一文讀懂藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)什么是“友鄰節(jié)點(diǎn)”與低功耗

藍(lán)牙低功耗（BluetoothLE）是世界上功率最高的短距離無線通信技術(shù)之一。其低功耗被開發(fā)商和消費(fèi)者廣泛贊譽(yù)。隨著藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Mesh）的發(fā)布，開發(fā)人員可能會(huì)想知道藍(lán)牙網(wǎng)格是否也被設(shè)計(jì)為低功耗。它是否繼承了藍(lán)牙LE低功耗的優(yōu)勢(shì)？

答案是肯定的！藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)包括優(yōu)化功耗的各種措施，特別是稱為“友鄰節(jié)點(diǎn)（Friendship）”的功能。

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)概述

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的Friendship功能的應(yīng)用可能非常多樣化。一些產(chǎn)品，如燈，將連接到主電源，藍(lán)牙網(wǎng)格模塊的功耗與光線本身的功耗相比，可以忽略不計(jì)。但是其他產(chǎn)品，如智能傳感器或鎖具，將受到功率限制，這意味著它們需要由小型電池或能量采集技術(shù)供電。像這樣的產(chǎn)品最有可能利用藍(lán)牙網(wǎng)格的Friendship概念。

如果您已經(jīng)閱讀了我們的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系列中的較早的文章，那么您已經(jīng)知道節(jié)點(diǎn)是已經(jīng)被設(shè)置并且是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)成員的設(shè)備。節(jié)點(diǎn)具有與產(chǎn)品類型相關(guān)的功能，但是也可以具有關(guān)于網(wǎng)絡(luò)本身的操作的功能，并且可以承擔(dān)特殊的角色。

這由他們支持的網(wǎng)格特征決定。所有節(jié)點(diǎn)都可以在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送和接收mesh消息。此外，節(jié)點(diǎn)還可以選擇性地支持一個(gè)或多個(gè)額外的網(wǎng)絡(luò)功能，如下所列：

· 中繼功能：通過廣播承載接收和重傳網(wǎng)狀消息的能力，以實(shí)現(xiàn)更大的網(wǎng)絡(luò)。

· 代理功能：在GATT和廣播承載之間接收和重傳網(wǎng)狀消息的能力。

· 低功耗特性：能夠以顯著降低的接收機(jī)占空比在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)工作。使無線電接收器的時(shí)間最小化導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)的功耗降低，只有在嚴(yán)格必要時(shí)才能使接收機(jī)使能。低功耗節(jié)點(diǎn)（LPN）通過與Friend節(jié)點(diǎn)建立Friendship來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

· 友鄰功能：通過存儲(chǔ)發(fā)往LPN的消息來幫助LPN運(yùn)行的能力，并且只有在LPN明確地從“Friend”節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求消息時(shí)才轉(zhuǎn)發(fā)它們。

要了解Friendship如何使LPN降低功耗，請(qǐng)考慮傳感器。傳感器是一種可能利用Friendship并充當(dāng)LPN的節(jié)點(diǎn)的一個(gè)很好的例子。他們通?；ㄙM(fèi)最多的時(shí)間來傳輸數(shù)據(jù)，而且很少需要接收數(shù)據(jù)。也許傳感器只有在超出一組配置的限制范圍內(nèi)才能發(fā)送溫度讀數(shù)，也許這只會(huì)每天發(fā)生兩次。這種不頻繁的數(shù)據(jù)傳輸保持了這種類型的設(shè)備的能量消耗低。

但是如果這些溫度限制需要修改以根據(jù)季節(jié)使用不同的值，并且通過向傳感器發(fā)送配置消息來實(shí)現(xiàn)這些限制的修改呢？對(duì)于傳感器直接接收這樣的消息，需要切換無線并進(jìn)行收聽。大多數(shù)時(shí)候它正在聽，沒有收到任何東西，但能量消耗了。

所以，與Friend合作允許LPN安排使用無線接收消息到任何頻率對(duì)于該設(shè)備是有意義的，并且以比其它需要的頻率低得多的頻率，如果它必須一直接收消息。 LPNs輪詢他們的Friend的新消息，Friend只會(huì)偶爾存儲(chǔ)。這是如何節(jié)省電力。

友鄰和低功耗節(jié)點(diǎn)

LPN必須與支持Friend功能的另一個(gè)節(jié)點(diǎn)建立Friendship關(guān)系，以減少其接收器占空比并節(jié)省能源。圖1取自藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。另外，它說明了LPN和Friend節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系。特別是它顯示：

·Light blue: LPNs

·Dark grey: Friend nodes associated with and service specific LPNs

·Light grey: Friend nodes which do not have a relationship with anLPN

·淺藍(lán)色：LPN

·深灰色：與特定LPN相關(guān)聯(lián)的Friend節(jié)點(diǎn)

·淺灰色：與LPN沒有關(guān)系的Friend節(jié)點(diǎn)

圖1 - 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫纠?/span>

Friend節(jié)點(diǎn)P與LPNI，J和K具有Friendship關(guān)系。Friend節(jié)點(diǎn)O與LPN L和M具有Friendship關(guān)系。因此，尋址到節(jié)點(diǎn)I，J或K的消息將被Friend P存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)L或M將被Friend O存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。由Friend節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)僅在LPN輪詢Friend以獲得等待傳送的消息時(shí)發(fā)生。

友鄰節(jié)點(diǎn)參數(shù)

LPN需要找到“Friend”節(jié)點(diǎn)并與他們建立Friendship關(guān)系。所涉及的程序稱為Friend建立。我們稍后會(huì)檢查這個(gè)過程，但在我們介紹一些關(guān)于LPN行為的關(guān)鍵參數(shù)之前，因?yàn)檫@些參數(shù)是在Friend建立過程中設(shè)置的。

1. ReceiveDelay是LPN之間經(jīng)過的時(shí)間，向Friend節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，并開始收聽響應(yīng)。這允許“Friend”節(jié)點(diǎn)時(shí)間準(zhǔn)備其響應(yīng)并將其發(fā)送回來。

2. ReceiveWindow是LPN花費(fèi)時(shí)間來收聽響應(yīng)的時(shí)間。圖2說明了涉及ReceiveDelay和ReceiveWindow的時(shí)序。

圖2- ReceiveDelay和ReceiveWindow時(shí)序

1. PollTimeout建立在LPN發(fā)送給其“Friend”節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)連續(xù)請(qǐng)求之間可能經(jīng)過的最長(zhǎng)時(shí)間。如果在PollTimeout計(jì)時(shí)器到期之前，Friend節(jié)點(diǎn)沒有收到LPN的請(qǐng)求，則Friendship將被終止。

圖3- PollTimeout時(shí)序

友鄰節(jié)點(diǎn)建立

如果兩個(gè)人想建立友誼，只要一瞥就夠了！為了建立藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的Friendship，還需要幾個(gè)步驟。

1.LPN發(fā)布一個(gè)Friend請(qǐng)求消息。此消息不被中繼，因此只有直接無線范圍中的“Friend”節(jié)點(diǎn)才能處理它。沒有Friend功能的節(jié)點(diǎn)丟棄它。Friend請(qǐng)求消息包括LPN的ReceiveDelay，ReceiveWindow和PollTimeout參數(shù)。

1.可以支持“Friend請(qǐng)求”消息中指定的要求的附近的每個(gè)“Friend”節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備好“Friend offer”消息并將其發(fā)送回LPN。該消息包括各種參數(shù)，包括支持的ReceiveWindow大小，可用的消息隊(duì)列大小，可用的列表大小以及由Friend節(jié)點(diǎn)測(cè)量的RSSI值。

2.在接收到“Friendoffer”消息時(shí)，LPN通過應(yīng)用實(shí)現(xiàn)特定的算法來選擇合適的Friend節(jié)點(diǎn)。該算法可能會(huì)考慮各種各樣的點(diǎn)。某些設(shè)備可能會(huì)將接收窗口大小置于優(yōu)先級(jí)，以盡可能減少功耗，而有些設(shè)備可能會(huì)更加關(guān)注RSSI值，以確保它們能夠與“Friend”節(jié)點(diǎn)保持良好的鏈接質(zhì)量。使用的精確算法由產(chǎn)品開發(fā)人員決定。

3.選擇Friend節(jié)點(diǎn)后，LPN將向Friend節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)Friend Poll消息。

4.從LPN收到Friend Poll消息后，Friend節(jié)點(diǎn)回復(fù)一個(gè)Friend Update消息，該消息結(jié)束了Friend建立過程并提供安全參數(shù)。在這一點(diǎn)上，建立了Friendship。

友鄰節(jié)點(diǎn)信息

Friendship建立之后，“Friend”節(jié)點(diǎn)將LPN的所有消息存儲(chǔ)在Friend Queue中。這些被稱為存儲(chǔ)的消息。下面的圖4說明了在Friend節(jié)點(diǎn)和關(guān)聯(lián)LPN之間的消息交換。

· 當(dāng)“Friend”節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)尋址到“Friend”節(jié)點(diǎn)的LPN的消息時(shí)，“Friend”節(jié)點(diǎn)緩沖此消息，將其存儲(chǔ)在稱為“Friend Queue”的區(qū)域中。在圖4中，我們可以看到消息1和2代表LPN存儲(chǔ)在Friend節(jié)點(diǎn)中。

· 定期地，LPN使其收發(fā)器發(fā)送一個(gè)Friend Poll到Friend節(jié)點(diǎn)，要求為它存儲(chǔ)任何緩沖的消息。

· “Friend”節(jié)點(diǎn)首先將一個(gè)存儲(chǔ)的消息發(fā)送回LPN作為對(duì)“Friend Poll”的回復(fù)。

· 在每個(gè)接收到來自“Friend”節(jié)點(diǎn)的消息之后，LPN將繼續(xù)發(fā)送“Friend Poll”消息，直到收到“MD（MD =更多數(shù)據(jù)）”字段設(shè)置為0的“FriendUpdate”消息為止。這意味著LPN沒有更多消息被緩沖。此時(shí)，LPN停止輪詢“Friend”節(jié)點(diǎn)。

圖4- Friendship messaging

安全性

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)中的安全無處不在。Friendship也是如此，它使用兩個(gè)特殊的安全憑證：

· Master security material：從NetKey派生，也可以由同一網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)使用。使用master security material加密的消息可以由同一網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)解密。

· Friend security material：從NetKey派生，還有一些額外的計(jì)數(shù)器號(hào)由LPN和Friend節(jié)點(diǎn)生成。使用Friend security material加密的消息只能由擁有它的Friend和LPN解密。

LPN和Friend節(jié)點(diǎn)使用的兩種security materials如何？總結(jié)如下：

與Friend的securitymaterials加密的相應(yīng)Friendship消息是：

·Friend Poll

·Friend Update

·Friend Subscription ListAdd/Remove/Confirm

·存儲(chǔ)Friend節(jié)點(diǎn)傳遞給LPN的消息

使用master security material加密的相應(yīng)的Friendship消息是：

·Friend清除

·Friend清除確認(rèn)

根據(jù)應(yīng)用程序設(shè)置，從LPN發(fā)送到Friend節(jié)點(diǎn)的消息將使用master或Friend的安全資料進(jìn)行加密。

終止友鄰節(jié)點(diǎn)

在某些情況下可以終止Friendship:

· 如果沒有Friend poll，Friend Subscription List Add或Friend Subscription List Remove消息在PollTimeout計(jì)時(shí)器到期之前由Friend節(jié)點(diǎn)收到，Friendship終止。

· LPN可以通過將Friend Clear消息發(fā)送給Friend節(jié)點(diǎn)來啟動(dòng)Friendship終止過程，從而導(dǎo)致Friendship節(jié)點(diǎn)被Friend終止。

平臺(tái)選擇建議

開發(fā)人員在選擇實(shí)施Friend和LPN的平臺(tái)時(shí)，應(yīng)考慮以下準(zhǔn)則：

· RAM容量：可用的RAM數(shù)量直接影響了Friend節(jié)點(diǎn)可以支持多少個(gè)LPN，以及它可以為相關(guān)的LPN緩沖多少個(gè)消息。

· LPN：所選MCU和模塊的一般功耗性能是LPN的關(guān)鍵。此外，從休眠模式到運(yùn)行模式的喚醒/預(yù)熱時(shí)間會(huì)影響LPN的響應(yīng)速度和延遲。

作為一名開發(fā)人員，我相信我們可以分享您對(duì)藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)SDK的期待。然后我們可以一起分享藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)“友鄰節(jié)點(diǎn)”！