（七）深入理解蓝牙Mesh的低功耗实现

目录

一.前言：

二.协议细节：

2.1 建立Friend关系： 

2.1.1 Friend request消息：

2.1.2 Friend offer消息：

2.1.3 选择最优Friend的逻辑：

2.1.4 Friend设计的三个时序参数：

2.2 Friend设备通信：

2.2.1 Friend设备接收和缓存消息：

2.2.2 Friend设备发送消息：

2.2.3 LPN设备接收消息：

2.2.4 LPN设备发送消息：

2.2.5 相关消息格式：

2.3 管理Friend设备：​

2.4 安全性：

三.工程限制

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一.前言：

蓝牙Mesh协议是在BLE广播的基础上设计实现的，因此接入Mesh网络的设备，就需要有足够的时间片来进行扫描 *** 作，以接收其他设备随时可能发送的mesh消息。开启扫描对于BLE芯片来说是一个比较费电的 *** 作，一般的蓝牙芯片扫描功率一般为 6mA左右（以Telink 8253为例，它的扫描功耗Whole Chip RX mode: 5.3mA，发射功耗Whole Chip TX mode: 4.8mA ），这对使用纽扣电池的低功耗设备很不友好，例如CR2450纽扣电池只有550mAh的容量。5号电池一般在2500mAh左右。

因此Mesh协议为了满足低功耗设备的需求，设计了LPN（Low Power Node）和Friend的特性，核心思想是LPN低功耗的Mesh设备，不需要一直打开扫描去被动的接收其他设备的消息，而是主动的周期性的去Friend设备那里去询问，是否有发给我的消息。化“被动扫描”为“主动查询”，而主动查询的周期可以配置为相对较长时间，进而实现了降低功耗的需求。Friend设备来帮助LPN设备缓存一定数量的消息，供LPN设备来查询，Friend设备一般是常带电的。

低功耗设备有一个前提，就是它不需要频繁的发送消息和接收消息。不可能既让它频繁的工作，又让它保持一个较低的功耗，这个是不合理的。典型的低功耗设备就是传感器。

二.协议细节：

Mesh设备是否为LPN设备，是在它的Composition Data的Features字段里面定义的，无法动态改变。一个Mesh设备的Friend特性，也是在Composition Data的Features字段中定义的，如果支持Friend特性，是可以通过config model的消息来打开/关闭该特性的。Friend特性涉及的消息大部分为“控制消息”，不上报到access layer层。

既然LPN节点依赖Friend节点来帮助其缓存消息，那么LPN的第一步 *** 作，就是去找到一个合适的Friend节点，和这个Friend设备建立起“Friendship的关系”

2.1 建立Friend关系： 

LPN设备上电之后，开始去“找朋友”，它向Friend Node的组地址（0xFFFD），发送Friend Request消息，支持Friend特性并且打开了Friend特性的节点，会回复Friend Offer消息，如果周边的Friend节点很多，最终LPN会选择其中一个Friend节点与之建立FriendShip关系，后面就是进行Friend Poll和Friend Update的正常通信了，完整过程如图1。

图1

2.1.1 Friend request消息：

消息格式如图2：

图2

该消息中，定义了Friend设备通信中使用的PollTimeout，ReceiveDelay这两个时序参数，这两个参数的作用，本文后面有介绍。另外比较重要的是Criteria字段，它的详细定义如图3，其中最重要的是RSSIFactor和ReceiveWindowFactor这两个因子。Criterai的作用是为了让LPN从众多Friend节点中选出一个最优的设备建立Friendship关系，其他的非最优的设备则被忽略，LPN同一时间只能与一个Friend设备建立FriendShip关系。 

图3

2.1.2 Friend offer消息：

详细格式如图4：

 图4

此消息中的ReceiveWindow表示这个Friend需要LPN节点支持的扫描窗口，详细后面有介绍。QueueSize表示的是Friend可以为LPN缓存的消息队列的大小。RSSI信号强度，可以变相理解为Friend和LPN之间的距离（RSSI越大，表示两个设备越近，RSSI越小，表示两个设备越远）。

2.1.3 选择最优Friend的逻辑：

介绍完Friend Request消息和Friend Offer消息的格式之后，再讲解一下LPN选择最优Friend的逻辑，根据协议定义，Friend设备收到Friend Request之后等待Friend Offer Delay时间之后，再回复Friend offer消息。这个Delay的时间计算如下：

图5

这里面涉及到了RecevieWindow和RSSI两个核心参数以及前面提到两个因子。ReceiveWindow和RSSI是Friend offer消息中的字段，两个因子是Friend request消息的字段。我们从LPN的角度来看，它肯定最想要RSSI最强的，要求自己的扫描窗口最小（可以降低功耗）的设备来与它建立FriendShip，从上面的公式可以算出，越是符合LPN理想型的Friend设备，Local Delay的值越小，回复的越快。因此LPN节点会选择回复Offer最快的那个Friend设备来建立FriendShip关系。但是一个Friend设备有可能不同时拥有最优的RecevieWindow和RSSI。这时候就需要LPN来做取舍了，LPN的Friend request消息中这两个因子开始起作用了：更需要“小receiveWindow”的话，就把ReceiveWindowFactor调大，增加“大ReceiveWindow”Friend设备回复的delay时间，减少它被选择可能性；更在乎RSSI的话，就把RSSIFactor调大，减少“信号强度高”的Friend设备回复的时间，增加它被选择的可能性。

2.1.4 Friend设计的三个时序参数：

另外，在Friend建立过程中，确定了三个时序参数：ReceiveDelay，ReceiveWindow，和PollTimeout。

ReceiveDelay：LPN节点发送request之后，等待ReceiveDelay这么长时间后，再打开扫描以接收Friend Node的response。RecevieDelay主要是为了给Friend节点一定的时间来准备response。

ReceiveWindow：ReceiveWindow与BLE的scan Window类似，即打开扫描的窗口，以接收Friend的response消息。此参数设置的过大，会增大LPN设备的功耗（这个参数是Friend节点来确定的，如果这个Friend节点的发送性能差，它就会要求LPN开启更大的扫描窗口来接收它的消息）。

PollTimeout：Friend节点连续收到两个LPN的poll消息的最大时间间隔。在Friend节点收到LPN节点的poll消息后，又过了PollTimeout这么长时间，如果没有收到任何LPN节点的poll消息，则仍认为是LPN节点已经离线了，这时候Friend节点可以单方面终止FriendShip关系。

根据深入理解蓝牙Mesh的消息格式之“格式与长度”的文章可知，Friend request，Friend offer和Friend Poll等消息属于transport layer control消息，格式中有一个7bit的opcode的定义，图2和图3中的数据是实际上是transport layer control消息中的部分内容，Friend request的opcode是0x03，Friend offer的opcode是0x04。

2.2 Friend设备通信：

建立起FriendShip关系之后，LPN节点和Friend节点就开始正常通讯了。

 图6

2.2.1 Friend设备接收和缓存消息：

Friend节点扫描到有发给“与自己建立了FriendShip的LPN节点”的消息时，会帮LPN设备缓存，缓存在自己的队列中，等待LPN设备来查询。Friend节点接收到LPN设备的Friend Poll消息，则回复它缓存的消息，当有IV更新或者缓存队列为空时，则发送Friend Update给LPN设备。另外Friend设备还可以接收LPN设备的Mesh消息，并替它relay出去。

2.2.2 Friend设备发送消息：

当LPN设备通过Friend Poll消息来查询时，Friend发送它缓存的Mesh消息，如果缓存队列为empty，则发送Friend Update消息（MD=0）通知LPN设备。只有当缓存队列为空，或者IV Index更新时，才会发送Friend Update消息。

2.2.3 LPN设备接收消息：

LPN节点周期发送Friend poll消息去Friend节点处查询，是否有发给自己的access layer消息，Friend节点则回复相应的access layer消息给LPN节点，如果IV发生了变化，则通过Friend update消息告知。这里的access layer消息指的是开关/设置亮度等。当然也可以是SNB消息。

2.2.4 LPN设备发送消息：

当LPN节点需要向外发送消息时（这里指的是access消息，并非是Friend相关的control消息），可以选择通过Friend Node来relay转发，也可以直接跳出FriendShip的关系，直接发到Mesh网络中。向外发送的消息指的是开关状态，亮度状态等。

2.2.5 相关消息格式：

Friend Poll消息格式如下图：

图7

FSN：是FRIEND SEQ NUMBER的缩写，仅有一个bit，会从0，1，0，1之间跳变。当LPN设备发送的Friend Poll消息收到了的回复（Friend Update或者缓存的Mesh接入消息），下一包的Friend Poll消息中的FSN会变化。Friend节点也会根据LPN的Friend Poll消息中的FSN变化，判断上一条消息回复，LPN是否收到（如果LPN节点的Friend Poll消息中的FSN没有变化，Friend则重发上一条消息）。 

Friend Update消息如下图：

图8

Flags，IV Index这两个参数，与SNB消息中的含义相同，MD表示队列是否为空。LPN节点可以一直频繁的Friend Poll，直到收到MD为0的Friend Update消息（MD为1，表示还有数据，MD为0，表示数据队列已为空）。

2.3 管理Friend设备：

图9

管理Friendship相对来说，没有那么多可说的内容，图9基本上可以解释清楚了。当一个Friend节点掉电后，LPN会一直Friend Poll不到消息，进而主动终止FriendShip关系，寻找新的Friend节点。找到新的Friend节点并建立FriendShip关系之后，会由新Friend节点负责发送Friend Clear消息通知旧Friend节点：“你和LPN节点的友谊关系已经结束了，现在LPN已经跟了我了”，旧Friend节点收到后，回复Friend Clear Confirm，也终止了FriendShip关系，不再为LPN设备缓存消息。

新Friend节点是如何知道旧Friend节点的地址的呢？其实是LPN设备通过Friend request消息中的PreviousAddress字段告诉他的。看到这里明白了，LPN设备挺阴险呀，自己不愿意告诉旧Friend节点：“我们已经结束了”，而是告诉新Friend节点关于旧Friend的信息，让新Friend去当这个坏人。

2.4 安全性：

图10

Friendship是Friend节点和LPN节点之间的私事，不想让其他节点知道，因此通信过程中使用了私有的密钥进行加解密，私有的EncryptionKey，PrivacyKey和NID，这三个元素的生成规则如图10，叫做friendship security material，阅读过我的前几篇文章的朋友，会知道这三个都是用来加密和混淆network层的数据包的。

Friend Poll，Friend Update，Friend Subscription List Add/Remove/Confirm message和Friend节点缓存的消息，这几个是使用friendship security material进行加解密和混淆的。

Friend Request，Friend Offer，Friend Clear和Friend Clear Confirm消息仍然使用网络主密钥进行加解密。

Friendship中的涉及的seq number，LPN的seq number也会引起主网络的IV Update。虽然没用使用主密钥，但是Mesh网路中每个设备的seq number只有一个，无论它有几个网络。

LPN节点在publish的时候，可以选择Friendship的密钥，也可以选择主密钥。选择前者需要Friend节点帮助它把消息relay出去，使用后者则相当于直接发送状态到网络中。根据Publish 消息的Friendship Credentials Flag的值，用来表示选择这两种方式中的哪一种。

图11

上图中，虚线表示使用friendship的密钥进行加密，实线表示使用网络主netkey的派生密钥进行加密。OutMsg1是通过Friend节点relay出去的，OutMsg2是直接发送去的。

这里要提到一点，如果使用ellisys抓包分析Friend和LPN节点的通信过程的话，需要把FriendShip建连时的Friend Request和Friend Offer也抓到，不然ellisys无法计算出friendship的密钥，无法解密出Friend Poll和Friend Update消息。

三.工程限制：

协议的设计可以很理想化，工程落地则应该接地气。应了那句话，理想很丰满，现实却是很骨感。很多IOT产品在硬件设计时，出于对成本的考虑，往往选择比较便宜BLE芯片，这在某种程度上增加了Mesh开发的难度，工程师们不仅仅要理解Mesh协议的细节，还要根据现有的硬件能力做优化，做妥协和增加额外的设计，可能这就是做设计和做工程的区别。

从事蓝牙Mesh的开发，经常会遇到各种硬件条件的限制：

1.没有使用独立的BLE芯片来支持Mesh，而是使用了WiFi/BT的combo芯片，很多时候Combo芯片只有一根天线，WiFi和BT分时复用，因此Mesh无法开启100%的扫描窗口，WiFi和BT对天线的使用进行切换时，也会有切换时间的损耗。

2.处理器能力偏弱，很多controller不支持多级中断，在各种状态切换时，会引入多余的时延。

3.LPN节点无法单独使用，需要在其周边配置Friend功能的Mesh节点，已给他缓存消息。

4.Friend节点搭配LPN节点一起使用时，需要二者的时序完美的配合才能正常工作，如果每次LPN来Friend节点Poll消息时，Friend节点都处于非BLE扫描的状态，就会导致LPN节点无法获取Mesh消息，或者Poll消息成功率低。