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Mesh拓扑,与星形拓扑相比,明细的优势在于拓展了网络覆盖范围的同时,实现了点对点的通信;随之而带来的是更复杂的组网流程及更复杂的网络维持机制。基于原先对IEEE 802.15.4的应用经验,Mesh涉及的问题有:
1. 复杂的入网流程;
2. 网络的维护;
3. 节点的通信;
4. 网络节点容量;
本文主要基于Ericsson的蓝牙Mesh白皮书,先介绍其搭建的网络测试结果,回头介绍蓝牙Mesh网络的一些特点;(欢迎关注智联网事)
Ericsson的白皮书 “Bluetooth Mesh Networking”
图1 / 蓝牙Mesh网络拓扑
¢ Ericsson的网络测试
Ericsson作为蓝牙SIG的成立会员,在蓝牙Mesh发布之初的2017年七月,就发布了一篇网络性能的白皮书,里面总结了Ericsson在2000平方米的办公室,安装879个蓝牙节点的Mesh网络的测试结果;
网络测试分别基于如下两种模型:
Baseline模型:只考虑了消息缓存及TTL(最多消息中继几跳,这里设置是3)
Enhanced模型:在Baseline模型基础上,增加了消息重复发送及随机的广播时间;
针对两种模型,Ericsson分别测试了Sparse(稀疏)的Mesh网络 (设置了12个中继节点) 及Dense (拥挤) 的Mesh网络(设置了49个中继节点)情况下的消息传递结果,通信成功的衡量标准为300ms内消息传递成功;
图2/ 蓝牙Mesh网络测试结果
Low/Medium/High标准:
Low traffic 网络应用总计吞吐率 ~150bps
Medium traffic 网络应用总计吞吐率 ~1kbps
High traffic 网络应用总计吞吐率 ~3kbps
可以看到,在低应用吞吐率情况下,Baseline模型可以达到不错的效果,而随着消息的增长,通信成功率出现了大幅下降;Baseline模型中,Dense的网络拓扑比Sparse的拓扑性能更差,这也是Mesh网络难度的地方,不仅仅是说,你增加中继,效果就可以更好;(Baseline模型中,一方面没有采用消息重复发送的机制,这会导致消息发送时刻被干扰,就会丢包;另一方面,没有采用广播时间随机性,这导致的网络消息冲突的概率上升)
对比的看Enhanced模型,通信成功率非常棒,在High Traffic下,也能达到99.9%的成功率,且Enhanced模型中,Sparse网络部署结果在High Traffic下,效果优于Dense网络部署 (99.9%比99.1%);
下面两图可直观的帮你理解两种模型下不同结果的原因,在High traffic下,消息的传输可能需要高达6跳完成
图3 / Mesh网络Baseline模型结果
图4 Mesh网络Enhanced模型结果
网络的测试结果因素很多,不仅仅和网络节点及网络的参数设置相关,还和你中继节点的选择,中继个数相关,且不是中继个数越多越好;
¢ 蓝牙Mesh的特点
了解了蓝牙网络性能测试后,回头来总结蓝牙Mesh架构设计上的一些特点,先做一个总结下的感受:蓝牙Mesh通过人的参与设计部署,来简化基于Route Mesh网络的复杂性;利弊,,,
1) 网络无需中心节点
蓝牙Mesh与其他Mesh拓扑的很大不同,无需中心网关,节点与节点通信,节点的入网,均是通过配置实现
2) 节点信息,入网可配置
节点通过配置完成入网,无繁琐的入网交互流程及对应入网过程路由表的建立
3) 采用洪流(Flooding)模式进行通信
与一般的Mesh基于路由表通信相比,蓝牙Mesh利用广播+中继接收转发的机制,完成消息的传递;
4) 通信采用发布/订阅模型
节点发布信息,将消息发送至对应地址,订阅该地址的节点,将收到消息;这一特点,可以实现一对多的控制以及多对一的控制;比如一个开关可以控制三个灯泡,一个灯泡可以被三个开关控制。这个特性也是充分利用了蓝牙Mesh广播通信的优势;
5) 两重安全机制
蓝牙Mesh采取了应用层安全密钥及网络安全密钥,来保护网络的安全;网络安全密钥应用于整个网络,而应用层密钥则专门保护专门的终端节点;比如,灯控的消息可以被同一网络的开关,执行器等转发,而开关,执行器转发过程,无法解密具体的应用数据,即使同一网络,也无法实现灯的控制 (这加大了破解网络的难度)
6) 低功耗支持
针对低功耗如电池供电节点,可制定其他的节点作为低功耗节点的Friend节点,当低功耗节点进入睡眠后,Friend节点可以替代接收低功耗节点消息,并在低功耗节点唤醒后,将数据传递给低功耗节点;
7) 代理支持
针对已实现BLE 4.0/4.2协议的传统BLE设备,可通过代理节点,实现传统BLE节点加入Mesh网络;代理节点与传统BLE节点通过特定GATT Profile进行消息传递;
下一篇,将重点介绍Nordic针对蓝牙Mesh网络的实际测试报告;非常好的参考测试报告;