的节点是成为朋友节点的绝佳候选者。朋友节点存储发往 LPN 的传⼊消息和安全更新；当 LPN 请求这些消息时，朋友节点将存储的信息传递给 LPN。
中继功能： 中继节点接收和重新传输消息，当消息从⼀个节点中继到另⼀个节点时，可以实现更⼤的⽹络。根据电源和计算能⼒，节点可能具有此功能。
代理功能：代理节点能够在 GATT 和蓝⽛⽹格节点之间传输和接收⽹格消息。具有此⾓⾊的节点需要可靠的电源和计算资源。
⼀些节点⽐其他节点更复杂，由多个称为元素的独⽴部分组成。每个节点⾄少有⼀个元素，称为主要元素，并且可能有其他元素。元素由定义节点功能和元素条件的实体组成。例如，⼀个灯泡有⼀个元素有两个功能：
节点 = 灯泡
⼀个元素 = 主要元素
节点功能
⼀、开关
⼆、亮度
元素的条件/状态
⼀、开或关
⼆、0 – 10（亮度等级）
节点内的每个元素都有⼀个唯⼀的地址，称为单播地址，使每个元素都可以寻址。
节点必须⾄少有⼀个元素，也可以有多个元素。
模型和状态
⽆论节点是跨制造车间、酒店、办公楼还是商业园区联⽹，节点的基本功能都是由模型定义和实现的。模型位于元素内部，元素必须具有⼀个或多个模型。模型定义和实现节点的功能和⾏为，⽽状态定义元素的条件。
图4 - 节点、元素、模型
图5 - 节点、元素、模型、状态
使⽤我们的灯泡⽰例，模型的功能是开/关和亮度。相关的状态分别是 On/Off 和 0-10：
模型（节点的功能)
开/关
状态 -> 开或关
亮度 (0-10)
状态 -> 0-10
BLE MESH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，因为⾊调可以独⽴于颜⾊饱和度或亮度⽽变化。
术语绑定状态定义为⼀种状态的变化导致另⼀种状态的变化。常见的绑定是在电平状态和开/关状态之间。如果电平从 0 变为 1，则
On/Off 状态也已从 off 转换为 on。
每个模型都有⼀个唯⼀的标识符。蓝⽛ SIG 采⽤的模型是 16 位，⽽供应商模型是 32 位（16 位蓝⽛分配的公司标识符和 16 位供应商分配的模型标识符）。这使得每个模型都是唯⼀可寻址的。
使⽤消息，BLE MESH⽹络通过客户端-服务器架构进⾏通信。服务器的功能是公开元素的状态。最简单的状态之⼀是⼆进制开关，其中状态为开或关。⼀个简单的服务器模型是通⽤开/关服务器模型，它包含表⽰开关是开还是关的状态。
客户端访问状态请求、更改或使⽤服务器的状态。简单客户端模型的⼀个⽰例是通⽤开/关客户端模型（⼆进制开关）。此通⽤开/关客户端模型通过向其发送消息来控制通⽤开/关服务器模型。例如，客户端使⽤此机制打开或关闭灯。
这种客户端-服务器架构产⽣了三种类型的模型：
服务器模型
由跨越⼀个或多个元素的⼀个或多个状态组成。
定义模型可以发送/接收的消息并定义给定这些消息的元素的⾏为。
例⼦：
开/关开关 - 可以显⽰开关的状态
传感器 - 可以显⽰传感器的状态（可能是温度值或传感器测量的满/重装/空值）
功率级别 - 可以显⽰功率状态（级别 1-10）
客户模型
洗车管理系统
定义客户端⽤于请求、更改或使⽤服务器相应状态的消息集。
例⼦：
开/关开关 - 客户端发送开或关消息
功率级别 - 定义功率状态的消息 (0-10)
控制模型
控制模型具有多种功能，可能包含以下⼀项或多项：
客户端模型
服务器型号
控制逻辑（规则和⾏为）协调它连接的模型之间的交互。
预埋槽道⽰例：我们可以将控制模型⽤于在机器周围循环液体冷却剂的泵。
场景 – 温度传感器记录机器的温度。如果机器温度超过规定的温度，冷却泵就会打开。
冷却泵控制模块
⼀个客户端到温度传感器（接受温度值）
风电功率预测服务器到 On/Off 开关（打开或关闭泵）
控制逻辑（规则和⾏为）——定义如果温度传感器超过定义的值，打开泵。
模型定义允许在⽹状⽹络中配置节点及其功能。
地址
节点（例如灯具、温度调节设备、制造设备和电⼦门）是能够在BLE MESH⽹络内发送、接收和/或中继信息的设备。消息⽤于在节点之间传输数据，地址⽤于定义消息的来源（源）和去向（⽬的地）。
地址有四种类型；其中三种类型⽤于消息传递：单播、虚拟和组地址。第四个称为未分配地址。地址的长度为 16 位，并按如下定义进⾏编码。
未分配地址–未配置的元素或没有指定地址的元素具有未分配的地址。鉴于这些元素没有唯⼀的地址，它们可能不会⽤于消息传递。
单播地址——在供应期间，供应商在⽹络上该节点的⽣命周期内为节点中的每个元素分配⼀个单播地
址。单播地址可能出现在消息的源地址字段和/或⽬标地址字段中。发送到单播地址的消息仅由⼀个元素处理。
虚拟地址——虚拟地址是⼀组与特定标签 UUID 相关联的元素；这些地址可能会被发布或订阅。标签 UUID 是⼀个 128 位值，与可能来⾃⼀个或多个节点的多个元素相关联。
对于虚拟地址，第 15 位和第 14 位分别设置为 1 和 0（上图）；位 13 – 0 设置为散列值（提供 16,384 个散列值）。散列来⾃标签 UUID。使⽤订阅元素检查完整的 128 位 UUID 效率低下，尤其是当 UUID 可能跨越多个消息段时。散列值提供了⼀种更有效的⽅式来确定哪些消息发送到哪些元素。
组地址– 组地址是BLE MESH⽹络中的另⼀种多播地址。代表来⾃⼀个或多个节点的多个元素，有两种类型的组地址：动态分配-> 0xC000-0xFEFF
固定地址– 由蓝⽛ SIG 分配并分为五个部分：
保留供将来使⽤ (RFU) –> 0xFF00-0xFFFB
所有代理-> 0xFFFC
发送到所有启⽤代理功能的节点。
所有朋友-> 0xFFFD
发送到所有启⽤好友功能的节点。
