来源：物联江湖  作者：王一鸣

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。

1998年，多家通信业巨头（IBM、Intel、东芝、诺基亚）加入到蓝牙技术的研发中，并成立了“蓝牙技术联盟（SIG，Bluetooth Special Interest Group）”。蓝牙技术旨在实现消费领域、工业领域中不同设备的组网通信，以建立个人局域网 (PAN)为目标，并于1999年推出了第一个正式发布的技术版本。

（注释：个人局域网（PAN-Personal Area Network）：在一个人操作可及的空间范围内，把与此人相关的电子设备（例如便携式电脑等）用无线技术连接起来的网络。）

在2004年，技术联盟推出了蓝牙2.0+EDR（Enhanced data rate），使得蓝牙传输速率达到了2.1Mbps（262.5KB/s）。

在2009年发布了蓝牙3.0+HS（Hight Speed），借用Wi-Fi技术和AMP（Alternative MAC/PHY，交替射频）技术，将数据传输速率提高到了24Mbps（3MB/s）的理论值。

在2010年发布的蓝牙4.0包含三种协议，分别是传统蓝牙（Classic Bluetooth）、低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）和高速蓝牙技术（Bluetooth High Speed）。其中低功率蓝牙（BLE），芯片模块所需的最低功耗只有0.01-0.5W左右，极大地降低了蓝牙设备的通信电力负担。

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。

从本质上来讲，蓝牙Mesh技术并非无线通信技术，而是一种网络（组网）的技术，用于构建“多对多通信连接”的网络。而低能耗蓝牙技术（BLE）则为无线通信技术。

所以，蓝牙Mesh是建立在低功耗蓝牙之上的通信网络。目前，蓝牙Mesh网络基于洪泛式（flooding）协议，未来在修订版本中可能会基于路由协议来实现网络连接。

蓝牙Mesh技术完整定义了通信协议的各个层次（从无线射频的物理层到应用层），并具有良好的兼容性：保证异厂家设备之间的互操作性。蓝牙Mesh网络旨在满足工业领域严格的可靠性，可扩展性和安全性要求。

蓝牙Mesh整体上可以分成应用层和网络层，这两层都具有鲜明的层次化设计，有利于开发者进行网络部署及应用的开发。

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。

蓝牙Mesh网络的节点除了实现应用功能以外，还具有网络角色，以实现网络组网、消息传递、网络安全管理等的各种功能。

主要的网络角色有五种：低功耗节点-Low Power Node、亲友节点-Friend Node、中继节点-Relay node、代理节点-Proxy node、非冲击节点-No relay node。

Low Power Node和Friend Node: 低功耗节点和亲友节点。

低功耗节点通常由小型电池供电，需要尽可能的减少通信开销。该节点不会一直在广播信道发送或者监听数据包，但网络有时还是数据传送一些数据给它（比如新的测量阀值）。

所以，低功耗节点会采用一种“代收快递”的方式来实现数据的获取。首先，低功耗节点和网络中的其它节点实现“串联”，形成一种“代理”关系，官方文档中称为“友谊(Friendship)”关系。

而后，当网络中有低功耗节点的数据时，会先发给串联节点进行数据缓存。最后，当低功耗节点发送查询信息（定期的“Poll”消息）的时候，串联的节点会将缓存的数据递交给低功耗节点。这其中的串联节点，即称为Friend node（亲友节点）。

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。

No relay node：普通节点（非代理节点）

没有中继功能的节点，也称为普通节点。普通节点可以实时地收发消息，但是无法转发其它节点的消息。

节点网络角色的功能，通过元素模型配置（网络地址、消息等）来具体定义，并由网络层、传输层实施具体操作（网络协商）。在具体应用中，节点需要遵循自己的节点角色发送、接收、转发消息。

在蓝牙Mesh网络中，低功耗节点和普通节点通常位于网络边缘，属于信源设备（信息产生、处理的节点）；而亲友节点、中继节点和代理节点一般处于较核心的位置，都可以视为“中继”节点（具有信息转发的网络功能）。

（2）Element(元素)

出于节能或便捷部署的需要，一个节点可以关联多个子设备，这每个子设备都是一个“元素”。例如, 一个节点可以包含一个蓝牙通信模块和一个灯组（灯组由多个灯泡组成），所有的灯泡都是通过同一个蓝牙模组接入Mesh网络，在灯组中的每一个灯泡都是一个元素。元素是Mesh网络中最小单位的“实体”，每个元素在网络中都有一个唯一的地址（单播地址，Unicast Address）。

（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。

传输下层（Lower Transport Layer）：主要负责网络中传送的PDU（协议数据单元，Protocol Data Unit）的分段和重组。如果传输层数据包过长，那么该层会将数据包拆分后送给网络层发送；在收到网络层分片的数据包后，该层会进行数据包的重组。

传输上层（Upper Transport Layer）：负责对上层应用数据进行加密、解密和认证。该层还定义了“传输控制消息”（transport control messages），用于关联节点间互通消息，例如亲友节点（Friend Node）和低功耗节点（Low Power Node）之间的“心跳状态包（Heartbeats）”。

接入层（Access Layer）：定义应用的数据格式，以及如何使用传输层的服务（网络服务）。接入层能够定义、控制在传输层中的数据加密、解密过程。对于传输层送达的数据，接入层能够对其中的网络、应用信息进行验证。

基础模型层（foundation models Layer）：实现应用层模型与Mesh网络协议的适配，定义了其中的消息、状态等属性。

模型层（models Layer）：处于蓝牙Mesh应用层，实现应用层数据配置、设备操作、消息收发的基本功能单位。同时它也具有控制、管理网络的功能，收发与蓝牙mesh网络操作有关的消息，例如网络心跳（heartbeat）消息。在蓝牙Mesh网络中，模型是实现各类应用功能的基础。

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