藍牙 v5.4 中的新增功能：概述

藍牙 SIG 終于采用了藍牙? v5.4 核心規(guī)范。這意味著藍牙產(chǎn)品可以使用一組令人興奮的新功能以及它們提供的所有優(yōu)勢。其中兩個主要改進是定期廣告響應(yīng) （PAwR） 和加密廣告數(shù)據(jù)。它們共同實現(xiàn)了與星形拓撲中數(shù)千個超低功耗終端節(jié)點的無連接、雙向、安全通信。

當前非常相關(guān)的一個示例用例是電子貨架標簽配置文件 （ESL）。這實際上是PAwR和加密廣告數(shù)據(jù)的第一個標準化用例。該規(guī)范目前作為草案版本發(fā)布，但預計很快就會被采用。建立此配置文件為 ESL 用例提供了標準，因此我們預計基于藍牙的應(yīng)用程序和生態(tài)系統(tǒng)將在不久的將來迅速出現(xiàn)。

通常，PAwR 和加密廣告數(shù)據(jù)適用于涉及大量設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，這些設(shè)備接受更長的延遲以換取更長的電池壽命。例如，不需要立即響應(yīng)或監(jiān)控非動態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)。

定期廣告和響應(yīng)

到目前為止，在藍牙 LE 中，在無連接模式下應(yīng)用數(shù)據(jù)的雙向通信是不可能的，而 PAwR 可以實現(xiàn)這一點。這是此功能的主要優(yōu)勢。

為了解釋它是如何工作的，我們將使用廣播器和觀察者命名約定。廣播并不是什么新鮮事，數(shù)據(jù)由廣播公司發(fā)送，觀察者掃描以接收它。PAwR中的新功能是，廣播數(shù)據(jù)在確定性時隙內(nèi)以小數(shù)據(jù)包組織，觀察者可以精確地與之同步和響應(yīng)。數(shù)據(jù)在由 PAwR 子事件組成的 PAwR 事件中發(fā)送。每個觀察者可以同步到一個或多個子事件，并且同步時，觀察者僅在這些特定時隙中主動接收。

雙向通信在子事件中實現(xiàn)。廣播公司在子事件的開頭傳輸數(shù)據(jù)，然后在響應(yīng)時隙延遲之后，觀察者可以發(fā)送他們的響應(yīng)。響應(yīng)的業(yè)務(wù)流程在應(yīng)用程序級別處理。

此解決方案的效率是觀察者僅掃描特定子事件的能力的結(jié)果。因此，終端節(jié)點（觀察者）僅在很小的特定時間段內(nèi)掃描。這就是該解決方案在功耗方面如此有效的原因。

PAwR 的另一個功能是能夠建立 ACL 連接，因為子事件可能包含連接請求。借助此功能，設(shè)備不必遵循傳統(tǒng)的連接方案進行額外的掃描和廣告。事實上，這沒有意義，因為設(shè)備已經(jīng)同步。在某些情況下可能需要連接，因為只能通過 PAwR 傳輸少量數(shù)據(jù)。要傳輸更多數(shù)據(jù)，設(shè)備可以設(shè)置 ACL 連接。

加密廣告數(shù)據(jù)

雖然PAwR正在解決可擴展性和超低功耗要求，但所有現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)都必須滿足一個關(guān)鍵要求，即安全性。ESL 接入點和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換必須加密，以保持機密性、避免篡改并保護網(wǎng)絡(luò)。

在藍牙 v5.4 之前，沒有標準化的廣告數(shù)據(jù)加密方式。這樣的定義只存在于面向連接的通信中。由于ESL應(yīng)用程序的大多數(shù)數(shù)據(jù)交換都流經(jīng)PAwR，因此有必要添加加密的廣告數(shù)據(jù)功能。這引入了一種標準化的方法，用于加密廣告中的數(shù)據(jù)以及共享數(shù)據(jù)加密所需的密鑰材料。值得注意的是，加密廣告數(shù)據(jù)不僅可以通過PAwR完成，還可以使用其他廣告?zhèn)鬏攣硗瓿伞?/p>

此功能允許通過添加稱為加密廣告數(shù)據(jù)（類型 0x31）的新 AD 類型來加密給定廣告數(shù)據(jù)包上的全部或僅子集有效負載，該類型封裝了所有要加密的 AD 字段。這意味著廣告數(shù)據(jù)包有效負載在概念上如下所示。

廣告數(shù)據(jù) 0 封裝了已加密的 AD 1-3。其次是未加密的 AD 4 和 5。這提供了靈活性，并使一些非關(guān)鍵廣告數(shù)據(jù)保持開放，供任何觀察者解釋，例如，AD 類型 0x01（標志）或0x09（完整的本地名稱）。

在兩個設(shè)備之間共享加密數(shù)據(jù)要求它們具有用于加密和解密數(shù)據(jù)的共享密鑰。為此，可以選擇將稱為加密數(shù)據(jù)密鑰材料的新 GATT 特征作為 GAP（通用訪問配置文件）服務(wù)的一部分包含在內(nèi)。連接的 GATT 客戶端可以通過加密和經(jīng)過身份驗證的鏈接讀取此特征，然后允許通過廣告交換加密數(shù)據(jù)。

電子貨架標簽簡介

電子貨架標簽 （ESL） 是一種顯示零售商店貨架上產(chǎn)品的定價信息的設(shè)備。目標是遠程管理有關(guān)給定產(chǎn)品的顯示信息，包括其名稱，條形碼，價格等。ESL還可以配備傳感器，例如電池電壓監(jiān)控或環(huán)境光傳感。這種類型的系統(tǒng)需要多功能性并且對成本敏感，這就是為什么數(shù)字標簽通常由電池供電的原因。功耗是這里的關(guān)鍵要求，因為頻繁充電或更換電池不是此用例的選擇。

ESL 配置文件實現(xiàn)了此特定用例的方法，通過使用 PAwR，通過新的加密廣告提供盡可能低的功耗和安全性。面向連接的通信用于配置、交換加密廣告數(shù)據(jù)的密鑰材料以及發(fā)送更大的信息塊，例如圖像。然后，基于PAwR的無連接通信用于常規(guī)命令和響應(yīng)。

ESL 配置文件中的角色定義為接入點 （AP） 和電子磁盤架標簽 （ESL）。AP 對應(yīng)于 PAwR 上下文中的廣播者，ESL 對應(yīng)于觀察者。為了管理網(wǎng)絡(luò)，引入了一個簡單的尋址方案。每個 ESL 都有一個 8 位 ESL ID。設(shè)備使用 7 位組 ID 分組。接入點最多可管理 32 640 臺設(shè)備。

對于從 AP 到 ESL 的通信，PAwR 的子事件與 ESL 的組直接相關(guān)。分配給組 #0 的設(shè)備同步以接收子事件 #0，依此類推。傳輸?shù)矫總€組的數(shù)據(jù)包包含尋址到后續(xù) ESL ID 的命令序列。

如前所述，響應(yīng)業(yè)務(wù)流程在應(yīng)用程序級別進行管理。在 ESL 配置文件中，響應(yīng)是動態(tài)管理的。每個 ESL 接收發(fā)往其組的所有命令。設(shè)備必須忽略發(fā)往其他命令的所有命令，但需要使用與收到的命令順序相對應(yīng)的響應(yīng)槽。例如，ESL ID #1 收到以下消息：[ESL ID #0， cmd]、[ESL ID #1， cmd]、[ESL ID #3， cmd]。它將在響應(yīng)槽 #1 中響應(yīng)。

ESL 的安全性由藍牙 v5.4 中引入的加密廣告數(shù)據(jù)提供。 ESL 設(shè)備通常需要與 AP 的初始連接進行調(diào)試，此時還可以讀取和分配密鑰材料，以允許隨后交換受 LE 安全連接保護的加密廣告數(shù)據(jù)。

ESL 配置文件提供了角色、狀態(tài)和消息序列的完整描述，以及描述如何使用加密廣告數(shù)據(jù)進行通信的安全要求。如需深入了解，我們建議您閱讀 5.4 版本的規(guī)范或技術(shù)指南（請參閱頁面底部的鏈接）。

隨著藍牙 v5.4 的增強功能引入了非常低功耗、雙向、無連接通信，許多新的用例成為可能，ESL 是第一個。

藍牙 v5.4 核心規(guī)范中的其他功能

新核心規(guī)范中還提供了另外兩個功能，第一個是 LE GATT 安全級別特征 （SLC）。它旨在限制由可能延遲訪問屬性的安全條件引起的用戶體驗流中的故障。使用 SLC，客戶端可以預先確定足夠的安全模式和級別來訪問所有需要的 GATT 屬性。如有必要，可以在嘗試訪問 GATT 屬性之前升級鏈路安全性以滿足訪問要求。

廣告編碼選擇是第二個。S 參數(shù)定義前向糾錯 （FEC），并采用兩個值之一：S=2 或 S=8。它控制生成多少糾錯數(shù)據(jù)以及通信范圍可以增加的程度。通過廣告編碼選擇，主機可以確定性地選擇控制器應(yīng)用于傳輸廣告 PDU 的編碼方案。這改善了以下情況：例如，設(shè)備可以接收 S8 編碼的 PDU，但會以 S2 編碼的 PDU 進行響應(yīng)，因此對等設(shè)備可能無法接收這些 PDU。在這種情況下，主機也可以指示控制器使用 S8 進行傳輸。

總結(jié)

藍牙v5.4帶來了一些有趣的新功能，這些功能肯定會擴大藍牙應(yīng)用的范圍，并有助于標準化更多市場。我們期待看到生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，并將您的新想法變?yōu)楝F(xiàn)實。我們的技術(shù)支持團隊隨時為您的項目進行評估和支持。關(guān)注我們的產(chǎn)品新聞，了解 nRF Connect SDK 中這些功能可用性的最新信息。