藍(lán)牙m(xù)esh IV Index Update

IV Update就是指IV Index Update。是為了解決序列號(hào)SeqNumber耗盡的問題。

1.什么是IV Index

IV Index 是一個(gè) 32 位的值，它是共享網(wǎng)絡(luò)資源（即，mesh網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)共享相同的 IV Index 值并將其用于它們所屬的所有子網(wǎng)）。

IV 索引從 0x00000000 開始，并在 IV 更新過程中遞增。值增加的時(shí)間不必精確，因?yàn)樽畹陀行辉诿總€(gè)網(wǎng)絡(luò) PDU 內(nèi)進(jìn)行通信。由于 IV Index 值是 32 位值，因此在 IV Index 結(jié)束之前，mesh網(wǎng)絡(luò)可以運(yùn)行大約 5 萬億年。

IV 索引通過安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(Secure Network beacon)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)共享。在子網(wǎng)上收到的 IV Update被處理并傳播到該子網(wǎng)。設(shè)備通過給特定子網(wǎng)傳輸具有 IV Update Index的 Secure Network beacons來進(jìn)行傳播。如果主子網(wǎng)上的設(shè)備接收到主子網(wǎng)上的更新，它應(yīng)將 IV 更新傳播到所有其他子網(wǎng)。如果主子網(wǎng)上的設(shè)備在任何其他子網(wǎng)上收到 IV 更新，則應(yīng)忽略更新。

如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)不在mesh網(wǎng)絡(luò)中，它可以掃描安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)或使用 IV 索引恢復(fù)過程。

2.藍(lán)牙m(xù)esh安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)

安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(Secure Network beacon)是藍(lán)牙Mesh beacons 的一種， Mesh beacons 是由節(jié)點(diǎn)和未配網(wǎng)設(shè)備周期性發(fā)出的廣播數(shù)據(jù)包。

2.1.安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)(Secure Network beacon)

節(jié)點(diǎn)使用安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)來識(shí)別子網(wǎng)及其安全狀態(tài)。格式以及各字段的含義如下：


Secure Network beacon格式.png
字段(按順序) 長度（字節(jié)） 注釋
Beacon Type 1 Secure Network beacon (0x01)
Flags 1 Contains the Key Refresh Flag and IV Update Flag
Network ID 8 Contains the value of the Network ID
IV Index 4 Contains the current IV Index
Authentication Value 8 Authenticates security network beacon

第二個(gè)字節(jié)Flags的定義如下：

位數(shù) 定義
0 Key Refresh Flag
1 IV Update Flag
2~7 保留供以后使用

Network ID： 在包含多個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)唯一的id.

Authentication Value 字段的計(jì)算定義如下：

Authentication Value = AES-CMAC (Flags || Network ID || IV Index) [0–7]，使用BeaconKey。
Secure Network beacon生成過程.png

2.2.安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)行為(behavior)

當(dāng)在已知子網(wǎng)上接收到安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)并通過身份驗(yàn)證時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)監(jiān)視 IV 索引更新和密鑰刷新過程。為了驗(yàn)證安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，節(jié)點(diǎn)計(jì)算驗(yàn)證值A(chǔ)uthentication Value并檢查它是否等于接收到的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)中的驗(yàn)證值A(chǔ)uthentication Value字段。

可以為節(jié)點(diǎn)所屬的每個(gè)子網(wǎng)發(fā)送安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，以識(shí)別子網(wǎng)并通知 IV 索引更新和密鑰刷新過程。

Relay 和 Friend 節(jié)點(diǎn)建議發(fā)送信標(biāo)，其他節(jié)點(diǎn)之間可以看情況發(fā)送信標(biāo)。發(fā)送兩個(gè)連續(xù)信標(biāo)之間的時(shí)間稱為信標(biāo)間隔。一個(gè)實(shí)現(xiàn)可以定義信標(biāo)間隔和一個(gè)回退過程，以防止其他節(jié)點(diǎn)因過多的信標(biāo)而使網(wǎng)絡(luò)過載。 預(yù)期的行為是每個(gè)節(jié)點(diǎn)大約每 10 秒收到一個(gè)給定子網(wǎng)的信標(biāo)。

對(duì)于每個(gè)子網(wǎng)，為了確定信標(biāo)間隔，節(jié)點(diǎn)應(yīng)連續(xù)觀察信標(biāo)，并在給定觀察期內(nèi)保持子網(wǎng)信標(biāo)數(shù)量的滾動(dòng)計(jì)數(shù)。 信標(biāo)間隔應(yīng)使用以下公式確定：

Beacon Interval = Observation Period * (Observed Number of Beacons + 1) / Expected Number of Beacons

如果計(jì)算出的 Beacon Interval 小于 10 秒，則應(yīng)將其設(shè)置為 10 秒。 如果計(jì)算的 Beacon Interval 大于 600 秒，則應(yīng)將其設(shè)置為 600 秒。

以秒為單位的觀察周期(Observation Period)通常應(yīng)該是典型信標(biāo)間隔的兩倍。 每個(gè)子網(wǎng)都有一個(gè)單獨(dú)的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，因此，每個(gè)子網(wǎng)的預(yù)期信標(biāo)數(shù)(Expected Number of Beacons)、觀察到的信標(biāo)數(shù)(Observed Number of Beacons)和觀察周期可能不同。

Observed Number of Beacon 是在觀察期內(nèi)為此子網(wǎng)觀察到的信標(biāo)數(shù)量。

預(yù)期的信標(biāo)數(shù)量是觀察周期除以 10 秒。

2.3.App端發(fā)送安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)

手機(jī)App作為配網(wǎng)器節(jié)點(diǎn)，怎么實(shí)現(xiàn)發(fā)送Secure Network beacon？手機(jī)端是通過代理協(xié)議實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙m(xù)esh協(xié)議棧，手機(jī)端是主機(jī)角色，沒法以從機(jī)身份向外發(fā)廣播。好在代理協(xié)議本就支持mesh beacons消息，而不用手機(jī)發(fā)送。

代理協(xié)議（proxy protocol）使節(jié)點(diǎn)能夠通過面向連接的承載器發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò) PDU、mesh beacons、代理配置消息和配網(wǎng) PDU。

例如，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以支持 GATT，但不能廣播 。 該節(jié)點(diǎn)將與另一個(gè)同時(shí)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。

2.3.1開啟或關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)

ConfigBeaconGet是一個(gè)確認(rèn)消息，沒有參數(shù)，用于獲取節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)狀態(tài)。返回消息是ConfigBeaconStatus。

ConfigBeaconSet是一個(gè)確認(rèn)消息，用于設(shè)置節(jié)點(diǎn)的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)狀態(tài)。返回消息是ConfigBeaconStatus。包含一個(gè)參數(shù)：新的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)狀態(tài)。

3.IV Update procedure

3.1概述

IV 索引為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層中用于認(rèn)證加密 (AES-CCM) 的隨機(jī)數(shù)提供熵。 因此，必須經(jīng)常更改它以避免在nonce中重復(fù)使用sequence numbers。 IV 更新過程由作為主子網(wǎng)成員的任何節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為它有耗盡其序列號(hào)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，或者它確定另一個(gè)節(jié)點(diǎn)即將耗盡其序列號(hào)(sequence numbers)時(shí)，可以這樣做。 節(jié)點(diǎn)更改其 IV 索引并向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送 IV 索引正在更新的指示。 然后，網(wǎng)絡(luò)中的相同或某個(gè)其他節(jié)點(diǎn)會(huì)更改回正常操作。

在密鑰索引不同于 0x000 的連接子網(wǎng)上，至少一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)狀態(tài)設(shè)置為 1 的節(jié)點(diǎn)也必須位于主子網(wǎng)上。

IV 更新程序定義了兩種操作狀態(tài)：

  • Normal Operation： IV Update Flag = 0
  • IV Update in Progress：IV Update Flag = 1
  1. 在正常操作狀態(tài)期間，安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)和朋友更新消息中的 IV 更新標(biāo)志應(yīng)設(shè)置為 0。
  2. 當(dāng)此狀態(tài)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用當(dāng)前 IV Index進(jìn)行傳輸，并應(yīng)處理來自當(dāng)前 IV Index 以及當(dāng)前的 IV Index - 1的消息。

例如， IV Update Flag 設(shè)置為 0， current IV Index 等于 0x00101847 時(shí)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息的 IV Index為0x00101847，接收消息的兩種情況：

  • 網(wǎng)絡(luò)層的 IVI 字段設(shè)置為 1時(shí)，IV Index為0x00101847。
  • 網(wǎng)絡(luò)層的 IVI 字段設(shè)置為 0時(shí)，IV Index為 0x00101846 。

3.2 接收SNB處理

情況一：

如果正常操作中的節(jié)點(diǎn)，接收到一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，其 IV Index大于最后一個(gè)已知 IV Index + 1 ，它可以啟動(dòng) IV 索引恢復(fù)過程（IV Index Recovery procedure）。

情況二：

如果正常操作中的節(jié)點(diǎn)，接收到一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，其 IV Index等于最后一個(gè)已知的 IV Index +1 并且 IV 更新標(biāo)志設(shè)置為 0，則該節(jié)點(diǎn)根據(jù)

  1. 根據(jù)自上次 IV Update以來的時(shí)間
  2. 節(jié)點(diǎn)錯(cuò)過 IV update Flag設(shè)置為 1 安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)的可能性

做出如下三種可能的選擇

  • 可能會(huì)直接更新其 IV 而不進(jìn)入 IV Update正在進(jìn)行狀態(tài)，
  • 或者它可能會(huì)啟動(dòng) IV 索引恢復(fù)過程，
  • 或者它可能會(huì)忽略安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。

情況三：

如果正常操作中的節(jié)點(diǎn)，接收到一個(gè)安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，其 IV Index小于最后一個(gè)已知 IV Index或大于最后一個(gè)已知 IV Index + 42 ，則應(yīng)忽略安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。
注意：上述要求允許節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò) 48 周。 必須給離開網(wǎng)絡(luò)超過 48 周的節(jié)點(diǎn)重新配網(wǎng)。

如果此節(jié)點(diǎn)是主子網(wǎng)的成員，并且在子網(wǎng)上接收到 IV Index大于主子網(wǎng)最后一個(gè)已知 IV 索引的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，則應(yīng)忽略安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)。(這里可以應(yīng)用于一個(gè)場景，可以給客人開一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，客人用完后，刷新IV Index。)

3.3其他規(guī)定：

  1. 節(jié)點(diǎn)啟動(dòng) IV Update過程的頻率不得超過每 192 小時(shí)一次。

  2. 在正常操作中運(yùn)行 96 小時(shí)后，節(jié)點(diǎn)可以通過轉(zhuǎn)換到 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)來啟動(dòng) IV 更新過程。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)從正常操作狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)上的 IV 索引應(yīng)增加 1。

  3. 從正常操作狀態(tài)到 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必須在序列號(hào)用完之前至少 96 小時(shí)發(fā)生。

  4. 處于正常操作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)接收并接受 IV 更新標(biāo)志設(shè)置為 1 的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)（指示 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)）應(yīng)盡快轉(zhuǎn)換到 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)。

  5. 在 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)期間，安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)和好友更新消息中的 IV 更新標(biāo)志應(yīng)設(shè)置為 1。當(dāng)此狀態(tài)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用當(dāng)前 IV Index - 1 進(jìn)行傳輸，并處理接收消息 從current IV index - 1 以及current IV index。

    例如，如果在從 Normal Operation 狀態(tài)轉(zhuǎn)換到 IV Update in Progress 狀態(tài)之前 IV Index 為 0x00101847，則轉(zhuǎn)換后 ，IV Update Flag 將為 1，當(dāng)前 IV Index 將為 0x00101848。節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用 IV 索引 0x00101847 進(jìn)行發(fā)送，并接收如下兩種情況的消息：

    （1）在網(wǎng)絡(luò)層中的 IVI 字段設(shè)置為 1 時(shí)，使用 IV 索引 0x00101847 接收消息；

    （2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層中的 IVI 字段設(shè)置為 0 時(shí)，使用 IV 索引 0x00101848 接收消息。

    這允許所有處于正常操作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)使用舊的 IV 索引向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，該節(jié)點(diǎn)向那些尚未轉(zhuǎn)換的節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息。

  6. 在 IV Update in Progress 狀態(tài)下運(yùn)行 96 小時(shí)至 144 小時(shí)之間時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)換回 IV Normal Operation 狀態(tài)并且不更改 IV Index。 在轉(zhuǎn)換點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)將序列號(hào)重置為 0x000000。

    例如，當(dāng)轉(zhuǎn)換回正常操作狀態(tài)時(shí)，IV 更新標(biāo)志將為 0，當(dāng)前 IV 索引將為 0x00101848，節(jié)點(diǎn)應(yīng)使用 IV 索引 0x00101848 發(fā)送，并接收如下兩種情況的消息：

    （1）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層中的 IVI 字段設(shè)置為 1 時(shí)，使用 IV 索引 0x00101847 接收的消息

    （2）當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層中的 IVI 字段設(shè)置為 0時(shí)，使用 IV 索引0x00101848接收的消息。

    這允許節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息，無論它們是否也處于正常操作狀態(tài)或處于 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)。 它還允許節(jié)點(diǎn)從處于正常操作狀態(tài)或 IV 更新進(jìn)行狀態(tài)的所有節(jié)點(diǎn)接收消息。

    下表提供了 IV 更新程序的摘要：

    IV Index Flag Procedure State Accepted transmitting
    n 0 Normal n-1, n n
    n+1 1 In Progress n,n+1 n
    n+1 0 Normal n,n+1 n+1

  1. 處于 IV 更新進(jìn)行中狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，接收并接受了 IV 更新標(biāo)志設(shè)置為 0（指示正常操作狀態(tài)）的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，應(yīng)盡快轉(zhuǎn)換到正常操作狀態(tài)。

    當(dāng)節(jié)點(diǎn)已發(fā)送分段訪問消息或分段控制消息而未接收到相應(yīng)的分段確認(rèn)消息時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)將狀態(tài)更改從進(jìn)行中的 IV 更新推遲到正常操作，如本程序所定義。當(dāng)收到適當(dāng)?shù)亩未_認(rèn)消息或達(dá)到此消息傳遞的超時(shí)時(shí)間時(shí)，應(yīng)執(zhí)行延遲的狀態(tài)更改。

    注意：此要求是必要的，因?yàn)樵谕瓿?IV 更新過程后，序列號(hào)將重置為 0x000000，并且 SeqAuth 值將無效。

  2. 當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)被添加到網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，該節(jié)點(diǎn)被賦予一個(gè) IV 索引。如果在網(wǎng)絡(luò)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)將節(jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)，則它應(yīng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下運(yùn)行至少 96 小時(shí)。如果在網(wǎng)絡(luò)處于 IV Update in Progress 狀態(tài)時(shí)將節(jié)點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)，則應(yīng)賦予該節(jié)點(diǎn)新的 IV Index 值并在正常操作中運(yùn)行至少 96 小時(shí)。

3.4 天貓精靈在IV Index Update的約定

天貓精靈藍(lán)牙m(xù)esh基礎(chǔ)規(guī)范

天貓精靈藍(lán)牙m(xù)esh對(duì)IV Update的約定.png

4 IV Update test mode

為了實(shí)現(xiàn) IV 更新過程的有效測試，節(jié)點(diǎn)應(yīng)支持 IV 更新測試模式，用于與藍(lán)牙認(rèn)證過程相關(guān)的測試。 測試模式的激活應(yīng)在本地執(zhí)行（通過硬件或軟件接口）。 IV Update 測試模式僅取消了 96 小時(shí)的限制； 設(shè)備的所有其他行為應(yīng)保持不變。

IV 更新測試模式中定義了兩個(gè)信號(hào)： ? Transit to IV Update in Progress 信號(hào) ? 轉(zhuǎn)為正常信號(hào) 當(dāng)接收到 Transit to IV Update in Progress 信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)在 進(jìn)度狀態(tài)，忽略 96 小時(shí)限制。 當(dāng)接收到 Transit to Normal 信號(hào)時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)轉(zhuǎn)換到 Normal 狀態(tài)，忽略 96 小時(shí)限制。

5 IV Index Recovery procedure

一個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該支持IV索引恢復(fù)過程，因?yàn)橐粋€(gè)節(jié)點(diǎn)長時(shí)間遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)錯(cuò)過IV更新過程，在這種情況下它不能再與其他節(jié)點(diǎn)通信。為了恢復(fù) IV 索引，節(jié)點(diǎn)必須偵聽安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，其中包含網(wǎng)絡(luò) ID 和當(dāng)前 IV 索引。在接收并成功驗(yàn)證其 IV 索引比當(dāng)前已知 IV 索引高 1 或更多的主子網(wǎng)的安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)后，節(jié)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)此安全網(wǎng)絡(luò)中的值設(shè)置其當(dāng)前 IV 索引及其當(dāng)前 IV 更新過程狀態(tài)信標(biāo)。
注意：在 IV 指數(shù)恢復(fù)程序更新 IV 指數(shù)后，改變 IV 更新程序狀態(tài)的 96 小時(shí)時(shí)間限制（如 IV 更新程序中定義）不適用。
鑒于節(jié)點(diǎn)每 10 秒集體傳輸一次安全網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，低占空比節(jié)點(diǎn)將必須平均偵聽 5 秒以在傳輸和接收網(wǎng)格消息之前恢復(fù)當(dāng)前的 IV 索引。如果 Low Power 節(jié)點(diǎn)沒有足夠的電量來監(jiān)聽 5 秒，那么它必須通過至少每 96 小時(shí)輪詢一次它的 Friend 節(jié)點(diǎn)來保持與當(dāng)前 IV 索引的最新狀態(tài)。
節(jié)點(diǎn)在 192 小時(shí)內(nèi)不得執(zhí)行超過一次的 IV 索引恢復(fù)。

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