低功耗藍芽在物聯網中的應用
什麼是BLE mesh
BLE mesh於2017年07月釋出V1.0版本。BLE即是低功耗藍芽，在Bluetooth 4.0時提出。有別於早期2000年釋出的藍芽版本1.0-3.0（一般叫BR/EDR經典藍芽）在經過1.0到3.0的幾個版本迭代後，資料傳輸速率上有比較大的提升，目前的應用領域主要有藍芽音箱和耳機，以及藍芽滑鼠和鍵盤等，功耗相對較高。BR/EDR是典型的“點對點”的通訊方式，主要用於替換近距離的有線資料傳輸。
在2010年SIG釋出了低功耗藍芽BLE。BLE和BR/EDR經典藍芽的區別相當大，兩者通訊上不相容，因此BLE出來時也催生了藍芽的“雙模”這樣的說法，一個藍芽裝置如果同時支援BR/EDR和BLE，就是雙模藍芽。BLE的資料速率對於經典藍芽而言有所降低，但是功耗極低。BLE迎合了現在的一些嵌入式裝置、電腦周邊裝置等低功耗的需求，目前主要用於一些電池供電的嵌入式裝置，常見的有藍芽遙控器、心率監測、藍芽手錶、手環等。應用場景如行動式手機、平板，健康領域，智慧家庭領域以及穿戴領域。
BLE支援星型網路拓撲，即中心節點可以連線多個外圍節點角色的裝置。當然，實際的中心節點能夠連線的外設的個數很有限。首先是因為中心節點的記憶體有限，每增加一條鏈路，其協議棧所耗費的記憶體就會增加不少。更為關鍵的是，RF的鏈路維持，BLE是以connection interval為基礎，Master(中心節點)和Slave（外圍節點）不斷的同步來保持鏈路的，而星型拓撲，隨著連線的Peripheral數量增加，其實分到每一個Peripheral的interval是非常小的，而且Master要處理好所有Peripheral鏈路的保持，不至於衝突，又不至於掉線。當然BLE的廣播也可以支援一對多的通訊，這個技術應當就是BLE mesh的基礎了。
BLE mesh就是基於上面的BLE的網路拓撲的限制而提出的，可以支援“多對多”。因此BLE mesh被設計用於大規模節點互相通訊的網路支援的特性。其應用目標場景是比如樓宇自動化、感測器網路、以及更多的IoT應用。BLE mesh並非新的協議技術，它基於BLE技術，只是規範了上層的網路層應用，使之支援多對多的應用場景。
BLE mesh的工作方式
BLE mesh的目標是可信安全的網路，全部的互通操作性，成熟的生態，滿足工業級別的應用，支援大規模節點數量的組網。BLE mesh的工作方式是”managed flood”–有管理的泛洪訊息傳播。泛洪的方式使訊息的傳播非常可靠，易於擴充套件，且效能滿足商業與工業市場。
BLE mesh的期望是更多場景下的Beacon應用，機器人，工廠自動化，能源管理，智慧城市以及更多IoT以及製造業的解決方案。
BLE mesh的可能未來
根據ABI調查預期，2021年將會有48 billion的聯網裝置，其中1/3將是藍芽裝置。SIG期望BLE mesh能在商業照明和工廠應用中，能產生大的影響，並且能夠成為IoT生態的一種普遍使用的技術。
當然，目前而言，BLE mesh還只是剛剛起步。
BLE Mesh主要需要解決的應用場景的特點是：
l 大範圍的覆蓋能力
l 拿來即可使用-很強的互操作性
l 對大規模節點裝置的監測與控制能力
l 儘可能優化的低功耗能力
l 射頻資源的有效利用，可擴充套件性強
l 與目前的智慧手機、平板、PC產品相容
l 工業標準級別、政府級別的安全性
上面的大範圍的覆蓋能力，是通過mesh網路的relay(中繼)功能來實現的，即在mesh網路中，訊息可以被臨近的節點relay出去，這樣經過多跳之後，訊息再到達目標節點。因此傳輸覆蓋能力，指的是在mesh網路覆蓋的範圍內，通過其網路內部的節點的relay去實現，同時也可以解決點對點的BLE通訊時的遇到障礙物會通訊不暢的問題。
同時relay也引出了mesh網路的“Managed Flooding”，就是訊息會以泛洪方式傳播，只要relay節點收到訊息，那麼它就會將訊息廣播給其周圍的節點。Flooding的方式是不需要有中心節點去協調的（如Zigbee就有router和coordinator），因此並不會去選擇最優路徑去傳播，而是訊息可能通過許多條路徑先後到達……於是，這同時也為Flooding的網路帶來了問題，訊息其實傳輸一次併成功即可，這種方式會有太多的冗餘的傳輸，造成能量的消耗和網路資料的阻塞。
因此“Managed Flooding”也在一定程度上，針對以上的問題進行優化。其一就是TTL值，使訊息最多能傳播TTL跳，其次是Heartbeat訊息，此訊息包含了使網路瞭解其拓撲，使裝置能將TTL設定為一個最優的值。最後是cache訊息，即裝置上次relay過的同樣的訊息過來，會直接忽略。
儘可能優化的低功耗能力，這個是通過mesh裡面的Low Power Node來實現的，Low Power Node不是單獨存在，而是需要搭配Friend Node存在的，形成“Friendship”關係。即Low Power Node是可以儘量低功耗的休眠的，但Friend Node是不能長時間休眠的，它需要幫Low Power Node去cache一些資訊。
與目前的智慧手機、平板、PC產品相容這一點，其實是通過BLE的GATT來實現。mesh裡面實現了一種Proxy的Node，可以將GATT資料轉為廣播資料，這樣使原來的BLE裝置能夠和Proxy Node建立連線，然後通過Proxy Node去和mesh網路溝通。
mesh尤為注重工業標準級別、政府級別的安全性，比如重放攻擊是通過sequence number來防範，中間人攻擊是通過在關鍵步驟（Provision）使用非對稱加密方式來防範，垃圾桶攻擊是通過金鑰更新來防範。
BLE mesh目前的預期還是樓宇自動化、商用燈具、感測器網路。這些應用其實也是mesh平臺，比如樓宇的mesh燈具，既可以通過mesh網路靈活控制，同時又是樓宇裡面的mesh網路平臺，可以以此為基礎構建資產跟蹤與定位應用等等。