What is BLE mesh

BLE mesh的正式版本於2017年07月發布，V1.0，目前（截止2018年5月還是這一版本）。BLE即是低功耗藍牙，在Bluetooth core spec 4.0時提出，早前都是經典藍牙，初始版本於2000年發布，一般叫BR/EDR(Basic Rate and Enhanced Data Rate)經典藍牙。經典藍牙的功耗相對較高，在經過1.0到3.0的幾個版本迭代後，數據傳輸速率上有比較大的提升，目前的應用領域主要有藍牙音箱、藍牙耳機，以及早期的藍牙滑鼠和鍵盤等。BR/EDR是典型的「點對點」的通信方式，主要用於替換近距離的有線數據傳輸的應用。

在2010年SIG發布了低功耗藍牙BLE，BLE和BR/EDR經典藍牙的區別是相當大的，因此兩者通信上是不兼容的，因此BLE出來時也催生了藍牙的「雙模」這樣的說法，就是一個藍牙設備如果是同時支持BR/EDR和BLE的，就是雙模藍牙。BLE的數據速率對於經典藍牙而言，並沒有優勢，經典藍牙的速率是更快的，但是BLE的功耗極低，BLE的提出，應當也是看到了當時的一些嵌入式設備、電腦周邊設備等低功耗的需求，因此BLE目前主要用於一些電池供電的嵌入式設備，常見的有藍牙遙控器、心率監測、藍牙手錶、手環等。應用場景如攜帶型手機、平板，健康領域，智能家庭領域以及穿戴領域。

BLE其實是支持星型網路拓撲的，即Central是可以連接多個Peripheral角色的設備的，當然，實際的Central能夠連接的Peripheral的個數是很有限的，首先是Central的memory，每增加一條鏈路，其協議棧所耗費的memory就會增加不少。更為關鍵的是，RF的鏈路維持，BLE是以connection interval為基礎，Master(Central)和Slave不斷的同步來保持鏈路的，而星型拓撲，隨著連接的Peripheral數量增加，其實分到每一個Peripheral的interval是非常小的，而且Master要處理好所有Peripheral鏈路的保持，不至於衝突，又不至於掉線。當然BLE的廣播也是可以支持一對多的通信的，這個技術應當就是BLE mesh的基礎了。

BLE mesh，應當就是基於上面的BLE的網路拓撲的限制，而提出的，而且可以支持「多對多」。因此BLE mesh是被設計用於大規模節點互相通信的網路支持的特性的。其應用目標場景是比如樓宇自動化、感測器網路、以及更多的IoT應用。因此BLE mesh並非新的協議棧技術，它是基於BLE技術的，只是規範了上層的網路層應用，使之支持多對多的應用場景。

下圖從SIG官網獲得，便於理解：

BLE mesh的工作方式

BLE mesh的目標是可信安全的網路，全部的互通操作性，成熟的生態，滿足工業級別的應用，支持大規模節點數量的組網。BLE mesh的工作方式是」managed flood」–有管理的泛洪消息傳播。泛洪的方式使消息的傳播非常可靠，易於擴展，且性能滿足商業與工業市場。

BLE mesh的期望是更多場景下的Beacon應用，機器人，工廠自動化，能源管理，智能城市以及更多IoT以及製造業的解決方案。

BLE mesh的可能未來

根據ABI調查預期，2021年將會有48 billion的聯網設備，其中1/3將是藍牙設備。SIG期望mesh能在商業照明和工廠應用中，能產生大的影響，並且能夠成為IoT生態的一種普遍使用的技術。

當然，目前而言，mesh還只是剛剛起步。

Mesh主要需要解決的應用場景的特點是：

大範圍的覆蓋能力

拿來即可使用-很強的互操作性

對大規模節點設備的監測與控制能力

儘可能優化的低功耗能力

射頻資源的有效利用，可擴展性強

與目前的智能手機、平板、PC產品兼容

工業標準級別、政府級別的安全性

上面的大範圍的覆蓋能力，是通過mesh網路的relay(中繼)功能來實現的，即在mesh網路中，消息可以被臨近的節點relay出去，這樣經過多跳之後，消息再到達目標節點。因此傳輸覆蓋能力，指的是在mesh網路覆蓋的範圍內，通過其網路內部的節點的relay去實現，同時也可以解決點對點的BLE通信時的遇到障礙物會通信不暢的問題。

同時relay也引出了mesh網路的「Managed Flooding」，就是消息會以泛洪方式傳播，只要relay節點收到消息，那麼它就會將消息廣播給其周圍的節點。Flooding的方式是不需要有中心節點去協調的（如Zigbee就有router和coordinator），因此並不會去選擇最優路徑去傳播，而是消息可能通過許多條路徑先後到達……於是，這同時也為Flooding的網路帶來了問題，消息其實傳輸一次並成功即可，這種方式會有太多的冗餘的傳輸，造成能量的消耗和網路數據的阻塞。

因此「Managed Flooding」也在一定程度上，針對以上的問題進行優化。其一就是TTL值，使消息最多能傳播TTL跳，其次是Heartbeat消息，此消息包含了使網路了解其拓撲，使設備能將TTL設定為一個最優的值。最後是cache消息，即設備上次relay過的同樣的消息過來，會直接忽略。

儘可能優化的低功耗能力，這個是通過mesh裡面的Low Power Node來實現的，Low Power Node不是單獨存在，而是需要搭配Friend Node存在的，形成「Friendship」關係。即Low Power Node是可以盡量低功耗的休眠的，但Friend Node是不能長時間休眠的，它需要幫Low Power Node去cache一些信息。

與目前的智能手機、平板、PC產品兼容這一點，其實是通過BLE的GATT來實現，mesh裡面實現了一種Proxy的Node，可以將GATT數據轉為廣播數據，這樣使原來的BLE設備能夠和Proxy Node建立連接，然後通過Proxy Node去和mesh網路溝通。

工業標準級別、政府級別的安全性是mesh尤為注重的，比如重放攻擊是通過sequence number來防範，中間人攻擊是通過在關鍵步驟（Provision）使用非對稱加密方式來防範，垃圾桶攻擊是通過密鑰更新來防範。

BLE mesh目前的預期還是樓宇自動化、商用燈具、感測器網路。這些應用其實也是mesh平台，比如樓宇的mesh燈具，既可以通過mesh網路靈活控制，同時又是樓宇裡面的mesh網路平台，可以以此為基礎構建資產跟蹤與定位應用等等。

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