公开课第59期笔记｜泰凌微电子商其法：蓝牙Mesh，技术创新拓展物联网应用生态新边界

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集微网消息，在万物互联的数字化时代，物联网技术的“使能”意义正不断凸显，而随着千行百业数字化转型的不断深入，传统物联网技术也需要与时俱进，进一步实现各项物联网功能的拓展。

2017年，蓝牙技术联盟（SIG）推出了蓝牙Mesh网络标准，采用去中心化的网状网络连接方式，使蓝牙设备的连接距离和传输容量空前扩展，全新的特性也使蓝牙Mesh一经问世就迅速得到业界关注，成为物联网技术与应用的热点领域。

12月15日下午14：00，第五十九期“集微公开课”正式上线，特邀泰凌微电子（上海）股份有限公司（下称泰凌微电子）资深开发工程师商其法，为大家分享主题为”泰凌微电子SIG MESH解决方案介绍”的在线直播讲解，分享蓝牙Mesh技术知识，并了解泰凌微电子SIG MESH解决方案增加的一些新特性。

方兴未艾的蓝牙Mesh标准

商其法指出，低功耗蓝牙连接传统上基于GATT协议，如手机扫描到节点发送的广播包并建立GATT连接，可以进行点对点收发数据，侧重单节点控制与交互。

而随着智能设备的逐渐普及，IoT应用越来越复杂，相对于点对点连接，组网功能需要进一步拓展，基于BLE广播模式的多对多网状网络-蓝牙Mesh解决方案应运而生。

目前，蓝牙Mesh已经在智能家居、楼宇自动化、智能安防、无线传感器网络等市场得到广泛应用。以楼宇自动化为例，蓝牙Mesh可以实现跨越多个楼层的智能设备组网，提供低成本的灯控解决方案。

商其法还展望了蓝牙Mesh的一系列创新应用场景，如车库停车系统、充电桩系统、共享单车，乃至拓展对讲机通讯模式实现语音传输。随着不久之后蓝牙Mesh V1.1规范的推出，预计将支持更多创新互联网功能。

在商其法看来，蓝牙Mesh带来了诸多全新技术特性，如：

方便性：手机自带蓝牙，能方便的和蓝牙设备互动，且蓝牙低功耗，能够长时间待机。

自管理：在保证无线通讯可靠的距离内，节点可以随意移动位置，断电上电，网络都可以正常运行，节点上电后也能立即收发命令。

易维护：控制节点只需关心目的地址，不关心如何到达，也就是不需要维护路径。

控制命令少：单节点控制和多节点控制都只需要发送一条命令。

自防御：Mesh网络在抵抗网络入侵方面有很多加密算法，能够抵御黑客的多种入侵手段。

自修复：Mesh有很多不同的节点，如果某个节点有故障，其他的节点就会把坏的节点工作任务分担过去，保证网络的运行。

可扩展，互联互通：蓝牙Mesh技术具有可扩展、可靠以及安全性强等特点。蓝牙Mesh技术可以全球互通，确保不同品牌的产品能够互相协同工作。

随后，商其法以一个典型的手机、遥控器、灯具网络为例，形象展示了Mesh网络拓扑结构特点，中心设备仅需连接一个节点，就可以通过中转控制整个网络中设备，减少对手机接收窗口的占用，如果再进一步引入支持蓝牙Mesh的路由器，可进一步实现智能设备通过云端远程控制蓝牙设备。

值得一提的是，目前多个近距连接技术标准也均在致力于推广网状网络标准，不过与蓝牙Mesh这样的全栈解决方案相比存在不同程度的局限性，如Zigbee侧重路由，需要网关，不支持和手机直接通讯；WiFi Mesh节点个数有限制，功耗较高，更适合插电设备使用。

蓝牙Mesh组网机制解析

在简要回顾蓝牙Mesh发展后，商其法进一步从技术上解析了蓝牙Mesh规范。

商其法表示，蓝牙Mesh技术基于低功耗蓝牙广播报文来实现，这是一种洪泛(Managed flooding)信息传递机制，即当蓝牙 mesh网络中的一个节点需要向另一个节点发送息时，它会广播一条消息，所有收到这个消息的节点都接收并且转发这条消息，这样就可以保证目标节点只要在整个网络的覆盖范围内，就能收到这条消息。

不过这种机制也面临一个问题，就是网络的信息泛滥（洪泛），蓝牙Mesh网络采用了信息缓存(Message Cache)队列和 TTL (Time ToLive，信息寿命)字段这两种方案来避免信息被无限制地转发下去。

在设备加入网状网络，也就是完成配网过程后，蓝牙Mesh通过模型(Model)实现对设备的控制，模型定义了节点具备的基本功能，包含实现这个功能所必需的状态和操作状态的消息及其他一些行为，一个节点中可以包含多个模型，如开关模型，亮度调节模型，色温灯模型，场景模型，闹铃模型等，以适配预设使用场景。

除了多对多特性，网络安全也是蓝牙Mesh的一大亮点，商其法指出，Mesh网络中传输的所有数据对应不同网络层和不同应用，它们都是经过加密的。蓝牙Mesh又规定了不同的密钥进行加密，主要包括：

网络层密钥(NetworkKey)：所有网络层(Network Layer)的数据都要使用网络密钥(NetworkKey)进行加密。

应用密钥(AppKey)：应用密钥(AppKey)则是用于加密接入层(AccessLayer)的数据。每一个NetworkKey下，都可以管理多个AppKey。比如门锁和灯分别使用两个AppKey，进行安全级别分级管理。

设备密钥(Device Key)：配置模型(Configuration Model)的数据则采用设备密钥(Device Key)进行加密。每一个设备都有一个不相同的设备密钥，配置参数更安全。

通过这样分层次地加密，蓝牙Mesh可以做到根据不同应用场景来实现不同等级的数据加密来保证整个网络的数据安全。

衔接之前介绍的Mesh网络拓扑，商其法进一步讲解了Proxy (代理功能)这一概念，指出蓝牙Mesh为了更好的随时接收网络发送的数据，提高通信效率，可由节点接收缓存数据，然后中心设备只和该节点通讯，也就是说该节点代理了手机的一些功能。

由代理功能还引出了蓝牙Mesh的中继(Relay)概念，为了控制信息在网络中被无限中继转发，蓝牙Mesh网络采用了信息缓存(Message Cache)队列和TTL (Time To Live，信息寿命)字段以解决重复转发问题。

配网，是蓝牙设备加入Mesh网络的过程，其中密钥分发的安全性是一个备受关注的问题，商其法对此进行了详细分析。

根据商其法介绍，蓝牙Mesh配网过程采用椭圆曲线ECC算法，节点和配网主机都各自有一组private key + public key。配网的时候交换public key，交换后，根据ECC相关算法，节点和配网主机都可以得到一个相同的session key，并且窃听者因为只有public key，无法算出该session key。

然后在provision data分发（包含 network key， app key等）阶段，使用session key对provision data进行加解密。这样就能确保分发的数据不被监听到。

配网过程中，新设备还需要进行身份认证，认证方式主要有No OOB和static OOB两类，后者在节点端会事先烧录一个16byte的OOB数据到flash存储单元，配网主机端也有这个数据，当配网主机端校验后，得知节点也有相同的OOB数据后，才会把该节点添加到当前网络。进而事先配网的认证流程。

泰凌微电子拓展蓝牙Mesh创新应用

从应用特性与技术特点解读蓝牙Mesh后，商其法进一步介绍了常用Model、IoT平台以及泰凌微电子蓝牙Mesh解决方案。

目前，蓝牙Mesh常用Model已能提供较为丰富的控制功能，除了常用的亮度调节等灯控场景模型，还有时钟模型(Time model)、闹铃模型(Schedule model)、传感器模型等。

蓝牙Mesh的实际应用，还依赖于硬件平台生态，目前，阿里天猫精灵、小米米家、百度小度、Amazon平台等均已形成相当应用规模，蓝牙设备Mesh组网，也需要符合这些IoT平台的认证模式，包括No OOB模式； static OOB模式； 签名认证模式。

商其法透露，目前泰凌微电子与上述主要生态平台均已建立合作，凭借在蓝牙数传领域的深厚积累，泰凌微电子可支持IoT平台极速配网，基于设备保存有static OOB的三元组模式，可以实现组网交互流程精简，不需要经过耗时的需要public key的椭圆曲线算法，只需要节点发送一个“confirmation”的数据包和收到key等信息后，回ack就可以。组网信息交互的安全性会通过云端和节点的static OOB参与加解密来保证，此外，还支持通过手机收发广播包的方式直接和节点进行通讯，而不需要经过GATT连接，由于通讯方式简单，可以进一步降低节点的硬件要求，进而降低硬件成本。

他还指出，在蓝牙Mesh生态早期发展阶段，因为大家对可以实现的功能可能还没有完全摸透，因此先做了一些协议私有化动作，比如组网时要求满足一定条件才允许入网，而随着蓝牙Mesh的普及拓展，平台相互之间必将进一步打破藩篱，走向互联互通。

接下来，商其法具体介绍了泰凌微电子Mesh SDK中基于BLE MESH的Audio Mesh解决方案，Audio Mesh突破了传统蓝牙Mesh多用于命令控制和收发的场景局限，进入到数据量更大的语音传输场景。

Audio Mesh基于BLE MESH的通讯机制，实现了实时传输功能，可实现“一个人说话，多个人收听”，并支持中继，处于“一跳”节点范围外的用户也可组网，拓展了四种主要演示功能，包括：

对讲机功能: 所有节点默认都没有在录音状态，按下任意一个节点的SW2按键，红色指示灯一秒钟闪烁一次，表示进入录音模式，该节点通过设备MIC采集人说话的声音，并通过 Mesh发送给其它所有节点，

抢占模式: 当有一个节点在处于录音状态时，在另一个节点上按下SW2录音键，则会通知前面的节点关闭录音，切换到当前节点进行录音，即网络中只有一个节点处于发送器状态，其它都是接收器，而所有节点都可以从接收器状态变为发送器。

节点开关灯命令控制: Audio功能生效状态下，可以点击APP上的ALL ON /ALL OFF等控制按钮进行控制。

语音传输手机播放的音乐: 支持line in输入，也就是不从MIC采集音频，而是通过音频数据线采集手机播放的音乐，然后通过Mesh转发出去。

在音频压缩算法上，该方案采用LC3或SBC编解码器，更先进的LC3支持8k16bit和16k16bit，8k16bit压缩前需16kbyte/s， 压缩后可达1.2kbyte/s，在压缩率和音质上更具优势。