蓝牙Mesh基础开发-NordicnRF5SDKforMesh.pdf_ble_mesh_provisioner

Bluetooth

Mesh

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1. 基本的蓝牙 mesh 概念

Bluetooth Mesh 是 Bluetooth SIG 开发和发布的配置文件规范。本文档介绍了蓝牙网状网络

的基本概念，并概述了配置文件的操作和功能，并解释了网状网络设备的生命周期。有关

Nordic 半导体实施蓝牙网格的更多具体信息，请参阅网格体系结构文档。

1.1

与低功耗蓝牙的关系

蓝牙网格基于蓝牙

4.0

规范中的蓝牙低功耗部分，并与该协议共享最低层。由于网状信息

包含在蓝牙低能量广播信息包的有效载荷内，所以蓝牙网状物理表示与现有的蓝牙低功耗设

备兼容。然而，蓝牙网格指定了一个全新的主机层，尽管一些概念是共享的，但是蓝牙网

格与蓝牙低功耗主机层不兼容。

1.2 应用领域

蓝牙 Mesh 主要针对简单的控制和监控应用，如光控或传感器数据采集。数据包格式针对

小型控制数据包进行了优化，发出单个命令或报告，不适用于数据流或其他高带宽应用。

与传统的蓝牙低功耗应用相比，使用蓝牙网卡会导致更高的功耗。这主要是由于需要保持

无线电持续运行。因此，与蓝牙低功耗广告主不同的是，主动网状设备不能长时间使用纽

扣电池。

蓝牙网状网支持多达 32767 个网络设备，最大网络直径为 126 跳。

1.3

网络拓扑和中继

蓝牙

Mesh

是基于广播的网络协议，网络中的每个设备都发送和接收来自无线电通信范围内

的所有设备的所有消息。在网状网络中没有连接的概念。网络中的任何设备都可以中继来

自任何其他设备的消息，这使得网状设备能够通过使一个或多个其他设备将消息中继到目的

地而将消息发送到无线电范围之外的设备。此属性还允许设备随时移动并进出网络。

1.4 网格运输

蓝牙 Mesh 利用蓝牙低功耗广告商和扫描器角色，通过蓝牙低功耗广告数据包进行通信。广

告数据包由附近的网状设备拾取并像其他蓝牙低功耗广告数据包一样处理。网格数据包以

唯一的 AD 类型表示，并添加到广告数据包有效负载中。

蓝牙低功耗设备每隔一段时间发送一次广告报文，网格包也不例外。但是，与传统的广告

主不同，网状设备将在每个传输中改变其广告载荷，在堆叠中排队时传播新的网状分组。每

个蓝牙网状网络的广告只会针对每个设备传输一次，如果网状网络中没有流量，设备将保持

沉默状态。

1.5

中继

蓝牙网格通过中继消息来扩展网络的范围。任何网格设备都可以配置为中继，不需要专门

的中继设备来构建网络。作为中继的每个设备都会减少接收到的消息中的生存时间（

TTL

）

值，并在

TTL

为

或更高时将其转发。这种无向中继被称为消息泛滥，并确保消息传递的

高可能性，而不需要关于网络拓扑的任何信息。

Mesh Profile Specification

没有提供任何路

由机制，所有的消息都被所有的中继转发，直到

TTL

值达到零。为了避免消息被同一个中

继反复转发，所有的

mesh

设备都维护一个消息缓存。该缓存用于过滤设备已处理的数据

包。

基于洪泛的消息中继方法会在空中造成大量的冗余流量，这可能会影响网络的吞吐量和可靠

性。因此，强烈建议限制网络中继电器的数量来限制这种影响。网络中启用中继的设备的

速率是消息路由冗余和可靠性之间的折衷。应根据网络密度，流量，网络布局以及对可靠

性和响应性的要求进行调整。

1.6

能量消耗

为了实现基于广播的通信，设备必须持续保持其无线电收听模式，从而导致比典型的蓝牙低

功耗设备更高的功耗。为了使低功耗设备能够参与到网状网络中，蓝牙网状网包含了低功

耗的友好功能。该协议允许低功率设备与常规网状设备建立关系，然后该设备将定期缓存

并将消息转发给低功率设备。这使低功率设备不必继续收听收到的消息。

1.7 GATT

代理

为了让不支持接收网格分组的传统蓝牙低功耗设备加入网格网络，蓝牙网格定义了一个单独

的协议，用于通过蓝牙低功耗

GATT

协议来隧穿网格消息。为此，

Mesh Profile Specification

定义了一个

GATT

承载和相应的

GATT

代理协议。该协议允许传统的蓝牙低功耗设备通过与

具有代理功能的网状网络设备建立

GATT

连接来加入网状网络。

传统设备被分配一个地址和必要的密钥，成为网络的正式成员。设备通过常规配置程序或

通过某些带外机制接收安全证书。

1.8 地址关系

蓝牙网格寻址方案不同于蓝牙低能量寻址方案。它具有三种类型的地址：

单播地址：每个设备都是唯一的

组地址：允许形成一组设备并一次处理所有设备

虚拟地址：具有大地址空间的未跟踪的基于 UUID 的地址

当一个设备被添加到一个网络时，它被分配了一系列代表它的单播地址。设备的单播地址

不能改变，始终是连续的。单播地址空间支持在单个网状网络中具有 32767 个单播地址。单

播地址可以被任何应用使用来直接发送消息给设备。

组地址作为网络配置过程的一部分进行分配和分配。组地址可以表示任何数量的设备，并

且设备可以是任何数量的组的一部分。网状网络中最多可以有 16127 个通用组地址。

虚拟地址可以被认为是组地址的一种特殊形式，可以用来表示任何数量的设备。每个虚拟

地址是从文本标签生成的 128 位 UUID。虚拟地址不必由网络配置设备跟踪，这样，用户可

以在部署之前生成虚拟地址，或者可以在网络中的设备之间临时生成地址。

1.9

供给者（

provisioning

）

在设备可以参与正常的网状操作之前，必须预先配置。在配置期间，设备将被添加到网络，

并分配有单播地址，网络密钥和设备密钥。配置由

Provisioner

完成，

Provisioner

是一个受

信任的设备，可以访问网络中的设备的完整列表及其地址。新设备配置完成后，配置人员

需要使用新设备的设备密钥来建立一个安全通道来配置它。

1.10

模型和元素

为了标准化来自不同厂商的设备之间的通信，

Mesh Profile Specification

定义了一个接入层，

在设备的不同模型之间路由网状消息。模型表示特定的行为或服务，并定义一组状态和消

息，这些状态和消息作用于这些状态。

Mesh Profile Specification

和

Mesh Model Specification

定义了一组模型，以涵盖典型的使用场景，如设备配置，传感器读数和灯光控制。除此之

外，供应商可以自由地定义与自己的消息和状态相关的模型。

1.12

示例场景：灯控开关

配置新的灯开关后，配置器中的

Configuration Client

模型会读出新设备的模型和元素列表，

并将其呈现给用户。用户在设备的型号列表中找到灯开关型号，并给它“灯光控制”应用

程序键。接下来，用户将模型的发布地址设置为厨房中的所有灯泡订阅的“厨房区域”组

地址。下一次按下新的电灯开关时，厨房内的所有灯泡都会亮起。

1.13 安全

蓝牙网状网采用多种安全措施来防止第三方干扰和监测。

1.14

认证

设备身份验证是供应过程的一部分，并允许用户确认添加到网络的设备确实是他们认为是的

设备。

Mesh

配置文件规范定义了一系列带外验证方法，例如灯的闪烁，输出和输入密码，

以及针对预共享密钥的静态验证。为了确保供应程序，使用椭圆曲线

Diffie-Helman

（

ECDH

）

公钥密码术。设备配置完成后，它将成为网络的一部分，并将其所有消息视为已认证。

1.15

消息加密

蓝牙网状网具有两级

AES-CCM

加密功能，

128

位密钥用于网络上的所有消息。

最底层的网络加密保护网状网络中的所有消息不被网络中的设备读取。加密是通过网络加

密密钥完成的，任何网络最多可以由

4096

个不同的子网组成，每个子网都有自己的网络密

钥。所有共享网络密钥的设备都被视为网络的一部分，并可能通过它发送和中继消息。通

过使用多个网络密钥，网络管理员可以将其网络有效地划分为多个子网，因为网状网中继仅

转发使用已知网络密钥加密的消息。

第二个加密层是传输加密。此加密层通过使用应用程序或设备密钥加密应用程序负载来限

制哪些设备可以在网络中执行什么操作。作为一个例子，考虑在酒店中部署的网状网络，

其中希望限制由员工控制的某些功能（例如配置钥匙卡或访问存储区域）以及一些可供客人

使用的功能（例如控制室内照明或空调）。为此，我们可以为客人提供一个应用程序密钥，

为员工提供一个应用程序密钥，从而允许通过同一网络中继消息，同时防止客人和员工读取

彼此的消息。

应用程序密钥用于分隔网络中不同应用程序的访问权限，而设备密钥则用于管理网络中的设

备。每个设备都有唯一的设备密钥，只有配置器和设备本身才知道。使用新加密密钥（网

络或应用程序密钥）或地址配置设备时，除了设置其他设备特定参数外，还使用设备密钥。

通过将新密钥传输到网络中的所有其他设备（传输密钥时使用它们各自的设备密钥），还可

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