子網橋接技術發威　藍牙Mesh 1.1實現靈活通訊(1)

藍牙Mesh協議規格1.1版本引入「子網橋接」，而要充分了解子網橋接的功能和優勢，就必須了解藍牙Mesh 1.0版本的特定層面。本文將介紹子網橋接功能的背景及技術。(註：藍牙Mesh配置文件規格已更名，現稱為藍牙Mesh協議規格。本文和相關文件在提及1.1版規格時將使用這一名稱，但在提及1.0版規格時，仍將繼續稱其為藍牙Mesh配置文件規格)。

藍牙Mesh子網背景介紹

子網(Subnet)

藍牙Mesh網路構成所有單播位址的位址空間。藍牙Mesh網路可由一或多個子網組成，共享這一共同位址空間。每個子網都有一個唯一的網路金鑰(NetKey)，如果節點在配置時獲得NetKey，就會成為該子網的成員。

一個節點可以擁有一個以上的NetKey，因此可以是一個以上子網的成員。然而，在藍牙Mesh配置文件規格1.0版本中，訊息無法從一個子網傳遞到另一個子網，子網之間完全隔離。

區域隔離

將網路劃分為幾個不同的子網，以便將網路的不同部分隔離開來，可提供許多好處。

區域隔離安全升級

出於安全考量，防止一個子網的裝置與其他子網的裝置進行互動可能是有用的，甚至是必要的。以旅館客房為例，房間內的智慧型裝置可與同一房間內的其他裝置通訊，但不能與房間外的裝置通訊。將每個旅館客房內的裝置置於各自的子網中，可以將每個房間的裝置與其他房間的裝置隔離開來，滿足旅館客房的安全要求(圖1)。

區域隔離確保網路效率

子網還可用於將網路流量限制在建築物的特定區域內。若訊息需要透過中繼才能到達所有預定目的地節點，並使用受管網路泛洪(Managed Flooding)，這項特點尤其有用。子網可視為是在一組裝置周圍設置邊界，即使訊息中繼也無法跨越邊界，因此可避免將無關訊息中繼到沒有目的地裝置所在的網路部分。

這種技術通常用於隔離辦公室的不同樓層，如圖2所示。三樓電燈開關發送的訊息將由該樓層天花板的中繼節點轉發，因為它們屬於同一個子網，但上下樓層的中繼節點可能會收到開關發送的訊息，此時則會立即捨棄訊息，因此訊息不會跨樓層傳播。

重放攻擊和序列號

惡意裝置可以被動接收訊息，並在稍後重新傳輸，可能導致網路發生未經授權變更，這種攻擊稱為重放攻擊(Replay Attack)。藍牙Mesh定義了防止重放攻擊的重放保護機制。

重放保護包括所有訊息都有一個相關的nonce值，其中包括一個24位元序列號(SEQ)；來源節點每發送一則新訊息，都必須遞增該序列號。如果一個節點每5秒鐘發送一次訊息，那麽SEQ值大概將在兩年多之後開始循環使用。為了防止這種情况發生，SEQ值由32位元初始化向量(IV)值延伸，該值在整個網路中共享。如果SEQ值面臨耗盡的風險，IV就會透過名為IV更新的程序自動更新。

32位元IV值本身並不包含在訊息中，取而代之的是稱為IVI的單位元欄位；該欄位表示網路在同一時間可能使用的兩個IV值中，哪一個與訊息相關。

接收裝置會追蹤每個來源位址上次成功處理訊息的IV和SEQ值。如果收到訊息的IV值和SEQ值組合，在數值上不高於從同一來源單播位址收到的最後一則訊息，就會將該訊息視為可能的重放攻擊並加以捨棄。

評估藍牙Mesh 1.0中的子網

藍牙Mesh配置文件規格1.0版本定義的子網，具有部分安全性和網路利用效率的優勢，卻也因為子網造成的區域隔離絕對性，不易滿足某些要求。如果為了利用效率而使用子網限制訊息在網路無關部分的傳輸，那麽網路規畫人員必須仔細考慮如何使用子網。安裝人員必須在首次建立網路時設定所需的子網。

定向轉發提供了一種更好的方法，可將節點間的流量限制在網路的相關部分。子網有時也能達到類似效果，但子網區域隔離無法像定向轉發那樣精確定向，只能限制選定的裝置處理訊息。目前推薦使用定向轉發來滿足網路利用效率的要求。

使用子網作為網路安全機制的區域隔離功能非常强大。想像一下，若某家旅館的每間客房皆採用子網區域隔離，並且於客房採用智慧型技術，讓客人可以對裝置和系統進行手動和自動控制，不僅升級客人使用體驗，旅館管理階層也對房間裝置無法互相干擾感到滿意。然而，旅館管理階層也希望能安裝閘道器，讓每個客房的感測器皆能報告住用資料，以便為TCP/IP型圖形使用者介面系統(GUI System)提供訊息，在不打擾客人的情況下安排客房清潔和洗衣服務。使用藍牙Mesh 1.0子網時，需要在每個旅館房間皆安裝閘道器節點，才能實現這一目標。

子網橋接技術發威　藍牙Mesh 1.1實現靈活通訊(1)

子網橋接技術發威　藍牙Mesh 1.1實現靈活通訊(2)