• 什么是代理協(xié)議？
• 代理協(xié)議的作用？
• 代理協(xié)議的原理？
• 代理協(xié)議的實(shí)現(xiàn)過(guò)程？
• 為什么會(huì)有代理協(xié)議？

1、原理：為什么要使用代理協(xié)議？

首先，要理解BLE Mesh協(xié)議是一個(gè)應(yīng)用程序，而不是BLE4.0、BLE5.2這種藍(lán)牙協(xié)議。通常的藍(lán)牙芯片或者支持藍(lán)牙功能的手機(jī)，是沒(méi)有BLE Mesh協(xié)議的，即一般的藍(lán)牙功能不會(huì)包含BLE Mesh應(yīng)用。所以要使一個(gè)設(shè)備支持BLE Mesh，需要在芯片里面實(shí)現(xiàn)BLE Mesh協(xié)議棧，在手機(jī)或者電腦上的App中，實(shí)現(xiàn)BLE Mesh協(xié)議棧。

其次，要知道承載器，目前有且僅有兩種，Sig定義的廣播承載器(Advertising bearer)和GATT承載器(GATT bearer)。廣播承載器是通過(guò)發(fā)送藍(lán)牙廣播進(jìn)行通信，GATT承載器是通過(guò)建立GATT藍(lán)牙連接進(jìn)行通信。注意有個(gè)簡(jiǎn)稱(chēng)，廣播承載器簡(jiǎn)稱(chēng)PB-ADV，GATT承載器簡(jiǎn)稱(chēng)PB-GATT。承載器可以理解為操作BLE進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的一個(gè)結(jié)構(gòu)體對(duì)象。每一個(gè)支持藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議的終端，必須至少支持這兩種承載器中的一種。目前手機(jī)App只能以一種角色運(yùn)行，不能同時(shí)作為主機(jī)和從機(jī)，即同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)兩種承載器。手機(jī)App作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的管理者（配網(wǎng)器），在手機(jī)App上使用的是GATT承載器，畢竟GATT承載器的通信可靠性要更好。一般的做法是手機(jī)APP連接上一個(gè)設(shè)備，然后通過(guò)這個(gè)設(shè)備去控制整個(gè)Mesh網(wǎng)絡(luò)。（可以支持多個(gè)GATT承載器，如子網(wǎng)模式下，APP端需要多個(gè)頁(yè)面支持）

最后，與手機(jī)APP端建立GATT連接的節(jié)點(diǎn)必須支持代理協(xié)議。在App上要操作除建立連接外的其他節(jié)點(diǎn)，App只能發(fā)送消息給連接的節(jié)點(diǎn)，連接的節(jié)點(diǎn)再給mesh網(wǎng)絡(luò)發(fā)送廣播將消息傳遞出去。這個(gè)連接的節(jié)點(diǎn)就必須同時(shí)與App建立GATT連接，又能使用PB-ADV發(fā)送廣播。所以，App與節(jié)點(diǎn)建立GATT承載器，然后通過(guò)該節(jié)點(diǎn)的廣播承載發(fā)送數(shù)據(jù)控制Mesh網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議，就是BLE Mesh Proxy protocol。建立連接的設(shè)備相當(dāng)于手機(jī)APP的代理人，消息的收發(fā)都通過(guò)這個(gè)代理人進(jìn)行處理。

總結(jié)：手機(jī)App端在mesh上的通信方式，只有一種，代理協(xié)議模式。不論是什么消息，必須走這個(gè)協(xié)議。

2、代理協(xié)議概述

代理協(xié)議使節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)面向連接的承載器發(fā)送和接收Network PDUs、mesh beacons、proxy configuration messages 和Provisioning PDUs。Sig BLE Mesh協(xié)議中只有這四種消息。
例如，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持 GATT，但不能發(fā)送 Mesh Message AD 類(lèi)型廣播。 該節(jié)點(diǎn)將與另一個(gè)支持 GATT 承載器和廣播承載器的節(jié)點(diǎn)建立 GATT 連接，使用 Proxy 協(xié)議在這些承載器之間轉(zhuǎn)發(fā)消息。

2.1、代理角色

代理協(xié)議定義了兩個(gè)角色：代理服務(wù)器和代理客戶端。
代理服務(wù)器是支持使用代理協(xié)議的mesh承載器和至少一個(gè)其他mesh承載器的節(jié)點(diǎn)。 例如，代理服務(wù)器可以在廣播承載器和 GATT 承載器之間轉(zhuǎn)發(fā)mesh消息。
代理客戶端是支持使用代理協(xié)議的mesh承載器。 例如，代理客戶端可以使用 GATT 承載器將mesh消息發(fā)送到支持廣播承載器的節(jié)點(diǎn)。

為了能愉快的閱讀本文下面內(nèi)容，需要記住：代理服務(wù)器就是與App端建立GATT連接的節(jié)點(diǎn)。代理客戶端就是App端。

2.2、Proxy PDU

代理客戶端和代理服務(wù)器交換代理 PDU。 代理 PDU 可以包含網(wǎng)絡(luò) PDU、mesh廣播信標(biāo)、代理配置消息或配網(wǎng)PDU。 單個(gè)代理 PDU 可以包含完整的消息或消息的片段。 Proxy PDU 的大小由 Proxy 協(xié)議的用戶決定。 例如，GATT 承載器根據(jù) ATT_MTU 定義 Proxy PDU 的大小。目前我司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了短包和長(zhǎng)包兩種方式。

2.3、Proxy PDU format格式

Proxy PDU format.png

字段介紹：

• SAR：占2位，表示BLE收到的消息是否需要分段重組。SAR全稱(chēng)，Segmentation and Reassembly，指拆包組包機(jī)制。

• MessageType：占6位，PDU中Data的消息類(lèi)型。

• Data：可變長(zhǎng)度，數(shù)據(jù)部分，完整消息或者是分段消息內(nèi)容。

字段值的范圍介紹：

1. SAR字段范圍 （2個(gè)位有且僅有4種情況)）：

   SAR值（0b代表二進(jìn)制）	含義
   0b00	Data段包含的是完整消息
   0b01	Data段包含的是分段消息第一個(gè)數(shù)據(jù)
   0b10	Data段包含的是分段消息中間數(shù)據(jù)
   0b11	Data段包含的是分段消息最后一個(gè)數(shù)據(jù)

2. Type字段范圍（目前有且僅有4種類(lèi)型）：

   Type值	名稱(chēng)	含義
   0x00	Network PDU	Data段包含是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)
   0x01	Mesh Beacon	Data段包含是Mesh Beacon廣播信標(biāo)
   0x02	Proxy Configuration	Data段包含是代理配置消息
   0x03	Provisioning PDU	Data段包含是配網(wǎng)消息
   0x04–0x3F	未用到	保留，供將來(lái)擴(kuò)展

3. data段，純數(shù)據(jù)，無(wú)需說(shuō)明。

2.4、Segmentation分段與組合

在mesh協(xié)議中一共有兩處消息的分段和組合：（1）配網(wǎng)器收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)判斷是否因?yàn)镸TU導(dǎo)致的分段或組合，這個(gè)部分屬于承載層負(fù)責(zé)。（2）因底層傳輸層負(fù)載最大長(zhǎng)度的限制導(dǎo)致的分段與組合，底層傳輸層在處理來(lái)自上層傳輸層消息進(jìn)行消息發(fā)送時(shí)，會(huì)判斷是否需要分段之后再交給網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行處理；底層傳輸層收到來(lái)自網(wǎng)絡(luò)層的消息時(shí)，會(huì)判斷是否為完整消息，必須是消息完整后再交給上層傳輸層處理。

這里講的是承載層的分段與組合：

使用代理協(xié)議發(fā)送的消息可能比單個(gè)代理 PDU的MTU 大。 為了使這樣的消息能夠被傳輸，使用了分段和重組。

• 當(dāng)發(fā)送小于或等于 Proxy PDU 最大大小的消息時(shí)，SAR 字段應(yīng)設(shè)置為 0b00，Data 字段應(yīng)包含完整的消息。

• 當(dāng)發(fā)送的消息大于代理 PDU 的最大大小時(shí)，該消息將被分成多個(gè)段，這些段將填充每個(gè)代理 PDU。 這些段應(yīng)按順序發(fā)送，第一個(gè)段的 SAR 字段應(yīng)設(shè)置為 0b01，最后一個(gè)段的 SAR 字段應(yīng)設(shè)置為 0b11，所有其他段的 SAR 字段應(yīng)設(shè)置為 0b10。

2.5、Proxy filtering代理過(guò)濾

為了減少代理客戶端和代理服務(wù)器之間交換的網(wǎng)絡(luò) PDU 的數(shù)量，可以使用代理過(guò)濾器。

代理服務(wù)器實(shí)例化的網(wǎng)絡(luò)接口的輸出過(guò)濾器可以由代理客戶端配置。 這允許代理客戶端明確請(qǐng)求僅接收具有特定目標(biāo)地址的mesh消息。 例如，訂閱了組地址的代理客戶端可能只想接收發(fā)往其元素之一的單播地址和該組地址的數(shù)據(jù)包。 因此，代理客戶端可以完全控制它使用代理協(xié)議接收的數(shù)據(jù)包。

代理過(guò)濾器可以是白名單過(guò)濾器或黑名單過(guò)濾器。

• 白名單過(guò)濾器有一個(gè)關(guān)聯(lián)的白名單，它是代理客戶端感興趣的目標(biāo)地址列表。 白名單過(guò)濾器會(huì)阻止除已添加到白名單中的所有目標(biāo)地址。

• 黑名單過(guò)濾器有一個(gè)關(guān)聯(lián)的黑名單，它是代理客戶端不想接收的目標(biāo)地址的列表。 黑名單過(guò)濾器接受除已添加到黑名單的地址之外的所有目標(biāo)地址。

• 具有空列表的白名單過(guò)濾器是默認(rèn)過(guò)濾器類(lèi)型。 代理客戶端可以更改過(guò)濾器類(lèi)型以及配置代理過(guò)濾器中的地址。

舉個(gè)例子，網(wǎng)絡(luò)中存在A、B、C三個(gè)節(jié)點(diǎn)。

• 如果設(shè)置過(guò)濾器類(lèi)型為白名單模式，將A的地址添加到白名單列表，那么只能收到A節(jié)點(diǎn)的消息，B和C節(jié)點(diǎn)的消息會(huì)被過(guò)濾掉。

• 如果設(shè)置過(guò)濾器類(lèi)型為黑名單模式，那么A節(jié)點(diǎn)的消息就會(huì)被過(guò)濾掉，只能接收到B和C節(jié)點(diǎn)的消息。

2.6、Proxy configuration messages

除了Network PDUs、mesh beacons和Provisioning PDU，代理客戶端和代理服務(wù)器可以使用代理協(xié)議交換proxy configuration messages代理配置消息。

代理配置消息用于配置代理過(guò)濾器。

代理配置消息的格式與網(wǎng)絡(luò) PDU 的格式相同相同。

• CTL 字段應(yīng)設(shè)置為 1。代表控制消息Control Message。

• TTL 字段應(yīng)設(shè)置為 0。代表不轉(zhuǎn)發(fā)，只讓與手機(jī)APP連接的代理節(jié)點(diǎn)處理。

• DST 字段應(yīng)設(shè)置為未分配的地址。

TransportPDU 字段的格式應(yīng)如下表所示，并應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)密鑰NetworkKey中定義的主安全憑證和代理隨機(jī)數(shù)proxy nonce進(jìn)行保護(hù)。

Proxy TransportPDU字段格式如下：

Proxy TransportPDU操作碼字段的值定義如下：

Parameters參數(shù)的值，需要根據(jù)每一種操作做具體的分析，下面內(nèi)容做詳細(xì)闡述。

2.6.1、Set Filter Type設(shè)置過(guò)濾器類(lèi)型

代理客戶端可以發(fā)送設(shè)置過(guò)濾器類(lèi)型消息來(lái)更改代理過(guò)濾器類(lèi)型并清除代理過(guò)濾器列表。

參數(shù)定義如下，只有一個(gè)參數(shù)FilterType：

參數(shù)FilterType的值定義如下：

2.6.2、Add Addresses to Filter添加地址到過(guò)濾器

Add Addresses to Filter 消息由代理客戶端發(fā)送以將目標(biāo)地址添加到代理過(guò)濾器列表。

AddressArray數(shù)組中包含的元素是地址，一個(gè)地址的長(zhǎng)度為2字節(jié)，參數(shù)定義如下：

AddressArray 字段包含要添加到代理過(guò)濾器列表的地址序列。 它可以包含單播地址、虛擬地址和組地址的任意組合?？梢砸淮涡蕴砑佣鄠€(gè)地址。AddressArray 中的每個(gè)地址都是一個(gè) 16 位值，因此使用 16 位虛擬地址而不是Label UUID。

2.6.3、Remove Addresses from Filter移除過(guò)濾器中的地址

從過(guò)濾器中刪除地址消息由代理客戶端發(fā)送以從代理過(guò)濾器列表中刪除目標(biāo)地址。

參數(shù)跟添加消息一樣：

AddressArray 字段包含要從代理過(guò)濾器列表中刪除的地址序列。 它可以包含單播地址、虛擬地址或組地址的任意組合。可以一次性刪除多個(gè)地址。

2.6.4、Filter Status過(guò)濾器狀態(tài)

代理服務(wù)器發(fā)送過(guò)濾器狀態(tài)消息以報(bào)告代理過(guò)濾器的狀態(tài)。

參數(shù)定義如下：

FilterType的值已經(jīng)在2.6.1中定義過(guò)了。

2.7、Proxy Server behavior代理服務(wù)器行為

當(dāng)代理客戶端連接到代理服務(wù)器時(shí)，一個(gè)新的承載器的實(shí)例通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層接口連接到網(wǎng)絡(luò)層。（網(wǎng)絡(luò)層接口：C和java語(yǔ)言中由回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，iOS中叫委托協(xié)議；意思就是數(shù)據(jù)能逐層傳遞處理。）

• 一旦連接后，代理服務(wù)器將代理過(guò)濾器初始化為白名單過(guò)濾器，白名單為空。

• 如果代理過(guò)濾器是白名單過(guò)濾器，則在從代理客戶端接收到有效的Mesh消息后，代理服務(wù)器應(yīng)將該消息的SRC字段中包含的單播地址添加到白名單中。

• 如果代理過(guò)濾器是黑名單過(guò)濾器，則在從代理客戶端接收到有效的Mesh消息后，代理服務(wù)器應(yīng)將消息的SRC字段中包含的單播地址從黑名單中刪除。

• 一旦連接后，代理服務(wù)器應(yīng)向代理客戶端發(fā)送每個(gè)已知子網(wǎng)的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。

• 在成功處理具有 IV Index字段或Flags字段的新值的Secure Network Beacon（安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)）后，代理服務(wù)器應(yīng)將此安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)發(fā)送到代理客戶端。

• 當(dāng)代理服務(wù)器被添加到一個(gè)新的子網(wǎng)時(shí)，它應(yīng)該為那個(gè)子網(wǎng)發(fā)送一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)給代理客戶端。

• 當(dāng)代理客戶端接收到安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)后，代理服務(wù)器應(yīng)按照安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)行為中的定義對(duì)其進(jìn)行處理。

• 發(fā)送代理配置消息時(shí)，代理服務(wù)器應(yīng)將 SRC 字段設(shè)置為其主要元素的單播地址，并且 SEQ 字段應(yīng)使用其主要元素的序列號(hào)。

• 如果代理服務(wù)器接收到 Set Filter Type 消息，則應(yīng)根據(jù)消息請(qǐng)求中的參數(shù)，設(shè)置代理過(guò)濾器類(lèi)型，并清除代理過(guò)濾器列表。然后，代理服務(wù)器應(yīng)以Filter Status（過(guò)濾器狀態(tài)）消息進(jìn)行響應(yīng)。

• 如果代理服務(wù)器接收到一個(gè)添加地址到過(guò)濾器消息，那么它應(yīng)該將這些地址添加到代理過(guò)濾器列表中并且應(yīng)該用一個(gè)過(guò)濾器狀態(tài)消息來(lái)響應(yīng)。如果消息中包含的一個(gè)或多個(gè)地址已經(jīng)在列表中，則代理服務(wù)器不應(yīng)添加這些地址。如果代理服務(wù)器在代理過(guò)濾器列表中的空間不足，代理服務(wù)器不應(yīng)添加這些地址。如果 AddressArray 字段包含未分配的地址，代理服務(wù)器將忽略該地址。

• 如果代理服務(wù)器接收到從過(guò)濾器中刪除地址消息，它將從代理過(guò)濾器列表中刪除這些地址，并應(yīng)以過(guò)濾器狀態(tài)消息進(jìn)行響應(yīng)。 如果消息中包含的一個(gè)或多個(gè)地址不在列表中，代理服務(wù)器將忽略這些地址。 如果 AddressArray 字段包含未分配的地址，代理服務(wù)器將忽略該地址。

• 在接收到帶有意外 SAR 字段值的消息時(shí)，代理服務(wù)器應(yīng)斷開(kāi)連接。

• 在接收到消息類(lèi)型字段設(shè)置為保留供將來(lái)使用的值的消息時(shí)，代理服務(wù)器應(yīng)忽略此消息。

• SAR 傳輸?shù)某瑫r(shí)時(shí)間為 20 秒。 當(dāng)超時(shí)到期時(shí)，代理服務(wù)器將斷開(kāi)連接。

相關(guān)知識(shí)點(diǎn)：

有效的Mesh消息，怎么判斷消息是否有效？能正常被網(wǎng)絡(luò)密鑰以解密算法解析，解析后的數(shù)據(jù)依符合協(xié)議要求。

主元素地址與節(jié)點(diǎn)地址：通常說(shuō)的節(jié)點(diǎn)的單播地址，指的就是主元素的地址。一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能有多個(gè)元素，每個(gè)元素地址都不一樣。一個(gè)節(jié)點(diǎn)占用的地址個(gè)數(shù)并非一個(gè)，有多少個(gè)元素，就要占用多個(gè)地址。舉例：節(jié)點(diǎn)依次包含三個(gè)元素A,B,C；依據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中地址的分配情況，假如元素A的地址為0x0001，節(jié)點(diǎn)中其他的元素地址往回加一，則B元素為0x0002、C元素為0x0003。節(jié)點(diǎn)的地址也就是節(jié)點(diǎn)中主元素的地址，主元素就是第一個(gè)元素，為0x0001。如果此時(shí)，再添加一個(gè)設(shè)備，新添加節(jié)點(diǎn)的地址需要從0x0004開(kāi)始，如果也是三個(gè)元素，那么新節(jié)點(diǎn)占用0x0004，0x0005，0x0006三個(gè)地址。

SRC字段：包含的值是源地址，是發(fā)出消息節(jié)點(diǎn)的地址。

ATT_MTU：全稱(chēng)Attribute Protocol Maximum Transmission Unit，屬性協(xié)議最大傳輸單位。

IV Index：相關(guān)的內(nèi)容太長(zhǎng)，可以點(diǎn)擊上方安全網(wǎng)絡(luò)行為的鏈接。

SEQ，全稱(chēng)Sequence Number，序列號(hào)。用于記錄消息的編號(hào)，消息發(fā)送時(shí)自動(dòng)加一，根據(jù)每個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)。

2.8、Proxy Client behavior代理客戶端行為

代理客戶端可以發(fā)送代理配置消息來(lái)配置代理過(guò)濾器。

發(fā)送代理配置消息時(shí)，代理客戶端應(yīng)將 SRC 字段設(shè)置為其主要元素的單播地址，并且 SEQ 字段應(yīng)使用其主要元素的序列號(hào)。 代理客戶端可以在收到過(guò)濾器狀態(tài)消息時(shí)確定代理過(guò)濾器列表的狀態(tài)。

在接收到帶有意外 SAR 字段值的消息時(shí)，代理客戶端應(yīng)斷開(kāi)連接。

在接收到消息類(lèi)型字段設(shè)置為保留供將來(lái)使用的值的消息時(shí)，代理客戶端應(yīng)忽略此消息。

SAR 傳輸?shù)某瑫r(shí)時(shí)間為 20 秒。 當(dāng)超時(shí)到期時(shí)，代理客戶端將斷開(kāi)連接。

2.9、消息流程圖MSC（message sequence chart）

下方流程圖說(shuō)明了由 Proxy Client 配置，Proxy Server 執(zhí)行的黑名單過(guò)濾的流程圖。

黑名單過(guò)濾流程圖.png

2.10、具體消息解析舉例

2.10.1、例一

BLE收到：

0x0303FC02DDCCF821169A72D02A0978747CFC6739A8A08B13A1A7944EDE4D3D533B27794E5898169572112201E3CD6A1F4804FBB5A618A07719C52E90C651B81A43B4

收到消息后，不會(huì)管設(shè)備處于什么狀態(tài)，也不知道是誰(shuí)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。全部按照代理協(xié)議進(jìn)行處理：

第一步，取第一個(gè)字節(jié)高兩位，第一字節(jié) data[0]為0x03，SAR = data[0] >> 6。計(jì)算出SAR為0。依據(jù)2.3中代理PDU的格式，這個(gè)消息為完整消息。

第二步，取第一個(gè)字節(jié)低6位，PduType = data[0] & 0x3F。計(jì)算出PduType為3。依據(jù)2.3中代理PDU的格式，這個(gè)消息為配網(wǎng)消息。

第三步，依據(jù)配網(wǎng)協(xié)議中的定義，處理從第二字節(jié)到結(jié)束的數(shù)據(jù)。這里就進(jìn)入到配網(wǎng)協(xié)議處理了，配網(wǎng)協(xié)議看之前寫(xiě)過(guò)的內(nèi)容。

2.10.2、例二

BLE收到：

0x003EBB5242C5F1E3FDFB18251C5942BFE8EC25CC767D1E1AE1FDD9C73CC0 networkKey: F9B024F55B95EFA75F6B2B8D8D3A3F5C

收到消息后，不會(huì)管設(shè)備處于什么狀態(tài)，也不知道是誰(shuí)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。全部按照代理協(xié)議進(jìn)行處理：

按照例一中同樣的做法，計(jì)算出：SAR為0，PduType為0。依據(jù)代理PDU的格式，我們知道這是一個(gè)Network PDU類(lèi)型的完整消息。到這里就會(huì)將消息傳遞給網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行下一步處理。