在上一篇文章中從藍(lán)牙發(fā)展的歷史和藍(lán)牙各個(gè)版本的功能，和技術(shù)衍變，講到藍(lán)牙m(xù)esh從哪來(lái)，將要到哪去。了解BLE更新迭代的歷史，有助于理解為什么在mesh中要大力解決安全性問(wèn)題，為什么要加入那么多復(fù)雜的加密和安全性的保障措施，就能更容易理解為什么整個(gè)藍(lán)牙m(xù)esh要這么設(shè)計(jì)。再總結(jié)一下：從哪來(lái)，到哪去，將要干什么？從藍(lán)牙BLE4.0中來(lái)，將會(huì)在藍(lán)牙5.0技術(shù)中成長(zhǎng)，藍(lán)牙m(xù)esh已經(jīng)是目前萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代重要的組成部分，與AI結(jié)合的智能音箱是目前萬(wàn)物互聯(lián)的最佳方案。它是BLE4.0后時(shí)代的產(chǎn)物，是未來(lái)技術(shù)發(fā)展潮流和趨勢(shì)。
在這一篇中講的是，我是誰(shuí)，我在哪？什么是藍(lán)牙m(xù)esh，目前藍(lán)牙m(xù)esh在技術(shù)方向上發(fā)展到什么程度。
藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)是用于建立多對(duì)多設(shè)備通信的低能耗藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。允許創(chuàng)建基于多個(gè)設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)可以包含數(shù)十臺(tái)，數(shù)百甚至數(shù)千臺(tái)藍(lán)牙Mesh設(shè)備，設(shè)備之間可以相互進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳遞，這樣應(yīng)用形態(tài)為樓宇自動(dòng)化，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，資產(chǎn)跟蹤和其他解決方案提供了理想的選擇。
藍(lán)牙m(xù)esh 的基本概念
通常在BLE4.0中，設(shè)備與手機(jī)端APP建立連接的方式，是通過(guò)設(shè)備作為從機(jī)，像四周發(fā)送電磁波，藍(lán)牙廣播的方式告知自己的存在。這其中有兩個(gè)技術(shù)過(guò)程，廣播（AD）和連接（GATT），藍(lán)牙m(xù)esh正是基于這兩個(gè)核心，來(lái)擴(kuò)展的。這也是為什么說(shuō)藍(lán)牙m(xù)esh 誕生于藍(lán)牙4.0。（可能會(huì)有人說(shuō)藍(lán)牙m(xù)esh是基于廣播，但是我覺得這個(gè)說(shuō)法不夠準(zhǔn)確）
節(jié)點(diǎn)和設(shè)備
- 在藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中，我們通常把還未加入藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備叫做未配網(wǎng)設(shè)備（Unprovisioned Device）。
- 未配網(wǎng)設(shè)備在加入到一個(gè)mesh網(wǎng)絡(luò)之后就被稱為節(jié)點(diǎn)（Node）。
- 把一個(gè)未配網(wǎng)設(shè)備加入藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)變成節(jié)點(diǎn)的過(guò)程叫做配網(wǎng)過(guò)程（Provisioning）。
- 配網(wǎng)器（Provisioner）在Nodic文檔中是一句闡述用途的話，沒有給出具體的定義。A Provisioner is used to manage the transitions between an unprovisioned device and a node.從廣義上講，配網(wǎng)器是設(shè)備，比如手機(jī)，平板，電腦。但實(shí)際上是應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)配網(wǎng)流程。如果非要給一個(gè)定義的話，這句話可能更適合一點(diǎn)：配網(wǎng)過(guò)程一般由產(chǎn)品制造商提供的應(yīng)用程序完成，運(yùn)行這個(gè)應(yīng)用程序的設(shè)備被稱為配網(wǎng)器。
廣播和洪泛
在藍(lán)牙m(xù)esh中，節(jié)點(diǎn)間傳遞消息的方式是通過(guò)低功耗藍(lán)牙廣播報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這是一種基于洪泛（Managed-flooding）的信息傳遞機(jī)制，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)要給另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送消息時(shí)，它會(huì)廣播一條消息，所有收到這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)都接收和處理這條消息。如果開啟了節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)功能，那么消息可以到達(dá)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的任何地方。這就是藍(lán)牙m(xù)esh的實(shí)現(xiàn)原理。
藍(lán)牙m(xù)esh的這個(gè)原理是把雙刃劍。我們藍(lán)牙廣播是向所有方向上發(fā)送電磁波的，不會(huì)像紅外遙控那樣指定方向。如果是藍(lán)牙5.0設(shè)備，理論上300米范圍內(nèi)的所有設(shè)備都會(huì)收到這個(gè)消息，如果網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)都將消息轉(zhuǎn)發(fā)，那么每個(gè)節(jié)點(diǎn)300米范圍內(nèi)的又會(huì)收到這個(gè)消息并轉(zhuǎn)發(fā)，一個(gè)消息就會(huì)無(wú)數(shù)次來(lái)回轉(zhuǎn)發(fā)，而且消息永遠(yuǎn)不會(huì)停止，這種情況就是網(wǎng)絡(luò)的消息泛濫。
這種情況當(dāng)然是不能接受的，藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)也不可能這么差勁，SIG也不可能設(shè)計(jì)出這種東西來(lái)。針對(duì)這個(gè)情況，藍(lán)牙m(xù)esh 采用兩個(gè)做法：消息緩存（Message Cache）和TTL（Time To Live，消息壽命），來(lái)避免消息被無(wú)限制轉(zhuǎn)發(fā)下去。是不是感覺很熟悉，這兩個(gè)玩意在網(wǎng)絡(luò)路由器的處理方式一樣，這說(shuō)明不同技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景都差不多，掌握一種技術(shù)，同樣可以使用到另外一個(gè)場(chǎng)景下。
消息緩存隊(duì)列和TTL是如何解決問(wèn)題？在節(jié)點(diǎn)收到后，會(huì)在消息緩存隊(duì)列中查找是否存在這個(gè)消息，如果存在，則直接過(guò)濾掉這條消息，什么都不做。如果不存在，則判斷TTL的值是否需要處理。如果消息緩存隊(duì)列和TTL的值都通過(guò)了，則進(jìn)入真正的處理流程，然后再判斷是否需要轉(zhuǎn)發(fā)。如果一個(gè)消息處理后，就會(huì)把處理的消息放到消息緩存隊(duì)列，以便下次收到消息的時(shí)候做比對(duì)，消息緩存隊(duì)列也不是無(wú)限大，是一個(gè)環(huán)形隊(duì)列，如果超過(guò)我們?cè)O(shè)置的大小，則會(huì)把最久的那邊消息覆蓋。TTL是一個(gè)0~127的整數(shù)，這個(gè)值代表這一個(gè)消息能轉(zhuǎn)發(fā)的次數(shù)，如果一個(gè)消息處理后，在轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候，TTL的值會(huì)減一，減小到0后，這個(gè)消息就不會(huì)被節(jié)點(diǎn)處理。
那你肯定又有一個(gè)疑問(wèn)，可以不發(fā)給不需要處理的節(jié)點(diǎn)嗎？如果只發(fā)給需要處理這個(gè)消息的節(jié)點(diǎn)，或者只經(jīng)過(guò)最優(yōu)路線達(dá)到最終的處理節(jié)點(diǎn)，這樣就非常完美。很遺憾，這是無(wú)法做到的，畢竟設(shè)備沒有像人智能。所以對(duì)技術(shù)人員的水平是有一定要求的，在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)候，如果搭建比較好的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景把節(jié)點(diǎn)放在比較好的位置，能減少無(wú)效消息的轉(zhuǎn)發(fā)，減少資源的浪費(fèi)。對(duì)于這個(gè)課題，目前Bluetooth SIG也在想辦法進(jìn)行優(yōu)化，是否加入路由機(jī)制，或者是其他更好的辦法。
藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>
如果在這里不講一下網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，那么上面的?nèi)容對(duì)新接觸的朋友來(lái)說(shuō)可能半知半解。
這個(gè)圖片出自2019年1月21號(hào)Sig董事會(huì)（Bluetooth SIG Board of Directors）發(fā)布的最新版MshPRFV1.0.1版本。網(wǎng)上這張圖被大量引用，因?yàn)榇_實(shí)非常經(jīng)典。
為什么說(shuō)它經(jīng)典？在回答這個(gè)問(wèn)題之前，需要講圖中各種符號(hào)和標(biāo)注的含義。前面提到過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)只是藍(lán)牙m(xù)esh中設(shè)備功能的一種。未來(lái)隨著藍(lán)牙m(xù)esh的發(fā)展，肯定會(huì)新增其他功能，但就目前來(lái)說(shuō)，是4大功能：
- 轉(zhuǎn)發(fā)功能：收到一條消息后將其轉(zhuǎn)發(fā)出去，這樣可以擴(kuò)大mesh網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，支持轉(zhuǎn)發(fā)的節(jié)點(diǎn)被稱為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)（Relay Node）。中繼節(jié)點(diǎn)一直是"醒著的"，對(duì)比低功耗的設(shè)備隔一段時(shí)間做一次數(shù)據(jù)交互的方式，中繼節(jié)點(diǎn)肯定功耗略高，但是大多數(shù)實(shí)際場(chǎng)景中中繼節(jié)點(diǎn)根本不需要考慮功耗問(wèn)題。
- 代理功能：為了兼容舊的不支持藍(lán)牙m(xù)esh廣播包傳播的設(shè)備（比如手機(jī)），具備代理功能的設(shè)備可以與舊設(shè)備建立低功耗藍(lán)牙GATT連接，在mesh廣播數(shù)據(jù)包和mesh GATT連接數(shù)據(jù)包之間轉(zhuǎn)換，支持代理功能的節(jié)點(diǎn)被稱為代理節(jié)點(diǎn)(Proxy Node)。（如果暫時(shí)對(duì)手機(jī)不支持BLE廣播包傳輸這句話不理解的朋友，我會(huì)在后面的文章中給出解釋）
- 低功耗功能：能夠有效降低設(shè)備工作時(shí)間占空比的功能，讓mesh設(shè)備做到可以使用電池供電，需要與朋友功能配合使用。支持低功耗功能的節(jié)點(diǎn)被稱為低功耗節(jié)點(diǎn)（ Low Power Node）。
- 朋友功能：幫助其他支持低功耗功能的節(jié)點(diǎn)緩存信息，讓支持低功耗功能的節(jié)點(diǎn)能在低功耗狀態(tài)下工作，支持朋友功能的節(jié)點(diǎn)被稱為朋友節(jié)點(diǎn)(Friend node)。
節(jié)點(diǎn)可以支持以上4種功能中的一種或者多種，每個(gè)功能都可以設(shè)置成開啟或者關(guān)閉，可以通過(guò)APP去修改這些值。
有了這些基本概念，再看那張圖，圖中中繼節(jié)點(diǎn)有Q、R、S，低功耗節(jié)點(diǎn)有I、J、K、L、M和朋友節(jié)點(diǎn)N、O、P。N節(jié)點(diǎn)沒有連接低功耗節(jié)點(diǎn)，S節(jié)點(diǎn)通過(guò)GATT連接了T節(jié)點(diǎn)。S節(jié)點(diǎn)必須將藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中收到的所有廣播包轉(zhuǎn)換成GATT數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給T節(jié)點(diǎn)，所以S節(jié)點(diǎn)也是代理節(jié)點(diǎn)。有箭頭代表節(jié)點(diǎn)之間的信息可達(dá)。這里要說(shuō)明一下，配網(wǎng)器也是一個(gè)節(jié)點(diǎn)。
當(dāng)節(jié)點(diǎn)A想要發(fā)數(shù)據(jù)給節(jié)點(diǎn)T的時(shí)候，數(shù)據(jù)流是這樣的：A廣播一條消息a出來(lái)，目標(biāo)地址是T的地址，節(jié)點(diǎn)B、P、Q收到了消息a，檢查發(fā)現(xiàn)目標(biāo)地址是T，則B、P節(jié)點(diǎn)丟棄了這條消息（因?yàn)椴痪邆滢D(zhuǎn)發(fā)功能），而節(jié)點(diǎn)Q轉(zhuǎn)發(fā)了這條消息a，轉(zhuǎn)發(fā)的消息a被節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、R、P收到后，除了R之外其他節(jié)點(diǎn)都丟棄了消息a，節(jié)點(diǎn)R轉(zhuǎn)發(fā)了消息a，節(jié)點(diǎn)E、N、S、H收到消息a后，E、N、H節(jié)點(diǎn)都丟棄了消息a，S節(jié)點(diǎn)消息將消息a發(fā)給T節(jié)點(diǎn)。
這個(gè)圖說(shuō)它是經(jīng)典，作為教學(xué)把藍(lán)牙m(xù)esh的優(yōu)勢(shì)和處理邏輯講的淋漓盡致，但是如果要是這樣去布置mesh網(wǎng)絡(luò)，那就存在風(fēng)險(xiǎn)了，如果圖中R節(jié)點(diǎn)設(shè)備沒電停機(jī)了，那整個(gè)網(wǎng)絡(luò)裂開成兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)了。
看完這個(gè)文章，再結(jié)合廣播和洪泛中講到的場(chǎng)景。應(yīng)該知道怎么搭建一個(gè)比較靠譜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌Y(jié)合使用的節(jié)點(diǎn)的實(shí)際傳輸距離，考慮到某個(gè)節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生異常的情況，如果室外，考慮好雨天對(duì)信號(hào)的影響，或者是其他一些特殊場(chǎng)景，不要按理論值去布置節(jié)點(diǎn)，布置一個(gè)mesh的第一件事是確定節(jié)點(diǎn)在實(shí)際場(chǎng)景中的實(shí)際傳輸距離。
