《電子技術(shù)應(yīng)用》
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藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò):走進(jìn)數(shù)據(jù)包

2018-03-13
作者:Szymon Slupik

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  有很多理由能夠說(shuō)服我們,藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò) 將成為最成功的低功耗物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

  其1.0版本大幅超出了所有人的預(yù)期。它具備所有的基本要素,包括極度深入且靈活的應(yīng)用層(詳見mesh模型與mesh設(shè)備屬性規(guī)格)。它將改變我們周圍事物的通信方式,在此之前,讓我們先看看到底是什么讓這一全新的全球化技術(shù)具有如此革命性的意義。

  藍(lán)牙m(xù)esh涉及了許多新穎而獨(dú)特的概念,但其主要資產(chǎn)在于數(shù)據(jù)包,這也是它的一個(gè)差異化因素。它非常緊湊,這種緊湊性有助于確保藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的頻譜效率和吞吐量。

  走進(jìn)數(shù)據(jù)包

  藍(lán)牙m(xù)esh是首個(gè)能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)之巨大期望的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。

  無(wú)線電是一種共享型媒介,而沖突就是其需要解決的主要問(wèn)題之一。這很簡(jiǎn)單:更短小的數(shù)據(jù)包就會(huì)意味著更少的沖突。但是能做到多么短小呢?答案就在mesh配置文件規(guī)格 3.4.4節(jié):最多29個(gè)字節(jié)。

  當(dāng)然,這樣的設(shè)計(jì)也是從基礎(chǔ)開始的:壓縮的二進(jìn)制有效載荷,而非文本表示。覆蓋廣泛的用例(包括互聯(lián)照明、樓宇自動(dòng)化和傳感器),應(yīng)用程序有效載荷的11個(gè)字節(jié)看起來(lái)也正合適。操作碼為1-2個(gè)字節(jié),參數(shù)最多為10個(gè)字節(jié),參數(shù)包括傳感器的測(cè)量值、或具有轉(zhuǎn)換時(shí)間的多維照明(亮度、色調(diào)、飽和度)。

  安全與控制

  除此以外,有兩個(gè)項(xiàng)目可能被視為額外但是必要的負(fù)擔(dān):尋址/傳輸控制(SRC、DST、CTL + TTL:共5個(gè)字節(jié))和安全性(IVI + NID、SEQ 、AppMIC和NetMIC)。

  IVI + NID為1個(gè)字節(jié)。這一字節(jié)有助于識(shí)別網(wǎng)絡(luò)(這是否為我所知、并擁有密鑰可與之交互的網(wǎng)絡(luò)?)。SEQ是3個(gè)字節(jié),連同緩慢傳輸?shù)腎V索引這一獨(dú)特的概念,形成了一個(gè)7字節(jié)長(zhǎng)的序列號(hào)。在mesh網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都根據(jù)給定的SRC地址,具有唯一的序列號(hào)。這里的智能之處在于空中接口數(shù)據(jù)包中僅包含3個(gè)字節(jié)。其余的4個(gè)字節(jié)變化緩慢,并且被網(wǎng)絡(luò)所知曉。

  序列的必要性體現(xiàn)在兩個(gè)方面:檢測(cè)中繼數(shù)據(jù)包(非常小規(guī)模的安全攻擊),同時(shí)也是作為當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序的關(guān)鍵組成部分 - 參見上述規(guī)格 的第3.8.5節(jié)。

  信息完整性檢查

  MIC(消息完整性檢查)定義了系統(tǒng)的安全級(jí)別。藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)具有雙層安全保護(hù)--網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。消息可以通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的密鑰來(lái)進(jìn)行保護(hù)。這對(duì)于中繼節(jié)點(diǎn)是有用的,能讓其在網(wǎng)絡(luò)層上對(duì)消息進(jìn)行認(rèn)證,但卻無(wú)法篡改應(yīng)用有效載荷。將信息中繼到門鎖的燈泡無(wú)法將有效載荷從打開改變?yōu)殛P(guān)閉,而只能檢查數(shù)據(jù)包是否屬于它自己所在的網(wǎng)絡(luò)。

  網(wǎng)絡(luò)層MIC可為8或4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)。當(dāng)其為較短的形式時(shí),它與應(yīng)用層MIC結(jié)合,仍可為8或4個(gè)字節(jié)長(zhǎng)。最終的結(jié)果是應(yīng)用程序的有效載荷具有強(qiáng)大安全性、以及靈活的尋址能力,足以滿足幾乎所有樓宇自動(dòng)化、照明控制和傳感器應(yīng)用程序所需。

  而這一切都存在于非常緊湊的外形中。結(jié)合低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy)提供的調(diào)制方案,它也是“身輕如燕”,且包括了所有必要的無(wú)線接口字段,如前導(dǎo)碼、訪問(wèn)地址和CRC,總共為47個(gè)八位字節(jié)。結(jié)果上,單一頻率上的單次傳輸時(shí)間少于400μs。相較于當(dāng)前其他無(wú)線技術(shù),其傳輸類似消息所需的時(shí)間要少10倍。當(dāng)采用藍(lán)牙5引入的全新2M PHY時(shí),這一優(yōu)勢(shì)還可能會(huì)翻倍。

  頻譜效率

  任何無(wú)線系統(tǒng)的成功從根本上都有賴于頻譜效率。這就像一架客機(jī)的成功從根本上有賴于其燃油效率一樣。談到低功耗、超短消息等,藍(lán)牙m(xù)esh比其他無(wú)線解決方案強(qiáng)出一個(gè)數(shù)量級(jí)。就數(shù)據(jù)傳輸而言,這是首個(gè)能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代巨大期望的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。


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