蓝牙Mesh：构想全新的应用领域

　　Mesh技术允许多个蓝牙设备连接在一起从而形成一个大型网络，以节能和安全的方式实现远距离桥接。通过在安全性、可靠性和可扩展性方面满足行业标准，蓝牙Mesh技术可以实现全新的应用场景。

　　蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)在2000年推出了无线数据传输标准：蓝牙基本速率(BR)/增强数据速率(EDR)。2010年，蓝牙SIG通过低功耗蓝牙(BLE)定义进一步提升了其标准，使得低功耗的数据传输成为可能。

　　业界对这种无线通信技术的需求很高，其中一个原因是预期到这种技术将会进一步改进和发展。BLE的成功，首先在于它的功耗非常低。但是BLE协议也有其缺点。只有三种类型的通信是可能的(图2)：在两个单独的设备之间(点对点通信，双向1：1)、在一个设备和其他多个设备之间(一对多通信，双向，1：m) )，或者一个设备把数据连续发送到环境中，而没有特定收件人(广播通信)的通信。在广播时，环境中的所有BLE设备都可以接收数据但无法响应。这些网络拓扑的缺点是，如果把数据传输出来的主站(星型配置，中心角色)失效，整个网络则会失效。

　　1 完美的网络技术

　　2017年7月蓝牙SIG推出了可选的蓝牙mesh，这是一种基于低功耗蓝牙通信协议并且进一步改进的无线通信技术。通过使用蓝牙mesh，可以在大型物理区域内建立一个由多对多连接组成且多达32 000个参与者的大型网络(m：m，图3)。即使发送初始消息的设备不在接收器的直接无线电传输范围内，传输仍然有效。此外，蓝牙mesh 1.0网络技术支持来自不同供应商的设备之间的通信，这是先前的专利解决方案无法实现的，例如CSRmeshTM。它尚有更多优势，就是稳健且安全的数据传输，以及非常高的能量效率。

　　这些功能使蓝牙mesh成为许多应用领域的完美网络技术，例如楼宇自动化、传感器网络、工业制造或货物跟踪。一般而言，蓝牙mesh适用于需要在多个设备之间进行最少数据通信的所有应用。

　　2 蓝牙mesh是如何工作的

　　蓝牙mesh与消息传递系统一起工作，根据发布和订阅原则分发消息。将消息发送到具有特定地址的设备称为发布。订阅是为设备分配特定地址的设备配置。然后，这台设备只能接收到发送到特定地址的消息。示例：大厅照明安装有蓝牙mesh，所有灯泡都配置为接收“大厅照明”订阅，如果通过BT mesh开关将“开”消息发送到“大厅照明”地址，系统就会打开所有订阅了“大厅照明”的灯泡。

　　蓝牙mesh中的数据传输称为“泛洪(flooding)”，这意味着通过整个网络把消息发到从站(接收器)的过程中没有特殊的路由。消息将发送到范围内的所有设备，然后转发，直到它到达正确的从站。

　　由于网络参与者数量密集，因此可以克服先前需要使用较慢且未全局标准化的1 GHz以下技术的障碍。即使发送初始消息的设备(主设备)不在无线电传输的范围内，该消息仍然可到达正确的从设备。如果参与者密度已经使得网络足够狭窄，连接也可以得到冗余的保证，这就是即使单个参与者不再用作中继，数据仍然可以找到其目的地的原因。这种自我修复功能使蓝牙mesh成为最可靠的网络之一，并确保其首次在工业中得到广泛的应用。

　　蓝牙mesh网络中的设备称为节点，共有四种不同类型的节点，除了发送和接收，还提供如下其他功能。

　　•中继节点：它们将收到的消息转发到下一个设备，消息传输功能使用所谓的“跳跃”，蓝牙mesh最多支持127次跳跃。

　　•低功耗节点：某些设备(如传感器)要求非常节能，低功率节点与称为“朋友”的一个或多个其他节点一起工作。

　　•朋友节点：这里有足够的能量，例如：通过连接到主电源。这些朋友节点与低功率节点一起工作。朋友节点仅在低功率节点请求时为它们存储并转发消息。

　　•代理节点：它们为没有蓝牙mesh堆栈的BLE设备提供GATT(通用属性配置文件)接口，这还可以实现BLE mesh和普通BLE节点之间的通信。

　　在OSI层模型的接入层内，可以确定在接收到消息之后是否应该将确认信号(确认)发送回主设备。

　　3 蓝牙mesh是否安全

　　建立具有许多设备的大型网络，会给安全数据传输带来巨大的风险。因此，在开发蓝牙mesh时，安全性是首要任务。为此，蓝牙技术联盟(SIG)概述了严格的规范。蓝牙mesh网络中的所有安全功能都是强制性的。

　　但是，由以色列理工学院(Israel Institute of Technology)的研究人员发现的蓝牙安全简单配对和BLE安全连接中的安全漏洞也会影响蓝牙mesh，因为它是基于BLE堆栈的。某些受影响产品的供应商已提供固件更新或正在解决此问题。儒卓力汇编了产品目录中受影响蓝牙产品的概述，以记录可能的固件更新状态：rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status。

　　关键的安全功能如下。

　　•加密和身份验证：所有蓝牙mesh网络消息都经过加密和身份验证。

　　•关注点分离：蓝牙mesh网络中有三个不同的安全方面：应用程序、网络和设备安全性，它们彼此独立处理并拥有自己的安全密匙：

　　①应用程序密匙(AppKey)：这保护与特定应用程序有关的数据，例如照明或摄像头。

　　②网络密匙(NetKey)：网络密钥适用于网络中的所有设备，从而确保安全的数据传输。

　　③设备密匙(DevKey)：每个节点都有一个唯一的设备密钥，这个安全密钥可用于将设备添加到网络中。

　　•区域隔离：蓝牙mesh网络分为许多个子网，这些子网在加密方面各不相同，并且每个子网都是安全的。

　　•密匙刷新：在密匙刷新过程中，可以更改蓝牙mesh网络中的所有安全密匙。

　　•消息模糊处理：此数据隐私机制使得跟踪网络中的节点变得极其困难，因此几乎不可能跟踪发送的消息。

　　•重放攻击保护：安全功能可保护网络免受重放攻击(身份盗用：先前收集的数据用于身份验证和接入控制)。

　　•垃圾桶攻击防护：可以通过防止垃圾桶攻击(从无效节点读取重要的网络信息)的方式，安全地从网络中删除节点。

　　•安全设备配置：可以在安全的过程中将新节点添加到蓝牙mesh网络中。

　　4 结论

　　所有这些广泛的安全功能，使蓝牙mesh成为需要在多个设备之间低数据速率通信的应用的理想解决方案。而且，蓝牙mesh适用于新的应用领域，比如预测性维护或智能农业/农业。在装配线中实施无线传感器mesh网络可以在机器发生故障之前及时向维护人员发出警告。或者，通过在农业中使用mesh网络，土壤和空气湿度或温度等数据可以直接传输到智能手机，而无需网关。蓝牙mesh技术还可以更有效地使用水和肥料，减少农药的使用：只有在测量值低于某一限值时才采取适当的措施。在智能家居领域，灯可以配备传感器，当有人在附近时进行注册，确保仅在这种情况下灯才会打开。蓝牙mesh甚至可以用于体育活动：运动员鞋中集成的传感器可以记录运动性能数据，然后通过蓝牙mesh主装置从一名运动员传输到下一名运动员，直到这些数据传输到教练处，随后教练可以评估数据。

　　另一个优点：实际环境对于BLE mesh技术并不重要。由于mesh规格1.0及更高版本完全满足工业要求，因此可以想象到无数的应用领域：无论是在医院、工厂、办公室、大学还是私人住宅中。蓝牙mesh非常值得业界关注，因为大量设备之间安全、稳健的无线通信，能够用于实现各种崭新应用。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第2期第15页，欢迎您写论文时引用，并注明出处