解密藍牙mesh系列

轉載自Szymon Slupik 藍牙技術聯盟 2017-12-08

有很多理由能夠說服我們,

藍牙mesh網絡將成為最成功的低功耗物聯網標準。

其1.0版本大幅超出了所有人的預期。它具備所有的基本要素,包括極度深入且靈活的應用層(詳見mesh模型與mesh設備屬性規格),它將改變我們周圍事物的通信方式。

但在此之前,先讓我們來看看——是什麼使得這一全新的全球化技術具有了如此革命性的意義。

mesh涉及了許多新穎而獨特的概念,但其主要資產在於數據包,這也是它的一個差異化因素。它非常緊湊,這種緊湊性有助於確保藍牙mesh網絡的頻譜效率吞吐量

走進數據包

藍牙mesh——是首個能夠滿足物聯網之巨大期望的無線標準。

無線電是一種共享型媒介,而衝突就是其需要解決的主要問題之一。這倒也很簡單:更短小的數據包就會意味著更少的衝突。但是能做到多短小呢?答案就在

mesh配置文件規格3.4.4節:最多29個字節。

當然,這樣的設計也是從基礎開始的:壓縮的二進制有效載荷,而非文本表示。覆蓋廣泛的用例(包括互聯照明、樓宇自動化和傳感器),應用程序有效載荷的11個字節看起來也正合適。操作碼為1-2個字節,參數最多為10個字節,參數包括傳感器的測量值、或具有轉換時間的多維照明(亮度、色調、飽和度)。

安全與控制

除此以外,有兩個項目可能被視為額外(但為必要)的負擔:尋址/傳輸控制(SRC、DST、CTL + TTL:共5個字節)和安全性(IVI + NID、SEQ 、AppMIC和NetMIC)。

IVI + NID為1個字節。這一字節有助於識別網絡(這是否為我所知、並擁有密鑰可與之交互的網絡?)。SEQ是3個字節,連同緩慢傳輸的IV索引這一獨特的概念,形成了一個7字節長的序列號。在mesh網絡上發送的每個數據包都根據給定的SRC地址,具有唯一的序列號。這裡的智能之處在於空中接口數據包中僅包含3個字節。其餘的4個字節變化緩慢,並且被網絡所知曉。

序列的必要性體現在兩個方面:檢測中繼數據包(非常小規模的安全攻擊),同時也是作為當前網絡和應用程序的關鍵組成部分 - 參見上述規格的第3.8.5節。

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信息完整性檢查

MIC(消息完整性檢查)定義了系統的安全級別。藍牙mesh網絡具有雙層安全保護——網絡層和應用層。消息可以通過兩個獨立的密鑰來進行保護。這對於中繼節點是有用的,讓其能夠在網絡層上對消息進行認證,但卻無法篡改應用有效載荷。將信息中繼到門鎖的燈泡無法將有效載荷從打開改變為關閉,而只能檢查數據包是否屬於它自己所在的網絡。

網絡層MIC可為8或4個字節長。當其為較短的形式時,它與應用層MIC結合,仍可為8或4個字節長。最終的結果是應用程序的有效載荷具有強大安全性、以及靈活的尋址能力,足以滿足幾乎所有樓宇自動化、照明控制和傳感器應用程序所需。

而這一切都存在於非常緊湊的外形中。結合低功耗藍牙提供的調製方案,它也是“身輕如燕”,且包括了所有必要的無線接口字段,如前導碼、訪問地址和CRC,總共為47個八位字節。結果上,單一頻率上的單次傳輸時間少於400μs。相較於當前其他無線技術,其傳輸類似消息所需的時間要少10倍。當採用藍牙5引入的全新2M PHY時,這一優勢還可能會翻倍。

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波譜效率

任何無線系統的成功從根本上都有賴於頻譜效率。這就像一架客機的成功從根本上有賴於其燃油效率一樣。談到低功耗、超短消息等,藍牙mesh比其他無線解決方案強出一個數量級。就數據傳輸而言,這是首個能夠滿足物聯網時代巨大期望的無線標準。


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