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解密蓝牙mesh系列 | 第二篇

在本系列的第一篇中,我们介绍了全新的蓝牙mesh网络技术。如果您还未阅读第一篇,建议先从头阅读,然后再进入第二篇。

本篇将介绍蓝牙mesh网络的基本概况,包括大型mesh网络中的消息传输方式、市场设备支持、安全性和mesh协议栈本身,在后续文章中也将继续探索这一技术方方面面的细节。

中继

在上篇中,我们了解到蓝牙mesh网络设备彼此之间可通过消息和发布/订阅机制展开对话。

得益于mesh网络,设备可以在非常广阔的区域中安装,同时彼此之间保持通信。想象一下购物中心、机场或办公大楼的占地空间有多广阔。因为存在墙壁和其他物理上的障碍物,楼宇中的设备可能无法与安装在同一楼宇远侧的设备、或临近楼宇中的设备建立直接的无线连接。而蓝牙mesh网络则能够将网络中的某些设备指定为“中继设备”,进而解决这一难题。

中继设备能够转发从其他设备接收到的消息。在转发消息时,它们能够与位于初始消息发布设备无线范围以外的设备进行通信。消息可多次被中继,每一次中继即为一“跳”,最多可进行127跳,足以在一片广阔的物理区域中进行消息传输。

“”

蓝牙 mesh网络在节点之间中继消息

管理型网络泛洪(Managed Flooding)

蓝牙mesh网络采用一种称为“网络泛洪(flooding)”的方式来发布和中继消息。这意味着消息不会通过某一进程进行路由, 也不会沿着由一系列特定设备构成的特定路径来进行传输。相反,传输范围内的所有设备都会接收消息,负责中继的设备能将消息转发至其传输范围内的所有其他设备。

“网络泛洪”这项技术在使用中往往是利弊参半。在蓝牙mesh网络的设计中,我们对此进行了针对性的优化,相信能够扬长避短。

网络泛洪的优势

网络泛洪的优势在于无需特定设备专门扮演集中式路由器的角色。集中式路由器一旦发生故障,就可能会导致整个网络无法运行。没有特定的路由也可能对网络造成灾难性的影响,但这种情况也可以通过在mesh网络中采用网络泛洪的方法来避免。

网络泛洪的方式也意味着消息一般能够通过多重路径到达其目的地。这就构建了一个相当可靠的网络。

优化mesh网络

蓝牙mesh网络也采取了一系列措施,支持采用网络泛洪的方式,同时优化每台设备、甚至整体网络的能耗。

所有数据包都包含一个称为TTL的字段,它可用于限制消息中继的跳数。由设备间歇性发送的心跳消息中包含的信息,能够让网络了解其拓扑结构、以及传到其他每台设备之间的跳数。这能够让设备将TTL设置为最佳值,从而避免不必要的中继操作。

每台设备都包含消息缓存,以确定自身是否已经中继过该消息。如果是,则会立即丢弃该消息,从而避免上层堆栈进行不必要的处理。

最有趣的是,功率非常受限的设备(例如由小型电池持续供电多年的传感器)可能被指定为“低功耗节点”。低功耗节点能够与一个或多个被指定为 “friends” 的设备协同工作。Friends并非功率受限,它可以作为低功耗节点,存储寻址到这一低功耗节点的消息,并且只有在低功耗节点需要时才传送消息。低功耗节点和“friends”之间的关系理所当然就称为“friendship”。

“Friendship”具体如何运转?

下面我们从节能的角度来进行解读。

低功耗设备通常将大部分时间用于传输数据,例如传感器。每当温度低于或高于指定阈值时,传感器才会发送温度读数,这种情况也许每天只会发生两次。这种不频繁的传输方案本身就使这类设备保持相当低的能耗。

但如果传感器需要不时地接收数据,又该怎么办呢?

例如,可能它需要确保网络中使用的安全密钥始终处于最新状态。或许需要根据季节修改这些温度阈值,采用不同的值。要使传感器直接接收消息,就需要开启无线电,以便数据接收。但大多数时候它什么都接收不到,但能量却会被消耗。

对设备来说,通过与“friends”的合作, 低功耗节点能够以合理的频率使用无线电来接收消息,但重要的是,相较于始终“聆听”所有消息,它能够以更低的频率工作,同时确保发送来的罕见事件也不会被遗漏。

“Friends” 能帮助低功耗节点完成大量工作。它们能够为所服务的低功耗节点存储消息,并在低功耗节点明确要求的情况下向其提供消息,低功耗节点可按照自身的规划进行操作,从而最有效地利用无线电。

市场上的蓝牙设备支持

蓝牙mesh网络虽然推出不久,但低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)却面世已久。


(责任编辑:ioter)

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