技术交流 | 蓝牙mesh技术 开启无线设备通信新纪元

[导读] 有人说蓝牙市场的迅猛增长很大一部分要归功于手机和个人电脑的普及,但其实蓝牙从最开始推出的一对一传播机制时,就一直都在完善自身技术以满足日益丰富的应用场景。特别是随着蓝牙mesh网状网络技术的推出,更近一步丰富蓝牙的使用场景,加快物联网时代多元化进程,开启了一个无线设备之间通信的新纪元。

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有人说蓝牙市场的迅猛增长很大一部分要归功于手机和个人电脑的普及,但其实蓝牙从最开始推出的一对一传播机制时,就一直都在完善自身技术以满足日益丰富的应用场景。特别是随着蓝牙mesh网状网络技术的推出,更近一步丰富蓝牙的使用场景,加快物联网时代多元化进程,开启了一个无线设备之间通信的新纪元。

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蓝牙mesh网络

Mesh网络是由mesh routers(路由器)和mesh clients(客户端)组成,其中mesh routers构成骨干网络,并和有线的 Internet网相连接,负责为mesh clients提供多跳的无线Internet连接, 因此也称为“多跳 (multi-hop)”网络。

蓝牙mesh网络则是用于建立多对多设备通信的低功耗蓝牙新的网络拓扑,它允许创建基于多个设备的大型网络,网络可以包含数十台,数百台甚至数千台蓝牙mesh设备,这些设备之间可以相互进行信息的传递。

蓝牙mesh网络依靠低功耗蓝牙提供设备间多对多传输,并特别提高构建大范围网络覆盖的通信能力,适用于楼宇自动化、无线传感器网络等需要让数以万计个设备在可靠、安全的环境下传输的物联网解决方案。蓝牙mesh在技术上还有很多优势,例如穿墙方面,由于蓝牙mesh的managed flooding,可以传递式地绕墙,传输得很远。理论上可以寻址3.2万个节点,最多有127跳。蓝牙mesh并非无线通信技术,而是一种网络技术。

特殊性

蓝牙BR / EDR和低功耗蓝牙是智能手机等设备上的常用技术,但是它们不会互相依赖对方的服务和功能。针对所有的意图和目的,这两款风格的蓝牙技术都能彼此独立工作。事实上,虽然他们能在同一台设备上很好地共存,但是使用蓝牙BR / EDR的设备与低功耗蓝牙设备之间却无法进行通信。对于它们来说,有彼此相伴固然开心,但彼此之间却没有对话。

相比之下,蓝牙mesh网络使用依赖于低功耗蓝牙。低功耗蓝牙技术是蓝牙mesh使用的无线通信协议栈。所以说蓝牙mesh并非无线通信技术,而是一种网络技术。

图例说明了蓝牙BR / EDR、低功耗蓝牙和蓝牙mesh之间的关系。

图例说明了蓝牙BR / EDR、低功耗蓝牙和蓝牙mesh之间的关系。

Mesh网络的特点

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自配置:连上以太网,自动进行配置。

自管理:如果系统发现一个频段使用过重,比如说从2.4G转到5G。不论是有线还是无线都能帮助连接到最优连接。
自防御:mesh网络在抵抗网络入侵方面也是有着很不错的性能,能够抵御黑客的多种入侵手段。

自修复:mesh网络有很多不同的借点。如果某个节点有故障,其他的节点就会把坏的节点工作任务分担过去,棒状网络的运行。

安全性

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蓝牙mesh网络作为一种真正的工业级解决方案,安全性是蓝牙mesh网络设计的核心,并且强制使用。

其安全特性包括:

使用经过验证的安全算法对添加到网络的设备进行配置(Provisioning)。这套安全机制通过椭圆曲线(Elliptic Curve)Diffie-Hallman非对称加密和带外认证的方式来保证安全地添加设备。

所有通信信息都需要使用128-bit AES-CCM进行加密和认证,蓝牙Mesh网络中的所有消息都需要进行加密和认证。
“安全分级考量”(Separation of Concerns)是蓝牙mesh网络安全性中体现的重要原则。网络的安全性,以及诸如照明、供暖、或实体建筑安全等个别应用的安全性彼此独立。可使用不同的安全密钥来保护网络层操作,例如中继、或保护特定应用的消息内容。

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举例来说,由于灯泡和照明开关具有相同的应用密钥,因此灯泡能够全面访问照明开关所发送消息中的数据。但是,尽管相同的灯泡能够将来自蓝牙物理访问令牌的消息中继到前门中的锁,却无法阅读那些消息应用层的内容。

这样设计的好处是将网络层加密与应用层加密隔离,加解密互为操作,互不干扰,互不耦合。

同时mesh网络中的所有节点都无需读取消息内容,就能对其进行中继转发。内容由独立的应用密钥提供保护,并且每个mesh封包都会进行模糊化处理,抹去消息中的任何识别信息,这能够防止他人追踪mesh设备,尤其是当那些设备处于其他网络覆盖范围之内时。

蓝牙mesh的应用

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蓝牙mesh网络应用的主要目标市场是楼宇自动化、无线传感器网络和资产追踪领域。这三个领域大概都是室内空间,避开了需要在室外建立基站可进行远距离传输的低功耗广域网络,如NB-IoT、LoRa、Sigfox等,并且因为可以部署上千个节点,解决了传统无线网络传输距离不够的问题。

尤其是在智能楼宇领域,包括智能家居以及智能办公室,蓝牙mesh将为最新的先进的楼宇控制和自动化系统提供工业级的连接,并用于照明、供暖、制冷以及安防行业,从最初的mesh照明系统开始,还将扩展至占位传感器、环境传感器、无线温控系统和基于mesh的智慧停车管理系统,使家庭和办公室变得更加智能化。

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关于未来

蓝牙mesh网络广泛应用于各行各业和各种应用,预计最初会从楼宇自动化、商业照明和传感器网络等应用开始。尤其令人兴奋的是蓝牙mesh网络在商业照明方面的应用。

在物联网之争中,低功耗、低成本一直是蓝牙技术的最大优势,随着人工智能这两年的飞速发展,蓝牙mesh技术肯定会赋予物联网更多可能,相信在不远的未来,一个更加开放、自由互联的新世界将会出现在我们面前!

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