詳細(xì)剖析藍(lán)牙技術(shù)

公元十世紀(jì)，有一名丹麥國王出身海盜家庭，統(tǒng)一了四分五裂的北歐（挪威、瑞典和丹麥），成為維京王國的國王。國王的原名叫Harald Gormsson，愛吃藍(lán)莓的他有個(gè)綽號(hào)：“Harald Bl?tand”，由“斯堪的納維亞”（北歐地區(qū)）的語言翻譯成英語就是“Harold Bluetooth(藍(lán)牙)”。

在1994年，愛立信開始著手研究一種新型的短距離無線通信技術(shù)，而為了迎接這個(gè)即將面市的新技術(shù)，愛立信用丹麥國王的外號(hào)（Harold Bluetooth）給它命名。藍(lán)牙技術(shù)最初的構(gòu)想，是用無線通信技術(shù)替代RS-232標(biāo)準(zhǔn)電纜（串口），讓局部空間內(nèi)的各類設(shè)備能夠互聯(lián)互通、協(xié)調(diào)工作?！八{(lán)牙”國王的事跡正預(yù)示著這個(gè)短距通信技術(shù)的未來。

2014年，V4.2版的藍(lán)牙支持6LoWPAN（IPv6 over LR-WPAN，基于IPv6的低速無線個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)），使得藍(lán)牙設(shè)備更易于接入互聯(lián)網(wǎng)。

2016年，藍(lán)牙5.0針對低功耗設(shè)備，進(jìn)一步提升了通信速率，并且能夠結(jié)合wifi對室內(nèi)的設(shè)備位置進(jìn)行輔助定位。

2017年7月19日，藍(lán)牙技術(shù)全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

縱觀藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展旅程，SIG不斷地追求著無線連接的性能：傳輸速率（EDR-Enhanced Data Rate、AMP）、低功耗（Sniff Subrating、BLE）、網(wǎng)絡(luò)接入（6LoWPAN、Mesh）和安全配對（SSP），以滿足各種應(yīng)用對近距離通信的需求。

原本，SIG主要是聚焦于“以人為中心的邊緣網(wǎng)絡(luò)”進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新,而如今，藍(lán)牙適用的范圍已經(jīng)逐漸拓展到所有物聯(lián)網(wǎng)邊緣場景：“藍(lán)牙增強(qiáng)速率技術(shù)（BR / EDR）”的應(yīng)用從無線耳機(jī)發(fā)展到鼠標(biāo)鍵盤；“藍(lán)牙低功耗技術(shù)”應(yīng)用于手表、手環(huán)，發(fā)掘了可穿戴市場；而“藍(lán)牙Mesh組網(wǎng)技術(shù)”則瞄準(zhǔn)了整個(gè)（邊緣域）物聯(lián)網(wǎng)市場，包括消費(fèi)領(lǐng)域和工業(yè)領(lǐng)域。

從最新的組網(wǎng)構(gòu)架（Mesh組網(wǎng)）中，讓我們逐漸地看清了藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟對物聯(lián)網(wǎng)通信的預(yù)想，以及對邊緣網(wǎng)絡(luò)的理解。

1.應(yīng)用層模型

在應(yīng)用層面，SIG對藍(lán)牙設(shè)備的功能進(jìn)行了多層次的封裝：節(jié)點(diǎn)-元素-模型-狀態(tài)。

（1）device（設(shè)備）和node（節(jié)點(diǎn)）

節(jié)點(diǎn)的角色（網(wǎng)絡(luò)角色）

設(shè)備是指有藍(lán)牙功能電子終端。而一個(gè)設(shè)備加入到mesh網(wǎng)絡(luò)中后，就成為一個(gè)節(jié)點(diǎn)。設(shè)備加入Mesh網(wǎng)絡(luò)，需要網(wǎng)內(nèi)的配網(wǎng)節(jié)點(diǎn)（Provisioner）的授權(quán)。

Relay node：中繼節(jié)點(diǎn)

在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，某些設(shè)備被指定為“中繼設(shè)備”，通過廣播承載層來接收和轉(zhuǎn)發(fā)藍(lán)牙Mesh的消息，它承擔(dān)著擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的職責(zé)。中繼節(jié)點(diǎn)使得數(shù)據(jù)能夠通過無線信號(hào)的“接力”繞過樓道內(nèi)的物理障礙物，送達(dá)到目的設(shè)備。中繼節(jié)點(diǎn)需要充沛的供電，并具備一定的計(jì)算能力。親友節(jié)點(diǎn)(Friend Node)是一種特殊的中繼節(jié)點(diǎn)。

Proxy node：代理節(jié)點(diǎn)

代理節(jié)點(diǎn)提供了GATT接口（“Generic Attributes”，一種低功耗藍(lán)牙設(shè)備之間的通信協(xié)議），以便于藍(lán)牙設(shè)備在不具備藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的情況下，能夠通過代理節(jié)點(diǎn)接入藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)。代理節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持廣播承載層和GATT承載層的數(shù)據(jù)包收發(fā)。代理節(jié)點(diǎn)(Proxy node)是一種特殊的中繼節(jié)點(diǎn)。

（3） 模型（model）和狀態(tài)（state）

模型代表了節(jié)點(diǎn)中的元素所具備的行為功能。一個(gè)元素必須至少有一個(gè)模型，既一種功能。每個(gè)模型都有唯一的標(biāo)識(shí)符（32位），能夠在Mesh網(wǎng)絡(luò)中被識(shí)別出來。

模型具有一種或多種的“狀態(tài)”。狀態(tài)是一個(gè)或一組特定類型的值。狀態(tài)的改變，就代表模型執(zhí)行了某項(xiàng)功能。

例如，燈具有開/關(guān)的功能。其中，燈代表“元素”實(shí)體，而開/關(guān)的功能就是“模型”。開關(guān)具有兩種特征：“on”、“off”，這便是燈的“狀態(tài)”。

在應(yīng)用層面，“節(jié)點(diǎn)”就是接入藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)的“設(shè)備”，它包含了一個(gè)或一組“元素”（子設(shè)備），每個(gè)元素都具有一些“模型”（功能），且每一項(xiàng)功能都配置有一個(gè)或一組“狀態(tài)”參數(shù)，來表示此功能所對應(yīng)的操作。

每當(dāng)圣誕節(jié)來臨，圣誕樹需要燈飾裝點(diǎn)，燈飾一般都是一串彩燈（由許多不同顏色的燈泡組成）?？梢詫⑦@一串燈視為一個(gè)“節(jié)點(diǎn)”。為了營造圣誕氣氛，可以對燈串中每一種顏色的燈作為“元素（Element）”進(jìn)行單獨(dú)控制。

每種顏色的燈都具有發(fā)光的功能作為它的“模型”，模型包括兩種狀態(tài)屬性：“開/關(guān)”狀態(tài)、亮度狀態(tài)。這樣，藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)便有了對裝飾燈進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，如果需要更多的動(dòng)態(tài)效果，甚至可以將每一個(gè)燈泡配置成一個(gè)元素。不過，這樣做可能會(huì)“浪費(fèi)”掉不少藍(lán)牙Mesh的地址資源（節(jié)點(diǎn)中的每個(gè)元素都會(huì)被分配一個(gè)唯一的單播地址）。如何定義和設(shè)計(jì)應(yīng)用，完全由開發(fā)者根據(jù)產(chǎn)品要求自行決定，藍(lán)牙Mesh技術(shù)只是提供了節(jié)點(diǎn)配置的框架。

2.網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)是搭建在藍(lán)牙低功耗技術(shù)（BLE）構(gòu)架之上的，其網(wǎng)絡(luò)的層次構(gòu)架與OSI的7層參考模型有一點(diǎn)相似：BLE層-承載層-網(wǎng)絡(luò)層-傳輸下層-傳輸上層-接入層-基礎(chǔ)模型層-模型層。

BLE層（Bluetooth Low Energy Layer）：低功耗藍(lán)牙連接層，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的無線通信連接，是實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。

承載層（Bearer Layer）：定義了如何使用底層BLE協(xié)議棧傳輸網(wǎng)絡(luò)PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。實(shí)際的承載方式分為兩種：廣播承載(advertising bearer)和GATT承載。默認(rèn)情況下，使用廣播承載來封裝Mesh的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。

網(wǎng)絡(luò)層（Network Layer）：定義了各種消息的地址類型、格式，完成數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)尋址和轉(zhuǎn)發(fā)。節(jié)點(diǎn)的中繼、代理行為是通過網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的。