透過連線/廣播方式實作　BLE網狀網路建構非夢事

藍牙網路結構分析

一直以來，Bluetooth都是使用星狀網路(Star Network)，如圖1左邊所示，星狀網路正中間是Central，一個Central可連線多個周邊(Peripherals)並與之通訊，但Peripherals彼此之間無法互相連線通訊，Central之間也無法互相通訊，因此這樣的星狀網路其網路規模通常很小，且缺乏擴充性。這樣的網路架構，適合用於簡單的一對一或是一對多裝置的無線通訊控制，例如手機一次可以連接多樣藍牙裝置，但卻不適合用於大量裝置之間互相通訊的環境，例如智慧家庭網路並非是星狀網路就可以架構出來的。

圖1右表示的是網狀網路(Mesh Network)，其有多種變形，但簡單來說，就是裝置間可以互相連接並延伸下去，而沒有星狀網路的限制，因此網狀網路所組成的網路架構可大可小，且非常具有彈性，但相較於星狀網路，通訊協定就相對複雜，使用及設定也比較困難。

圖1 左為星狀網路架構，右為網狀網路架構

低耗電量技術BLE的目標，是希望成為物聯網(Internet of Things)的標準通訊協定，而智慧家庭是物聯網中一個很大的項目，目前智慧家庭最常被使用的無線通訊協定是ZigBee，它跟BLE一樣工作在2.4GHz，但使用和BLE全然不同的通訊協定架構，且支援完整的網狀網路。

ZigBee的網狀網路如圖2所示，它把網路中的節點(Node)分成Coordinator(C)，Router(R)以及Device(D)。一個網路只能有一個C，而C可以跟R或是D通訊，而R則可以再跟其他D通訊，至於D和D之間彼此則不能通訊，所以布建ZigBee網路時須把角色制定好，然後就可透過Mesh讓整個網路延伸下去，更彈性，且透過這種多跳(Multi-hop)的特性，可以延展無線通訊的距離。

圖2 ZigBee網狀網路架構

雖然Bluetooth已演進至目前最新的4.2版本(表1)，但仍未提出網狀網路，但這將是勢在必行的方向，目前BLE因為和智慧型手機相容的優勢，幾乎獨占智慧穿戴裝置及部分無線控制器市場，但是卻無法打入智慧家庭等應用，因為智慧家庭所需的架構及裝置數目，須使用整合性及擴充性夠強的網路，而這是目前BLE的弱勢，所以網狀網路會是BLE邁向物聯網必經之路，相信或許下一個版本，將有可能為Bluetooth帶來全新的網狀網路架構。

表1 藍牙4.0版至4.2版規格特色比較表

雖然BLE規格並沒有納入網狀網路，但它既然是一個無線通訊協定，就還是有辦法透過應用層(Application Layer)實作特定機制，來達到網狀網路預期的功能，也就是所謂的專屬網狀網路(Proprietary Mesh)。

BLE網狀網路實作方法

BLE有兩種做法可達到網狀網路，兩者都得透過在應用層加入Mesh相關的通訊協定，第一種方式是透過連線來達到Mesh，另一種則是透過廣播方式。

第一種方法的優點是通訊之前就會先建立連線，所以裝置間的通訊是很明確由某一個來源節點(Source Node)到另一個目標節點(Destination Node)，且會有BLE的通訊協定保證資料正確送達，但缺點是實作比較困難，且若資料傳遞需求是一對多(例如關閉或開啟一個空間內所有的燈)，會很沒效率。

第二種透過廣播的方式，則比較容易實作，也很適合做大量裝置的同時控制，但缺點是廣播訊息表示非目標節點也會收到這些訊息，而大量的廣播訊息會讓整個無線環境干擾變大，資料也會有遺失的可能，下面會更詳細的介紹這兩種方式的實作概念。

先談第一種方式，前文提過BLE有Central及Peripheral兩種角色的差異，且兩種角色的功能及能力不同，其中一個限制就是只有Central可以主動發起對Peripheral的連線，所以若要使用BLE架構起如圖3左的網狀網路，且必須透過連線方式的話，則前提是BLE裝置本身有角色切換(Role Switch)的能力，也就是能夠自由的視需求及狀態來切換角色。有了這個功能後，每個裝置必須記錄如圖3右的Routing Table，這個表格用來記錄每個裝置之間的聯通性，此處顯示的是比較簡單的雙向聯通。有了這兩樣要素後，BLE就能夠達到網狀網路的功能。

圖3 透過連線方式實現BLE網狀網路

舉例來說，當使用手機連接D並傳送一關燈指令給F的時候，訊息傳遞的步驟如下：
1. 手機為Central，跟D(Peripheral)做連線，將關燈命令及目標節點F告知D。
2. D必須要把命令送到F，D會去查Routing Table，並找尋將命令傳遞到F最快的傳遞方式，以這個例子來說，就是透過A來傳遞。
3. D會切換成Central跟A(Peripheral)連線並將命令傳遞給A，之後D會切換回Peripheral。
4. A收到命令後，依樣去找和F最近的傳遞路徑，以這個例子來說是直接傳遞。
5. A切換成Central，和F(Peripheral)做連接，將命令送達F，之後A切換回Peripheral。
6. F將電燈關閉。

接下來討論第二種透過廣播方式達到網狀網路的設計。這是目前比較常見的BLE Proprietary Mesh解決方案。BLE通訊協定的特性是廣播者(Broadcaster)使用三個固定的通道(Channel)38、39、40來做為廣播的通道，而接收者(Observer)只要去接收這三個特定的通道，便可收到Broadcaster送來的廣播訊息。

藉由這個特性，BLE要用廣播方式達到網狀網路非常簡單，當有一個資訊要傳遞到網路給特定裝置時，只要由一個起始裝置將資訊廣播出去，並且規定所有收到此廣播資訊的裝置，必須再將此資訊廣播出去，如此一傳十，十傳百，整個網路的裝置都會收到此訊息。而若目標裝置也收到此訊息，它便會去執行此訊息的對應工作。

在此補充一點，如同連線型的BLE Mesh需要Central及Peripheral角色切換功能，若要達到廣播型的BLE Mesh，裝置也必須要有切換Broadcaster及Observer角色的能力才行。

以圖4為例，假設該網路有A到F共六個裝置，當用戶想要以手機透過D關掉F控制的燈，則訊息傳遞步驟如下：
1. D廣播請F關燈的命令給周邊所有的裝置。
2. A(Observer)及E(Observer)收到了廣播，再把此訊息廣播出去。
3. B(Observer)、C(Observer)及F(Observer)收到了廣播，再把訊息廣播出去(Rebroadcast)。
4. F將電燈關閉。

圖4左圖是廣播進行的方式，實體線表示這個訊息第一次(新的訊息)傳遞給接收端的狀況，虛線則表示是這是已經收過的訊息，也就是無用的廣播訊息，因此我們把實體的部分取出，就得到右圖的部分，它是真正訊息的傳遞(Effective Message Flow)方式。

這種廣播訊息傳遞有兩種特性，一是就算起始跟目標裝置沒改變，每次的Effective Message Flow都是不同的，另一個特性就是如圖4左所表示，這方式會讓整個網路上充斥著一堆沒用的資訊，也就是虛線廣播訊息部分，這種垃圾訊息一但太多，將可能癱瘓掉整個網路，所以廣播式的Mesh通常會加入一些機制來避免過量的垃圾訊息，可能做法是如下：
1. 加入版本控制概念，利用版本號碼，可讓裝置知道現在收到的訊息是新的還是舊的，再由版本決定要不要做Rebroadcast，或是縮小Rebroadcast頻率。
2. 加入停止條件，利用一些資訊決定停止Rebroadcast。例如透過計時器，當時間到就停止Rebroadcast；或者透過計數器，當收到N次一樣的廣播訊息就停止Rebroadcast。

圖4 以廣播方式實現BLE網狀網路

BLE Mesh實作案例分析

網路上還有很多種BLE Mesh的實作方式，接下來以一個實際的BLE網狀網路實作案例來做探討，該案例是由Nordic公司所推出的Nordic-Bcast-Mesh，它是一個開源的專案，可以由下列GitHub網址取得：https://github.com/NordicSemiconductor/nRF51-ble-bcast-mesh。

Nordic-Bcast-Mesh顧名思義就是利用廣播來達到網狀網路，由一個裝置廣播送出訊息後，所有收到此廣播訊息的裝置，再把此訊息廣播出去給它的鄰近裝置，這種方式也被稱為「Packet Flooding」；Nordic-Bcast-Mesh主要就是使用這個機制來做網狀網路，其特點如下：
1. 「Connection-less」也就是整個通訊過程中，不會建立BLE連線，都是靠著廣播訊息達到，這其實也表示送出的資料只要有心收廣播的裝置，都可以拿到，包含惡意的裝置。
2. 所有網路中的裝置都可以發出更新訊息，然後再利用這種廣播「感染」的方式讓整個網路都收到。
3. 每個訊息都會有一個版本號碼(Version Number)，利用版本號碼，可以判斷裝置目前的訊息版本是不是最新，是否要接受新收到的訊息。
4. 整個網路的實作符合RFC6206 Trickle演算法。

Nordic-Bcast-Mesh如何在BLE上配合Trickle演算法，實作出網狀網路?首先是每個網路中的BLE裝置都必須是BLE GATT Server，這個GATT Server會有Mesh Service，然後下面會有Mesh Metadata Characteristic及多個Mesh Value Characteristics，其UUID如表2所示。

表2 Nordic-Bcast-Mesh的UUID

Mesh Metadata結構如表3所示，用來儲存網狀網路的設定參數，這些參數可以被網路中的其他裝置讀取，以及透過演算法的機制被修改，其項目簡介如下：
*Access Address：是此裝置在網路中的位址或是ID，每一個裝置都不同，在網路中是獨一無二的。
*Advertisement Interval：是兩次廣播之間的間隔，也就是當裝置廣播訊息後，下次廣播最少要等Advertisement Interval的時間。
*Value Count：表示Value Characteristic的數量，每個Mesh Characteristic是一個28Bytes的資料，可以存放任何此網路裝置之間需要交換的訊息。
*Channel：表示此裝置用來廣播時使用的Channel。

表3 Mesh Metadata結構

Mesh Service下面會有一到多個Mesh Value Characteristics，最多可以到155個，Mesh Value是整個網狀網路共享的狀態資訊，一個Mesh Value最多28Bytes，可被網狀網路的每個裝置做更新。

另外，每個Mesh Value都是獨立的，會搭配一個Handle用來識別跟區分，所以Handle配上Value就成為Mesh Value Pair，每個Value Pair會運作自己獨立的Trickle演算法，也就是Mesh Values之間的Rebroadcasting機制運作完全彼此獨立。Mesh Value除會有對應紀錄的Handle之外，還會記錄如版本(Version Number)、最後的傳送者(Last Sender)等資訊，但這資訊在不同裝置間不一定相同，透過Trickle演算法會做更新。

再來看網狀網路內廣播的訊息，圖5所示為BLE廣播封包的格式，分別是：
*Advertisement Address：代表最先發起此Mesh Value更新的裝置的Access Address。
*Handle：用來識別要更新的是哪一個Mesh Value。
*Version：此Mesh Value的版本，目的是用來跟目前版本做比對。
*Content：即訊息或是命令本身。

圖5 BLE廣播封包格式

舉一個例子，假設要用BLE無線控制一棟建築內所有的電燈開關，要能一起開一起關，所以網狀網路就是由每個BLE電燈控制器組成，而且會需要一個Value Characteristic(假設Handle為0x01)，其內容就是電燈的開跟關，例如0及1分別代表關與開，而所有網路中的裝置都有此Characteristic，並會保持一致的內容。

假設目前狀態都是關燈，而當要開燈時，會由某一個裝置發起廣播，其廣播內容會在Advertisement Address帶上此裝置位址，然後Handle 0，版本就直接使用上一版本加一，然後Content帶上0x01是開燈的命令。而這廣播訊息會透過Rebroadcast方式，配合Trickle演算法，讓此開燈命令傳遞到整個網路。

接下來是核心的部分，也就是Trickle演算法的部分，目的是讓裝置自己決定何時要做廣播的動作，而決定的因素是基於網路目前的活動頻繁程度，以及上次收到訊息的時間間隔。 Trickle演算法主要就是操控Interval I，此I值越大，兩次廣播間的時間越長：
*這個I會以指數成長(每次Double)，I會介於Imin到Imax之間。
*在I的期間裝置會收下所有資料，如果資料是一致的(Consistent)會做Counter C++，假如收到不一致的資料(Inconsistent)，則I會重置回Imin。
*當廣播送出時，會起一個Timer T，T是Random值介於[2/I，I]之間。
*當T Timeout，且C < Redundancy Constant K，那們就做Broadcast訊息的動作，反之則不Broadcast。
*當I的時間到了之後，newI = oldI * 2，假如newI < Imax，C = 0。

演算法很簡單，分析一下它的概念，I用來控制的是多久Broadcast一次：
*資料Consistent表示裝置收到的跟它現有的資訊(Value Pair)一樣，反之則是不同，表示網路有新的資料更新。
*I每次跑完都會加倍，假如整個網路狀態不變(裝置沒收到Inconsistent資料)，I就會越來越大，廣播的間隔也越長，這是因為網路狀態其實都沒改變，不須一直更新，但是還是保有Imax的最低限度。
*利用C可以知道Node收到Consistent Data的數量，用來估算網路密度(Network Density)，假如C已經大於某個訂好的Constant K就不再幫忙廣播，因為這可能表示周圍的裝置都是最新版本，廣播也沒用。
*至於亂數計時器(Random Timer)，則可以避免干擾，假如每個裝置都是I的倍數時間在傳資料，整個網路可能會出現干擾(Collision)現象，透過Random T可以盡量避免干擾，稍微錯開一點時間。

最後回到BLE網狀網路的主題，由這篇文章的討論，可以知道雖然BLE規格目前還沒有制定Bluetooth的網狀網路架構，但是藉由BLE通訊協定的特性，仍可建立出BLE網狀網路，但建議還是必須搭配應用的需求，明確列出針對此網狀網路需要的應用，並針對應用去設計跟建立正確的網路架構，才是最好的方式。