簡(jiǎn)述藍(lán)牙v5.4的主要優(yōu)勢(shì)

以下文章來(lái)源于Nordic半導(dǎo)體 ，作者博客文章

概 要

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）的Bluetooth v5.4 核心規(guī)范為支持藍(lán)牙的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備帶來(lái)了多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)是增強(qiáng)了通信能力、安全性和效率。這些改進(jìn)尤其適用于涉及大量設(shè)備的應(yīng)用，如零售、資產(chǎn)跟蹤和智慧家居環(huán)境。

主要優(yōu)勢(shì)包括：

與數(shù)千個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信

帶響應(yīng)的周期性廣播 (PAwR)

加密廣播數(shù)據(jù) (EAD)

范圍更廣，能效更高

提高資產(chǎn)跟蹤的準(zhǔn)確性和精確度

基于標(biāo)準(zhǔn)的電子貨架標(biāo)簽（Electronic Shelf Labels，縮寫(xiě)為ESL） 和其他應(yīng)用方法

藍(lán)牙 v5.4 的兩項(xiàng)主要改進(jìn)是帶響應(yīng)的周期性廣播（PAwR）和加密廣播數(shù)據(jù)。它們共同實(shí)現(xiàn)了在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中與數(shù)千個(gè)功耗極低的終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)連接、雙向、安全通信。

PAwR和加密廣播數(shù)據(jù)適用于涉及眾多設(shè)備傳輸少量數(shù)據(jù)的應(yīng)用。這些應(yīng)用可以接受更長(zhǎng)的延遲，以換取更長(zhǎng)的電池壽命。例如，不需要立即響應(yīng)或監(jiān)控非動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)可以從 PAWR 和加密廣播數(shù)據(jù)中受益。

PAwR 和加密廣播數(shù)據(jù)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化用例是電子貨架標(biāo)簽 (ESL) 配置文件。該配置文件的出臺(tái)將為ESL用例提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此，可以預(yù)計(jì)基于藍(lán)牙的應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)將在不久將來(lái)迅速出現(xiàn)。

藍(lán)牙 v5.4 中帶響應(yīng)的周期性廣播

迄今為止，低功耗藍(lán)牙一直無(wú)法在無(wú)連接模式下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用數(shù)據(jù)的雙向通信，而PAwR實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。這是該功能的主要優(yōu)勢(shì)。

為了解釋其工作原理，我們將使用廣播者和觀察者的命名規(guī)則。廣播并不新鮮，數(shù)據(jù)由廣播者發(fā)送，觀察者掃描接收。PAwR 的新穎之處在于，廣播數(shù)據(jù)是在確定的時(shí)間段內(nèi)以小數(shù)據(jù)包的形式組織起來(lái)的，觀察者可以精確地與之同步并作出響應(yīng)。數(shù)據(jù)在PAwR事件中發(fā)送，而 PAwR 事件由 PAwR 子事件組成。每個(gè)觀察者可與一個(gè)或多個(gè)子事件同步，在同步后，觀察者只在這些特定的時(shí)間段內(nèi)主動(dòng)接收數(shù)據(jù)。

雙向通信在子事件中實(shí)現(xiàn)。廣播者在子事件開(kāi)始時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)響應(yīng)時(shí)隙延遲后，觀察者可以發(fā)送響應(yīng)。響應(yīng)的協(xié)調(diào)工作在應(yīng)用層面上進(jìn)行。

這種解決方案之所以高效，是因?yàn)橛^察者能夠只掃描特定的子事件。因此，終端節(jié)點(diǎn)（觀察者）只在極小的特定時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行掃描。這就是該解決方案在功耗方面如此高效的原因。

PAwR 的另一項(xiàng)功能是建立ACL連接，因?yàn)樽邮录赡馨B接請(qǐng)求。有了這項(xiàng)功能，設(shè)備就不必遵循傳統(tǒng)的連接方案，進(jìn)行額外的掃描和廣播。事實(shí)上，這樣做毫無(wú)意義，因?yàn)樵O(shè)備已經(jīng)同步。在某些情況下可能需要連接，因?yàn)?PAwR 只能傳輸少量數(shù)據(jù)。要傳輸更多數(shù)據(jù)，設(shè)備可以建立 ACL 連接。

支持加密的廣播數(shù)據(jù)（EAD）

PAwR 在滿足可擴(kuò)展性和超低功耗要求的同時(shí)，還必須滿足所有現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵要求，即安全性。ESL 接入點(diǎn)和設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換必須加密，以保持機(jī)密性、避免篡改并確保網(wǎng)絡(luò)安全。

在藍(lán)牙 v5.4 之前，沒(méi)有對(duì)廣播數(shù)據(jù)進(jìn)行加密的標(biāo)準(zhǔn)化方法。這種定義只存在于面向連接的通信中。由于 ESL 應(yīng)用程序的大部分?jǐn)?shù)據(jù)交換都是通過(guò) PAwR 進(jìn)行的，因此有必要增加加密廣播數(shù)據(jù)功能。這就為廣播數(shù)據(jù)加密以及共享密鑰材料（數(shù)據(jù)加密所需的密鑰材料）引入了一種標(biāo)準(zhǔn)化方法。值得注意的是，加密廣播數(shù)據(jù)不僅可以通過(guò) PAwR 進(jìn)行，還可以使用其他廣播傳輸方式。

該功能通過(guò)添加一種名為加密廣播數(shù)據(jù)（類型 0x31）的新 AD 類型，封裝了所有要加密的 AD 字段，從而允許對(duì)給定廣播數(shù)據(jù)包的全部或部分有效載荷進(jìn)行加密。這意味著廣播數(shù)據(jù)包有效載荷的概念如下所示。

廣播數(shù)據(jù) 0 封裝 AD 1-3，這些數(shù)據(jù)是加密的。隨后是 AD 4 和 AD 5，它們是未加密的。這樣就可以靈活地保留一些非關(guān)鍵的廣播數(shù)據(jù)，供任何觀察者解讀，例如 AD 類型 0x01（標(biāo)志）或 0x09（完整本地名稱）。

要在兩臺(tái)設(shè)備之間共享加密數(shù)據(jù)，需要它們有一個(gè)用于加密和解密數(shù)據(jù)的共享密鑰。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，可選擇將名為 "加密數(shù)據(jù)密鑰材料 "的新 GATT 特性作為 GAP（通用訪問(wèn)配置文件）服務(wù)的一部分。已連接的 GATT 客戶端可通過(guò)加密和驗(yàn)證鏈接讀取該特性，然后通過(guò)廣播交換加密數(shù)據(jù)。

電子貨架標(biāo)簽配置文件

隨著藍(lán)牙 5.4 版的增強(qiáng)，引入了超低功耗、雙向、無(wú)連接通信，許多新的應(yīng)用案例成為可能，ESL 就是其中之一。

電子貨架標(biāo)簽（ESL）是一種顯示零售店貨架上產(chǎn)品價(jià)格信息的設(shè)備。其目的是遠(yuǎn)程管理所顯示的產(chǎn)品信息，包括產(chǎn)品名稱、條形碼、價(jià)格等。ESL 還可配備傳感器，如電池電壓監(jiān)控或環(huán)境光感應(yīng)。這類系統(tǒng)需要多功能性，而且對(duì)成本敏感，因此數(shù)字標(biāo)簽通常由電池驅(qū)動(dòng)。在這種情況下，耗電量是關(guān)鍵要求，因?yàn)轭l繁充電或更換電池是不可取的。

藍(lán)牙5.4版中的ESL配置文件為這種特定的使用情況提供了手段，通過(guò)使用PAwR，新的加密廣播提供了盡可能低的功耗和安全性。面向連接的通信用于配置、交換加密廣播數(shù)據(jù)的密鑰材料以及發(fā)送大塊信息（如圖像）。然后，基于PAwR的無(wú)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(diǎn) (AP) 和電子貨架標(biāo)簽 (ESL)。AP 相當(dāng)于 PAwR 環(huán)境中的廣播者，ESL 相當(dāng)于觀察者。為了管理網(wǎng)絡(luò)，引入了一個(gè)簡(jiǎn)單的尋址方案。每個(gè)ESL 都有一個(gè)8位 ESL ID。設(shè)備用7位組ID分組。接入點(diǎn)最多可管理32640臺(tái)設(shè)備。

對(duì)于從AP到ESL的通信，PAwR的子事件與 ESL 的組直接相關(guān)。分配到0號(hào)組的設(shè)備同步接收0號(hào)子事件，以此類推。傳輸?shù)矫總€(gè)組的數(shù)據(jù)包包含針對(duì)后續(xù) ESL ID 的命令序列。

如前所述，響應(yīng)協(xié)調(diào)是在應(yīng)用層面進(jìn)行管理的。在 ESL 配置文件中，響應(yīng)是動(dòng)態(tài)管理的。每個(gè) ESL 都會(huì)接收指向其組的所有命令。設(shè)備必須忽略發(fā)給其他設(shè)備的所有命令，但必須使用與接收到的命令順序相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)槽。例如，ESL ID #1 收到以下信息：[ESL ID #0，cmd]，[ESL ID #1，cmd]，[ESL ID #3，cmd]。它將在響應(yīng)槽 #1 中做出響應(yīng)。

藍(lán)牙v5.4中引入的加密廣播數(shù)據(jù)為 ESL 提供了安全性。ESL設(shè)備通常需要與接入點(diǎn)進(jìn)行初始連接以進(jìn)行調(diào)試，此時(shí)也可讀取和分配密鑰材料，以便隨后交換受低功耗安全連接保護(hù)的加密廣播數(shù)據(jù)。

ESL配置文件提供了對(duì)角色、狀態(tài)和消息序列的完整描述，以及描述加密廣播數(shù)據(jù)如何用于通信的安全要求。如需深入了解，我們建議您閱讀規(guī)范或 5.4 版本的技術(shù)指南。

藍(lán)牙v5.4核心規(guī)范中的其他功能

新的核心規(guī)范還提供了另外兩項(xiàng)功能：

一、LE GATT 安全等級(jí)特征 (SLC)

其目的是限制因安全條件而造成的用戶體驗(yàn)流程中斷，因?yàn)榘踩珬l件可能會(huì)延遲對(duì)屬性的訪問(wèn)。通過(guò) SLC，客戶端可以預(yù)先確定足夠的安全模式和級(jí)別，以訪問(wèn)所有需要的 GATT 屬性。如有必要，可在嘗試訪問(wèn) GATT 屬性之前升級(jí)鏈接安全性，以滿足訪問(wèn)要求。

二、廣播編碼選擇

S 參數(shù)定義前向糾錯(cuò)（FEC），有兩種取值：S=2 或 S=8。它控制著糾錯(cuò)數(shù)據(jù)的生成量以及通信范圍的擴(kuò)大程度。有了廣播編碼選擇功能，主機(jī)就能確定性地選擇控制器在傳輸廣播 PDU 時(shí)應(yīng)使用的編碼方案。例如，設(shè)備可以接收 S8 編碼的 PDU，但會(huì)以 S2 編碼做出響應(yīng)，因此對(duì)等設(shè)備可能無(wú)法接收這些 PDU。在這種情況下，主機(jī)可以指示控制器也使用 S8 發(fā)送。

總結(jié)

藍(lán)牙 5.4 版帶來(lái)了一些新的有趣功能，這些功能必將擴(kuò)大藍(lán)牙應(yīng)用的范圍，并有助于實(shí)現(xiàn)更多市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化。我們期待看到生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展和您新想法的實(shí)現(xiàn)。