BLE mesh

GAP && GATT

• GAP
  设备发现、连接和身份验证等。
• GATT
  设备间数据传输和解释。

历史

• Bluetooth SIG 组织于 2017 年发布蓝牙 Mesh 标准。

BLE Mesh 建立于物理层与链路层之上

• [2402～2480Mhz；工作模式：Advertising && Connection][1]
  BLE : 广播间隔 = 20ms; 扫描窗口 = 30ms，扫描间隔 = 40ms
  BLE Mesh : 广播间隔 = 随机一小段时间；扫描窗口 = 扫描间隔 = 40ms
  

发布订阅消息系统

• 传统 Mesh : 灯需记住开关，开关需记住灯，灵活性差
  
• 解决办法 : 引入组，构成发布订阅消息系统；灯换了只需在组那边改订阅者者即可，类似 MQTT
  

优化泛洪通信

• 设备缓存关键信息，以确定是否收到过此消息避免二次转发
• TTL最大转发数

Mesh 节点特性 : 中继(Relay) 代理(Proxy) 好友(Friend) 低功耗(Low Power)

• 中继 : 通过Mesh广播承载层( Bearer :将 BLE 数据抽象供上层使用；目前定义了广播承载和 GATT 承载，对应 BLE 的 Advertising 和 Connection )接收和转发Mesh消息的能力，以实现更大的网络
• 代理 : 为了兼容不支持蓝牙Mesh的BLE设备如手机平板等，采用 BLE GATT Bearer 的方式在数据信道和 BLE 设备通信，通过广播转发
• 好友 && 低功耗 : 使能低功耗特性的设备睡眠时间较长，期间无法接受消息；使能好友特性的设备为其缓存消息。低功耗设备醒来后查询好友消息
• 一个节点可以使能多个特性，如图中 S 既是中继又是代理
  

加入 Mesh

• 配网者认证设备创建网络密钥，使其成为未配置的节点
• 配网者绑定应用层网络层密钥，设置模型的发布/订阅
• 成为节点

一个节点包括多个元素(Elements)

• 每个元素分配一个单播地址（Unicast Address：0x0001~0x7FFF）
• 元素订阅组播地址(发布订阅消息系统，Group Address:0xC000~0xFEFF)，即可收到发布者发布的消息
  

模型(Models) = 状态(states) + 消息(Messages) + 行为(Behavior)

• 模型(Models) : 定义基本功能的最小单位；如，设备开关，灯泡亮度
• 状态(States) : 如灯泡中开关/亮度的状态值，不同状态可绑定(Bound State，如灯泡亮度非0为开，为0则关)
• 消息(Messages) : [SET(设置) + GET(请求) + STATUS(发送)]状态值(States)
• 行为(Behavior) : 模型在接收到消息后的行为；
  如，灯收到设置ON/OFF状态值(SET States)，ON/OFF状态值就要变成设置状态值消息的给定值；
  如，灯收到请求状态值(GET States),那就把状态值通过 STATUS 传给询问方

BLE Mesh消息通讯基于服务器/客户端架构

• 服务器 : 对外提供状态访问接口
• 客户端 : 访问服务器状态

服务器模型 客户端模型 控制模型##

• 服务器模型 : 定义了状态，绑定状态和消息的集合
  如，灯包括通用开关服务器模型(Generic OnOffServer),灯亮度服务器模型(Light Lightness Server)
• 客户端模型 : 定义了一群消息用于改变服务器状态，客户端模型不含有状态
• 控制模型 : 包括以上两种模型
• 具体实例如下图
  灯设备节点包含一个元素，元素中包含通用开关服务器模型和灯亮度服务器模型，两者相互绑定；开关模型不含有状态，灯与开关通过消息获知设置服务器元素状态
  

BLE Mesh的协议栈是层级结构

• BLE 层 : Advertising && Connection 两种数据传输格式
• 承载层(Bearer Layer) :将 BLE 数据抽象供上层使用,目前定义了广播承载和 GATT 承载，对应 BLE 的 Advertising 和 Connection
• 网络层(Network Layer) : 基于地址的消息传输，实现代理中继等特性以及加密行为
• 底层传输层(Lower Transport Layer) : 数据分段以及重组
• 上层传输层(Upper Transport Layer) : 应用层数据加密解密认证，传输节点间传输控制消息，包括朋友特性的应用实现
• 揭露层(Access Layer) : 定义应用数据格式，定义并控制数据在上层传输层加解密过程，确保从下层接收到的数据是准确的并传输到更高层
• 基础模型层(Foundation Model Layer) : 定义了状态 消息 模型 等实现 Mesh 网络的配置
• 模型层(Model Layer) : 标准化用户应用场景的实例，如灯模型，传感器模型等
  

安全机制

• Mesh Security is Mandatory
• Adding device uses 256-bit elliptic curves and 00B authentication
• All mesh messages are encrypted and authenticated
• Network, application and device security are addressed independently
• Replay attacks are prevented by mandating fresh sequence number
• Security keys can be changed via a Key Retresh procedure