详细剖析蓝牙技术

公元十世纪，有一名丹麦国王出身海盗家庭，统一了四分五裂的北欧（挪威、瑞典和丹麦），成为维京王国的国王。国王的原名叫Harald Gormsson，爱吃蓝莓的他有个绰号：“Harald Blåtand”，由“斯堪的纳维亚”（北欧地区）的语言翻译成英语就是“Harold Bluetooth(蓝牙)”。

在1994年，爱立信开始着手研究一种新型的短距离无线通信技术，而为了迎接这个即将面市的新技术，爱立信用丹麦国王的外号（Harold Bluetooth）给它命名。蓝牙技术最初的构想，是用无线通信技术替代RS-232标准电缆（串口），让局部空间内的各类设备能够互联互通、协调工作。“蓝牙”国王的事迹正预示着这个短距通信技术的未来。

2014年，V4.2版的蓝牙支持6LoWPAN（IPv6 over LR-WPAN，基于IPv6的低速无线个域网标准），使得蓝牙设备更易于接入互联网。

2016年，蓝牙5.0针对低功耗设备，进一步提升了通信速率，并且能够结合wifi对室内的设备位置进行辅助定位。

2017年7月19日，蓝牙技术全面支持Mesh网状网络。

纵观蓝牙技术的发展旅程，SIG不断地追求着无线连接的性能：传输速率（EDR-Enhanced Data Rate、AMP）、低功耗（Sniff Subrating、BLE）、网络接入（6LoWPAN、Mesh）和安全配对（SSP），以满足各种应用对近距离通信的需求。

原本，SIG主要是聚焦于“以人为中心的边缘网络”进行技术创新,而如今，蓝牙适用的范围已经逐渐拓展到所有物联网边缘场景：“蓝牙增强速率技术（BR / EDR）”的应用从无线耳机发展到鼠标键盘；“蓝牙低功耗技术”应用于手表、手环，发掘了可穿戴市场；而“蓝牙Mesh组网技术”则瞄准了整个（边缘域）物联网市场，包括消费领域和工业领域。

从最新的组网构架（Mesh组网）中，让我们逐渐地看清了蓝牙技术联盟对物联网通信的预想，以及对边缘网络的理解。

1.应用层模型

在应用层面，SIG对蓝牙设备的功能进行了多层次的封装：节点-元素-模型-状态。

（1）device（设备）和node（节点）

节点的角色（网络角色）

设备是指有蓝牙功能电子终端。而一个设备加入到mesh网络中后，就成为一个节点。设备加入Mesh网络，需要网内的配网节点（Provisioner）的授权。

Relay node：中继节点

在Mesh网络中，某些设备被指定为“中继设备”，通过广播承载层来接收和转发蓝牙Mesh的消息，它承担着扩展网络覆盖范围的职责。中继节点使得数据能够通过无线信号的“接力”绕过楼道内的物理障碍物，送达到目的设备。中继节点需要充沛的供电，并具备一定的计算能力。亲友节点(Friend Node)是一种特殊的中继节点。

Proxy node：代理节点

代理节点提供了GATT接口（“Generic Attributes”，一种低功耗蓝牙设备之间的通信协议），以便于蓝牙设备在不具备蓝牙Mesh网络协议栈的情况下，能够通过代理节点接入蓝牙Mesh网络。代理节点同时支持广播承载层和GATT承载层的数据包收发。代理节点(Proxy node)是一种特殊的中继节点。

（3） 模型（model）和状态（state）

模型代表了节点中的元素所具备的行为功能。一个元素必须至少有一个模型，既一种功能。每个模型都有唯一的标识符（32位），能够在Mesh网络中被识别出来。

模型具有一种或多种的“状态”。状态是一个或一组特定类型的值。状态的改变，就代表模型执行了某项功能。

例如，灯具有开/关的功能。其中，灯代表“元素”实体，而开/关的功能就是“模型”。开关具有两种特征：“on”、“off”，这便是灯的“状态”。

在应用层面，“节点”就是接入蓝牙Mesh网络的“设备”，它包含了一个或一组“元素”（子设备），每个元素都具有一些“模型”（功能），且每一项功能都配置有一个或一组“状态”参数，来表示此功能所对应的操作。

每当圣诞节来临，圣诞树需要灯饰装点，灯饰一般都是一串彩灯（由许多不同颜色的灯泡组成）。可以将这一串灯视为一个“节点”。为了营造圣诞气氛，可以对灯串中每一种颜色的灯作为“元素（Element）”进行单独控制。

每种颜色的灯都具有发光的功能作为它的“模型”，模型包括两种状态属性：“开/关”状态、亮度状态。这样，蓝牙Mesh网络便有了对装饰灯进行动态控制的基础。

当然，如果需要更多的动态效果，甚至可以将每一个灯泡配置成一个元素。不过，这样做可能会“浪费”掉不少蓝牙Mesh的地址资源（节点中的每个元素都会被分配一个唯一的单播地址）。如何定义和设计应用，完全由开发者根据产品要求自行决定，蓝牙Mesh技术只是提供了节点配置的框架。

2.网络层结构

蓝牙Mesh网络是搭建在蓝牙低功耗技术（BLE）构架之上的，其网络的层次构架与OSI的7层参考模型有一点相似：BLE层-承载层-网络层-传输下层-传输上层-接入层-基础模型层-模型层。

BLE层（Bluetooth Low Energy Layer）：低功耗蓝牙连接层，实现节点之间的无线通信连接，是实现Mesh网络的基础。

承载层（Bearer Layer）：定义了如何使用底层BLE协议栈传输网络PDU（协议数据单元）。实际的承载方式分为两种：广播承载(advertising bearer)和GATT承载。默认情况下，使用广播承载来封装Mesh的网络数据包。

网络层（Network Layer）：定义了各种消息的地址类型、格式，完成数据的网络寻址和转发。节点的中继、代理行为是通过网络层实现的。