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藍牙Mesh:構(gòu)想全新的應(yīng)用領(lǐng)域

作者:Kerstin Wagner 儒卓力(Rutronik)無線產(chǎn)品銷售經(jīng)理 時間:2019-01-29 來源:電子產(chǎn)品世界 收藏

  Mesh技術(shù)允許多個藍牙設(shè)備連接在一起從而形成一個大型網(wǎng)絡(luò),以節(jié)能和安全的方式實現(xiàn)遠距離橋接。通過在安全性、可靠性和可擴展性方面滿足行業(yè)標準,技術(shù)可以實現(xiàn)全新的應(yīng)用場景。

本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/201901/397259.htm

  藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)在2000年推出了無線數(shù)據(jù)傳輸標準:藍牙基本速率(BR)/增強數(shù)據(jù)速率(EDR)。2010年,通過低功耗藍牙(BLE)定義進一步提升了其標準,使得低功耗的數(shù)據(jù)傳輸成為可能。

  業(yè)界對這種無線通信技術(shù)的需求很高,其中一個原因是預(yù)期到這種技術(shù)將會進一步改進和發(fā)展。BLE的成功,首先在于它的功耗非常低。但是BLE協(xié)議也有其缺點。只有三種類型的通信是可能的(圖2):在兩個單獨的設(shè)備之間(點對點通信,雙向1:1)、在一個設(shè)備和其他多個設(shè)備之間(一對多通信,雙向,1:m) ),或者一個設(shè)備把數(shù)據(jù)連續(xù)發(fā)送到環(huán)境中,而沒有特定收件人(廣播通信)的通信。在廣播時,環(huán)境中的所有BLE設(shè)備都可以接收數(shù)據(jù)但無法響應(yīng)。這些網(wǎng)絡(luò)拓撲的缺點是,如果把數(shù)據(jù)傳輸出來的主站(星型配置,中心角色)失效,整個網(wǎng)絡(luò)則會失效。

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  1 完美的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

  2017年7月推出了可選的藍牙m(xù)esh,這是一種基于低功耗藍牙通信協(xié)議并且進一步改進的無線通信技術(shù)。通過使用藍牙m(xù)esh,可以在大型物理區(qū)域內(nèi)建立一個由多對多連接組成且多達32 000個參與者的大型網(wǎng)絡(luò)(m:m,圖3)。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備不在接收器的直接無線電傳輸范圍內(nèi),傳輸仍然有效。此外,藍牙m(xù)esh 1.0網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持來自不同供應(yīng)商的設(shè)備之間的通信,這是先前的專利解決方案無法實現(xiàn)的,例如CSRmeshTM。它尚有更多優(yōu)勢,就是穩(wěn)健且安全的數(shù)據(jù)傳輸,以及非常高的能量效率。

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  這些功能使藍牙m(xù)esh成為許多應(yīng)用領(lǐng)域的完美網(wǎng)絡(luò)技術(shù),例如樓宇自動化、傳感器網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)制造或貨物跟蹤。一般而言,藍牙m(xù)esh適用于需要在多個設(shè)備之間進行最少數(shù)據(jù)通信的所有應(yīng)用。

  2 藍牙m(xù)esh是如何工作的

  藍牙m(xù)esh與消息傳遞系統(tǒng)一起工作,根據(jù)發(fā)布和訂閱原則分發(fā)消息。將消息發(fā)送到具有特定地址的設(shè)備稱為發(fā)布。訂閱是為設(shè)備分配特定地址的設(shè)備配置。然后,這臺設(shè)備只能接收到發(fā)送到特定地址的消息。示例:大廳照明安裝有藍牙m(xù)esh,所有燈泡都配置為接收“大廳照明”訂閱,如果通過BT mesh開關(guān)將“開”消息發(fā)送到“大廳照明”地址,系統(tǒng)就會打開所有訂閱了“大廳照明”的燈泡。

  藍牙m(xù)esh中的數(shù)據(jù)傳輸稱為“泛洪(flooding)”,這意味著通過整個網(wǎng)絡(luò)把消息發(fā)到從站(接收器)的過程中沒有特殊的路由。消息將發(fā)送到范圍內(nèi)的所有設(shè)備,然后轉(zhuǎn)發(fā),直到它到達正確的從站。

  由于網(wǎng)絡(luò)參與者數(shù)量密集,因此可以克服先前需要使用較慢且未全局標準化的1 GHz以下技術(shù)的障礙。即使發(fā)送初始消息的設(shè)備(主設(shè)備)不在無線電傳輸?shù)姆秶鷥?nèi),該消息仍然可到達正確的從設(shè)備。如果參與者密度已經(jīng)使得網(wǎng)絡(luò)足夠狹窄,連接也可以得到冗余的保證,這就是即使單個參與者不再用作中繼,數(shù)據(jù)仍然可以找到其目的地的原因。這種自我修復(fù)功能使藍牙m(xù)esh成為最可靠的網(wǎng)絡(luò)之一,并確保其首次在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。

  藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備稱為節(jié)點,共有四種不同類型的節(jié)點,除了發(fā)送和接收,還提供如下其他功能。

  ?中繼節(jié)點:它們將收到的消息轉(zhuǎn)發(fā)到下一個設(shè)備,消息傳輸功能使用所謂的“跳躍”,藍牙m(xù)esh最多支持127次跳躍。

  ?低功耗節(jié)點:某些設(shè)備(如傳感器)要求非常節(jié)能,低功率節(jié)點與稱為“朋友”的一個或多個其他節(jié)點一起工作。

  ?朋友節(jié)點:這里有足夠的能量,例如:通過連接到主電源。這些朋友節(jié)點與低功率節(jié)點一起工作。朋友節(jié)點僅在低功率節(jié)點請求時為它們存儲并轉(zhuǎn)發(fā)消息。

  ?代理節(jié)點:它們?yōu)闆]有藍牙m(xù)esh堆棧的BLE設(shè)備提供GATT(通用屬性配置文件)接口,這還可以實現(xiàn)BLE mesh和普通BLE節(jié)點之間的通信。

  在OSI層模型的接入層內(nèi),可以確定在接收到消息之后是否應(yīng)該將確認信號(確認)發(fā)送回主設(shè)備。

  3 藍牙m(xù)esh是否安全

  建立具有許多設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò),會給安全數(shù)據(jù)傳輸帶來巨大的風險。因此,在開發(fā)藍牙m(xù)esh時,安全性是首要任務(wù)。為此,藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)概述了嚴格的規(guī)范。藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全功能都是強制性的。

  但是,由以色列理工學(xué)院(Israel Institute of Technology)的研究人員發(fā)現(xiàn)的藍牙安全簡單配對和BLE安全連接中的安全漏洞也會影響藍牙m(xù)esh,因為它是基于BLE堆棧的。某些受影響產(chǎn)品的供應(yīng)商已提供固件更新或正在解決此問題。儒卓力匯編了產(chǎn)品目錄中受影響藍牙產(chǎn)品的概述,以記錄可能的固件更新狀態(tài):rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status。

  關(guān)鍵的安全功能如下。

  ?加密和身份驗證:所有藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)消息都經(jīng)過加密和身份驗證。

  ?關(guān)注點分離:藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中有三個不同的安全方面:應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備安全性,它們彼此獨立處理并擁有自己的安全密匙:

  ①應(yīng)用程序密匙(AppKey):這保護與特定應(yīng)用程序有關(guān)的數(shù)據(jù),例如照明或攝像頭。

 ?、诰W(wǎng)絡(luò)密匙(NetKey):網(wǎng)絡(luò)密鑰適用于網(wǎng)絡(luò)中的所有設(shè)備,從而確保安全的數(shù)據(jù)傳輸。

  ③設(shè)備密匙(DevKey):每個節(jié)點都有一個唯一的設(shè)備密鑰,這個安全密鑰可用于將設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中。

  ?區(qū)域隔離:藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)分為許多個子網(wǎng),這些子網(wǎng)在加密方面各不相同,并且每個子網(wǎng)都是安全的。

  ?密匙刷新:在密匙刷新過程中,可以更改藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中的所有安全密匙。

  ?消息模糊處理:此數(shù)據(jù)隱私機制使得跟蹤網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點變得極其困難,因此幾乎不可能跟蹤發(fā)送的消息。

  ?重放攻擊保護:安全功能可保護網(wǎng)絡(luò)免受重放攻擊(身份盜用:先前收集的數(shù)據(jù)用于身份驗證和接入控制)。

  ?垃圾桶攻擊防護:可以通過防止垃圾桶攻擊(從無效節(jié)點讀取重要的網(wǎng)絡(luò)信息)的方式,安全地從網(wǎng)絡(luò)中刪除節(jié)點。

  ?安全設(shè)備配置:可以在安全的過程中將新節(jié)點添加到藍牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)中。

  4 結(jié)論

  所有這些廣泛的安全功能,使藍牙m(xù)esh成為需要在多個設(shè)備之間低數(shù)據(jù)速率通信的應(yīng)用的理想解決方案。而且,藍牙m(xù)esh適用于新的應(yīng)用領(lǐng)域,比如預(yù)測性維護或智能農(nóng)業(yè)/農(nóng)業(yè)。在裝配線中實施無線傳感器mesh網(wǎng)絡(luò)可以在機器發(fā)生故障之前及時向維護人員發(fā)出警告?;蛘?,通過在農(nóng)業(yè)中使用mesh網(wǎng)絡(luò),土壤和空氣濕度或溫度等數(shù)據(jù)可以直接傳輸?shù)街悄苁謾C,而無需網(wǎng)關(guān)。藍牙m(xù)esh技術(shù)還可以更有效地使用水和肥料,減少農(nóng)藥的使用:只有在測量值低于某一限值時才采取適當?shù)拇胧?。在智能家居領(lǐng)域,燈可以配備傳感器,當有人在附近時進行注冊,確保僅在這種情況下燈才會打開。藍牙m(xù)esh甚至可以用于體育活動:運動員鞋中集成的傳感器可以記錄運動性能數(shù)據(jù),然后通過藍牙m(xù)esh主裝置從一名運動員傳輸?shù)较乱幻\動員,直到這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇叹毺?,隨后教練可以評估數(shù)據(jù)。

  另一個優(yōu)點:實際環(huán)境對于BLE mesh技術(shù)并不重要。由于mesh規(guī)格1.0及更高版本完全滿足工業(yè)要求,因此可以想象到無數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域:無論是在醫(yī)院、工廠、辦公室、大學(xué)還是私人住宅中。藍牙m(xù)esh非常值得業(yè)界關(guān)注,因為大量設(shè)備之間安全、穩(wěn)健的無線通信,能夠用于實現(xiàn)各種嶄新應(yīng)用。

本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第2期第15頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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