Sítě Bluetooth mesh - Bluetooth mesh networking

Sítě Bluetooth mesh
Bluetooth-logo.svg
VyvinulBluetooth SIG
Představený13. července 2017 (2017-07-13)
PrůmyslOsvětlení, IoT
Fyzický rozsah100–1 000 metrů (v závislosti na konfiguraci přenosu sítě)

Bluetooth Mesh je počítač síťové sítě standard založený na Bluetooth s nízkou spotřebou energie , který umožňuje komunikaci mezi mnoha lidmi prostřednictvím rádia Bluetooth. Specifikace Bluetooth Mesh byly definovány v profilu sítě[1] a síťový model[2] specifikace podle Bluetooth Speciální zájmová skupina (Bluetooth SIG). Bluetooth Mesh byl vytvořen v roce 2014[3] a přijato 13. července 2017 (2017-07-13).[4]

Přehled

Bluetooth Mesh je a síťové sítě standard, který funguje na a povodňová síť zásada. Je založen na uzlech přenášejících zprávy: každý přenosový uzel, který přijímá síťový paket, který se autentizuje proti známému síťovému klíči, který není v mezipaměti zpráv, který má TTL ≥ 2, může být znovu vysílán s TTL = TTL - 1. Ukládání do mezipaměti zpráv je slouží k zabránění předávání nedávno viděných zpráv.

Komunikace se provádí ve zprávách, které mohou být až 384 bajtů dlouhé, když se používá mechanismus segmentace a opětovného sestavení (SAR), ale většina zpráv se vejde do jednoho segmentu, což je 11 bajtů. Každá zpráva začíná operačním kódem, který může být jeden bajt (pro speciální zprávy), 2 bajty (pro standardní zprávy) nebo 3 bajty (pro zprávy specifické pro dodavatele).

Každá zpráva má zdrojovou a cílovou adresu, která určuje, která zařízení zprávy zpracovávají. Zařízení publikují zprávy do cílů, kterými mohou být jednotlivé věci / skupiny věcí / všechno.

Každá zpráva má pořadové číslo, které chrání síť před útoky opakování.

Každá zpráva je šifrována a ověřena. K zabezpečení zpráv se používají dva klíče: (1) síťové klíče - přidělené jedné síti mesh, (2) aplikační klíče - specifické pro danou funkci aplikace, např. zapnutí světla vs rekonfigurace světla.

Zprávy mají a čas žít (TTL). Pokaždé, když je zpráva přijata a znovu vyslána, TTL se sníží, což omezuje počet „chmele“ a eliminuje nekonečné smyčky.

Bluetooth Mesh má vrstvenou architekturu s několika vrstvami, jak je uvedeno níže.

VrstvaFunkčnost
Vrstva modeluDefinuje standardní způsob výměny zpráv specifických pro aplikaci. Například model Light Lightness Model definuje interoperabilní způsob ovládání lehkosti. Existují povinné modely, které se nazývají Foundation Modely a které definují stavy a zprávy potřebné ke správě síťové sítě.
Přístupová vrstvaDefinuje mechanismus, který zajišťuje, že data jsou přenášena a přijímána ve správném kontextu modelu a jeho přidružených aplikačních klíčů.
Horní transportní vrstvaDefinuje ověřené šifrování paketů přístupové vrstvy pomocí aplikace (nebo klíče specifického pro zařízení). Rovněž definuje některé kontrolní zprávy ke správě přátelství nebo k upozornění na chování uzlu pomocí zpráv Heartbeat.
Dolní transportní vrstvaTato vrstva definuje spolehlivé (prostřednictvím Blokového potvrzení) segmentované přenosové pakety horní vrstvy, když nelze provést úplný paket horní vrstvy v jediném paketu síťové vrstvy. Rovněž definuje mechanismus pro opětovné sestavení segmentů na přijímači.
Síťová vrstvaTato vrstva definuje, jak jsou transportní pakety adresovány po síti do jednoho nebo více uzlů. Definuje funkčnost přenosu pro přeposílání zpráv uzlem přenosu k rozšíření rozsahu. Zpracovává ověřené šifrování síťové vrstvy pomocí síťového klíče.
Vrstva na doručiteleDefinuje, jak jsou síťové pakety vyměňovány mezi uzly. Specifikace profilu sítě definuje nosič reklam BLE a nosič BLE GATT. Síťový profil definuje Proxy protokol, jehož prostřednictvím lze vyměňovat síťové pakety prostřednictvím jiných nosičů, jako je TCP / IP.

Teoretické limity

Praktické limity technologie Bluetooth Mesh nejsou známy. Některé limity, které jsou součástí specifikace, zahrnují:

Limit pro síťHodnotaPoznámky
Maximální počet uzlů32 767Limit je 32768 adres a zatímco uzel může zabírat více než jednu adresu, praktický limit je s největší pravděpodobností nižší.
Maximální počet skupin16 384

Počet virtuálních skupin je 2128.

Maximální počet scén65 535
Maximální počet podsítí4 096
Maximální TTL127

Síťové modely

Od verze 1.0 specifikace Bluetooth Mesh,[2] byly definovány následující standardní modely a skupiny modelů:

Nadační modely

Základní modely byly definovány v základní specifikaci. Dva z nich jsou povinné pro všechny uzly sítě.

  • Konfigurační server (povinný)
  • Konfigurační klient
  • Health Server (povinný)
  • Klient zdraví

Obecné modely

  • Obecný server OnOff, který se používá k reprezentaci zařízení, která neodpovídají žádnému z definovaných popisů modelu, ale podporují obecné vlastnosti Zapnuto / Vypnuto
  • Generický server úrovně, udržující stav prvku v 16bitovém celé číslo se znaménkem
  • Obecný výchozí server pro přechodový čas, který se používá k představení výchozího času přechodu pro různá zařízení
  • Generic Power OnOff Server & Generic Power OnOff Setup Server, used to represent devices that does not fit any of the model descriptions but support the generic properties of On / Off
  • Obecný server úrovně výkonu a server pro nastavení obecné úrovně výkonu, včetně skutečného stavu generického výkonu, posledního stavu generického výkonu, výchozího stavu generického výkonu a stavu obecného rozsahu výkonu
  • Generic Battery Server, představující sadu čtyř hodnot představujících stav baterie
  • Generic Location Server & Generic Location Setup Server, představující informace o poloze prvku, buď globálního (Lat / Lon) nebo lokálního
  • Obecný server uživatele / správce / výrobce / klientského majetku, představující jakoukoli hodnotu, která má být uložena prvkem
  • Obecný klient OnOff a obecný klient na úrovni
  • Obecný výchozí klient doby přechodu
  • Generic Power OnOff Client & Generic Power Level Client
  • Obecný klient baterie
  • Obecný klient umístění
  • Obecný klient vlastností

Senzory

  • Senzorový server a server pro nastavení senzoru, představující a senzor přístroj. Senzorové zařízení může být nakonfigurováno tak, aby pravidelně nebo na vyžádání vracelo měřenou hodnotu; periodu měření (kadenci) lze nakonfigurovat tak, aby byla pevná nebo aby se změnila, aby se rychlejší hlášení důležitějšího rozsahu hodnot.
  • Senzorový klient

Čas a scény

  • Časový server a server pro nastavení času, který umožňuje synchronizaci času v síťové síti
  • Server scén a server nastavení scén, který umožňuje nakonfigurovat a v případě potřeby vyvolat až 65535 scén.
  • Server plánovače a server nastavení plánovače
  • Časový klient, klient scény a klient plánovače

Osvětlení

  • Server Light Lightness & Light Lightness Setup Server, představující stmívatelný zdroj světla
  • Light CTL Server, Light CTL Temperature Server & Light CTL Setup Server, predstavující a CCT nebo „laditelný bílý“ světelný zdroj
  • Light HSL Server, Light HSL Hue Server, Light HSL Saturation Server & Light HSL Setup Server, představující světelný zdroj založený na Odstín, sytost, lehkost barevné znázornění
  • Light xyL Server & Light xyL Setup Server, představující světelný zdroj založený na upraveném CIE xyY barevný prostor.
  • Light LC (Lightness Control) Server a Light LC Setup Server, představující zařízení pro ovládání světla, schopné ovládat model Light Lightness pomocí senzor obsazenosti a senzor okolního světla. Může být použit pro scénáře ovládání světla, jako je automatické zapnutí, automatické vypnutí a / nebo Sklizeň denního světla.
  • Light Lightness Client, Light CTL Client, Light HSL Client, Light xyL Client & Light LC Client

Zajišťování

Zřizování je proces instalace zařízení do sítě. Je to povinný krok k vybudování sítě Bluetooth Mesh.

V procesu zajišťování poskytovatel bezpečně distribuuje síťový klíč a jedinečný adresní prostor pro zařízení. Protokol zajišťování používá eliptickou křivku P256 Diffie-Hellman Výměna klíčů k vytvoření dočasného klíče k šifrování síťového klíče a dalších informací. To poskytuje bezpečnost pasivního odposlechu. Poskytuje také různé ověřovací mechanismy k ochraně informací o síti před aktivním odposlouchávačem, který používá útok man-in-the-middle, během procesu zajišťování.

Klíč jedinečný pro zařízení známý jako „Klíč zařízení“ je odvozen ze sdíleného tajemství eliptické křivky u poskytovatele a zařízení během procesu zajišťování. Tento klíč zařízení používá poskytovatel k šifrování zpráv pro konkrétní zařízení.

Zabezpečení procesu zajišťování bylo analyzováno v příspěvku prezentovaném v průběhu roku IEEE CNS Konference 2018.[5]

Zřizování lze provést pomocí připojení Bluetooth GATT nebo reklamy pomocí konkrétního nosiče.[1]

Terminologie použitá ve specifikacích Bluetooth Mesh Model a Mesh Profile

  • Cíl: Adresa, na kterou je odeslána zpráva.
  • Prvek: Adresovatelná entita v zařízení.
  • Model: Standardizovaný provoz typických uživatelských scénářů.
  • Uzel: Zřízené zařízení.
  • Poskytovatel: Uzel, který může přidat zařízení do sítě mesh.
  • Relé: Uzel schopný opakovaného přenosu zpráv.
  • Zdroj: Adresa, ze které je odeslána zpráva.

Implementace

Schváleno („kvalifikováno“) společností Bluetooth SIG

Implementace Bluetooth mesh schváleny ("kvalifikovány") uživatelem Bluetooth SIG
názevZadavatelDatum kvalifikaceQDIDTyp
Bluetooth Stack pro vestavěné systémy - profil MESH[6]Silvair, Inc.18. července 201798880Subsystém profilu
Bluetooth síť Qualcomm[7]Qualcomm Technologies International, Ltd.18. července 201798856Subsystém profilu
Silvair Mesh Modely[8]Silvair, Inc.26. července 201799282Subsystém profilu
Bezdrátový profil Gecko Mesh[9]Silicon Laboratories21. září 2017101318Subsystém profilu
CYW-MESH 1.0[10]Cypress Semiconductor Corporation3. října 2017101726Komponenta (testováno)
Bluetooth síťový model Qualcomm[11]Qualcomm Technologies International, Ltd.20. října 2017102243Subsystém profilu
EtherMind Bluetooth Protocol Stack, 5.0 (Single Mode) + Mesh[12]Mindtree Limited24. ledna 2018106544Komponenta (testováno)
Telink SIG Mesh SDK[13]Telink Semiconductor1. února 2018106546Subsystém profilu
TOSHIBA Bluetooth_stack_mesh-1[14]Toshiba Corporation13. února 2018104143Součást (testováno)
Profil sítě AMICCOM[15]AMICCOM Electronics Corporation14. března 2018109370Subsystém profilu
Bluetooth síťový model Amiccom[16]AMICCOM Electronics Corporation30. března 2018110168Subsystém profilu
Síť Airoha SIG[17]Airoha Technology Corp.2. dubna 2018110202Subsystém profilu
Zásobník Marvell Mesh v1.0[18]Marvell Technology Group27.dubna 2018110569Komponenta (testováno)
Sada nRF5 SDK pro síť [19]Nordic Semiconductor2. května 2018111537Subsystém profilu
Realtek Bluetooth 5 Mesh řešení[20]Realsil Microelectronics Inc.27. července 2018115668Subsystém profilu
STSW-BNRG-Mesh[21]STMicroelectronics2. srpna 2018116029Subsystém profilu
RDA BT Host 5.0[22]RDA Microelectronics, Inc.13. září 2018115860Subsystém profilu
JYMC-MESH-1[23]Shanghai Frequen Microelectronics Co., Ltd.10. října 2018119229Konečný produkt
RW-BLE-MESH[24]CEVA, Inc.31. října 2018119268Komponenta (testováno)
ARM Ltd Cordio Mesh[25]ARM Ltd.11. prosince 2018116593Subsystém profilu
Samsung SLSI Bluetooth Mesh[26]Samsung Electronics Co., Ltd.21. prosince 2018122442Subsystém profilu
Bluelet Host Stack V12[27]Barrot Technology Limited25. prosince 2018123056Komponenta (testováno)
ESP BLE Mesh v0.6[28]Espressif Systems (Shanghai) Pte. Ltd.14. ledna 2019124137Subsystém profilu
BK3435 BLE Core Spec 5.0 se sítí MESH[29]Beken Corp12. března 2019127926Konečný produkt
Subsystém akcí Mesh Profile[30]Akce (Zhuhai) Technology Co., Limited21. března 2019127646Subsystém profilu
Hostitel Ali a věci BLE a síťový profil v2.1.0[31]Alibaba (China) Co., Ltd.19. dubna 2019129750Hostitelský subsystém
Tonly SIG Mesh Stack[32]Shenzhen Tonli Science and Technology Development Co., Ltd.5. května 2019130160Subsystém profilu
Profil sítě Sino Wealth IBLE SIG[33]Sino Wealth Electronic Ltd.18. června 2019133403Subsystém profilu
Qualcomm Bluetooth Mesh a Mesh Model v4.0[34]Qualcomm Technologies International, Ltd.19. června 2019128410Subsystém profilu
Subsystém PAN1020 Mesh Profile[35]Shanghai Panchip Microelectronics Co., Ltd.1. července 2019129291Subsystém profilu
Hostitel Apache NimBLE BLE včetně sítě BLE[36]JUUL Labs, Inc.15. července 2019131934Součást (testováno)
Malý síťovaný zásobník[37]Alibaba (China) Co., Ltd.20. července 2019128246Subsystém profilu
ClarinoxModrá[38]Clarinox Technologies Pty Ltd2. srpna 2019134454Hostitelský subsystém
BlueX Mesh[39]BlueX Microelectronics Corp Ltd.20. srpna 2019137436Subsystém profilu
Zephyr OS Mesh[40]Linuxová nadace20. září 2019139259Subsystém profilu
WCH Bluetooth Mesh[41]Nanjing Qinheng Microelectronics Co., Ltd.1. června 2020144808Subsystém profilu

Zdarma a open-source softwarové implementace

Svobodný software a open source software implementace zahrnují následující:

  • Úředník (zahrnut v Linuxové jádro podle Linus Torvalds v roce 2001[42]) Zásobník protokolu Bluetooth Bluetooth BlueZ, duální bezplatná licence pod GPL[43] a LGPL,[44] podporuje Mesh Profile, od verze 5.47,[45] poskytnutím nástroje meshctl ke konfiguraci zařízení se sítí mesh. BlueZ byl schválen jako „kvalifikovaný“ softwarový balíček společností Bluetooth SIG v roce 2005.[46] BlueZ se nepovažuje za kvalifikovaný balíček Bluetooth Mesh, protože Bluetooth Mesh není uveden[kde? ] jako podporovaný profil.
  • Apache Mynewt NimBLE, bezplatně licencován pod Licence Apache 2.0,[47] podporuje Bluetooth Mesh od verze 1.2.0.[48] Bylo kvalifikováno 15. července 2019 (2019-07-15) s QDID 131934.[36]
  • Zephyr OS Mesh, bezplatně licencován pod Licence Apache 2.0,[49] podporuje Bluetooth Mesh od verze 1.9.0.[50] Zephyr OS Mesh 1.14.x byl kvalifikován 20. září 2019 (2019-09-20) s QDID 139259.[36]

Reference

  1. ^ A b „Specifikace síťového profilu Bluetooth®“ (Stažení PDF). Web technologie Bluetooth. 2017-07-13. Citováno 2017-07-18.
  2. ^ A b „Specifikace síťového modelu Bluetooth®“ (Stažení PDF). Web technologie Bluetooth. 2017-07-13. Citováno 2017-07-18.
  3. ^ "Omezení dosahu? Jaké omezení dosahu? Představujeme sítě Mesh | Web technologie Bluetooth". blog.bluetooth.com. Archivovány od originál dne 2016-04-09. Citováno 2017-07-06.
  4. ^ „Low Energy: Mesh | Bluetooth Technology Web“. www.bluetooth.com. Archivovány od originál dne 2017-09-01. Citováno 2017-07-18.
  5. ^ Adomnicai, A .; Fournier, J. J. A .; Masson, L. (2018-05-30). „Hardwarové bezpečnostní hrozby proti sítím Bluetooth Mesh“. Konference IEEE o komunikaci a zabezpečení sítí (CNS) 2018: 1–9. doi:10.1109 / CNS.2018.8433184. ISBN  978-1-5386-4586-4.
  6. ^ „QD ID 98880 | Launch Studio - podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  7. ^ „QD ID 98856 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  8. ^ „QD ID 99282 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  9. ^ „QD ID 101318 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  10. ^ „QD ID 101726 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  11. ^ „QD ID 102243 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2017-11-15.
  12. ^ „QD ID 106544 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-03-05.
  13. ^ „QD ID 106546 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-03-05.
  14. ^ „QD ID 104143 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-03-05.
  15. ^ „QD ID 109370 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-04-05.
  16. ^ „QD ID 110168 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-04-05.
  17. ^ „QD ID 110202 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-04-05.
  18. ^ „QD ID 110569 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-05-03.
  19. ^ Systems, eZ. „Sada nRF5 SDK pro síť / Bluetooth Low Energy / Produkty / Domů - Bezdrátová řešení s extrémně nízkou spotřebou od společnosti NORDIC SEMICONDUCTOR“. www.nordicsemi.com. Citováno 2018-05-03.
  20. ^ „QD ID 115668 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-09-15.
  21. ^ „QD ID 116029 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-09-15.
  22. ^ „QD ID 115860 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-09-15.
  23. ^ „QD ID 119229 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-11-07.
  24. ^ „QD ID 119268 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-11-07.
  25. ^ „QD ID 116593 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-12-21.
  26. ^ „QD ID 122442 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-12-21.
  27. ^ „QD ID 123056 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2018-12-21.
  28. ^ „QD ID 124137 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-01-24.
  29. ^ "QD ID 127926 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu". launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-04-14.
  30. ^ „QD ID 127646 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-04-14.
  31. ^ „QD ID 129750 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-05-06.
  32. ^ „QD ID 130160 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-05-06.
  33. ^ „QD ID 133403 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-06-19.
  34. ^ „QD ID 128410 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-06-19.
  35. ^ „QD ID 129291 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-08-27.
  36. ^ A b C „QD ID 131934 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-08-27.
  37. ^ „QD ID 128246 | Launch Studio - Podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-08-27.
  38. ^ „QD ID 134454 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-08-27.
  39. ^ „QD ID 137436 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2019-08-27.
  40. ^ „QD ID 139259 | Launch Studio - Podrobnosti o seznamu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2020-03-12.
  41. ^ „QD ID 144808 | Launch Studio - podrobnosti o výpisu“. launchstudio.bluetooth.com. Citováno 2020-06-01.
  42. ^ „Historie BlueZ“. BlueZ. 2019-09-07.
  43. ^ "index: bluez.git - zásobník protokolu Bluetooth pro Linux - Marcel Holtmann". kernel.org. 1991. Archivováno z původního dne 2019-09-05. Citováno 2019-09-05.
  44. ^ "index: bluez.git - zásobník protokolu Bluetooth pro Linux - Marcel Holtmann". kernel.org. 1999. Archivováno z původního dne 2019-09-05. Citováno 2019-09-05.
  45. ^ "BlueZ» Archiv blogů »Vydání BlueZ 5.47". www.bluez.org. Citováno 2017-10-27.
  46. ^ „Kvalifikovaný produktový detail“. Bluetooth SIG. Archivováno z původního dne 2019-09-05. Citováno 2019-09-05.
  47. ^ „apache / mynewt-core / LICENCE“. GitHub. 2018-06-04. Archivováno z původního dne 2019-09-05. Citováno 2019-09-05.
  48. ^ „RN-1.2.0 - Apache Mynewt - Apache Software Foundation“. cwiki.apache.org. Citováno 2018-07-02.
  49. ^ „zephyrproject-rtos / zephyr / blob / master / LICENCE“. GitHub. 2020-03-21. Archivováno od původního dne 2020-03-21. Citováno 2020-03-21.
  50. ^ „Poznámky k verzi Zephyr Kernel 1.9.0“. docs.zephyrproject.org. Citováno 2020-03-21.