在本文中，我們將熟悉一些基本的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)概念，例如節(jié)點(diǎn)和元素。我們還將看到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)有不同的要求。為了滿足這些要求，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一些額外的可選功能，即中繼、好友、低功耗和代理功能。 

   了解藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)

    首先，讓我們考慮一個(gè)假設(shè)的智能家居示例來(lái)解釋這些概念?？紤]圖 1 所示的平面圖。

圖 1. 智能家居布局中的節(jié)點(diǎn)示例

   在此示例中，每個(gè)房間都有一盞或多盞燈以及用于控制房間溫度的恒溫器。此外，走廊里還有一個(gè)占用傳感器（圖中的節(jié)點(diǎn) 15）。這些設(shè)備中的每一個(gè)都包含藍(lán)牙無(wú)線電，以便能夠與系統(tǒng)的其他部分進(jìn)行通信。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)術(shù)語(yǔ)中，每個(gè)設(shè)備都稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。

   換句話說(shuō)，節(jié)點(diǎn)是藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它執(zhí)行特定的功能，例如照明或感測(cè)物理參數(shù)，并且包括能夠與網(wǎng)絡(luò)的其余部分通信的藍(lán)牙無(wú)線電。

給定節(jié)點(diǎn)可以直接與一個(gè)或多個(gè)附近節(jié)點(diǎn)通信，但通常它不能直接與網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)其他節(jié)點(diǎn)通信。不在彼此直接無(wú)線電范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)通過(guò)中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。例如，在上圖中，節(jié)點(diǎn) 11 可以通過(guò)節(jié)點(diǎn) 9 與節(jié)點(diǎn) 14 通信。

   藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)元件

    藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可能有多個(gè)組成部分。在上面的示例中，一組三個(gè)燈泡被抽象為網(wǎng)絡(luò)中的單個(gè)節(jié)點(diǎn)（節(jié)點(diǎn) 6）。在這種情況下，這三個(gè)燈泡的通信通過(guò)單個(gè)藍(lán)牙無(wú)線電進(jìn)行。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的組成部分稱(chēng)為元素。

   節(jié)點(diǎn)內(nèi)的每個(gè)元素都有一個(gè)的地址，稱(chēng)為單播地址。通過(guò)這些單播地址，我們能夠獨(dú)立控制節(jié)點(diǎn)的元素。根據(jù)藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，元素是節(jié)點(diǎn)內(nèi)的可尋址實(shí)體。

   一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有不同類(lèi)型的元素。例如，考慮一個(gè)還包括占用傳感器的開(kāi)關(guān)。在這種情況下，切換功能和占用感測(cè)功能是節(jié)點(diǎn)的兩個(gè)不同元素。類(lèi)似地，也具有光級(jí)傳感器的占用傳感器形成具有兩個(gè)元件的節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)至少有一個(gè)稱(chēng)為“主元素”的元素。節(jié)點(diǎn)的附加功能（如果有的話）稱(chēng)為“次要元素”。

    藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)是異構(gòu)的！

    在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)有不同的要求。例如，燈泡節(jié)點(diǎn)由主電源供電，而傳感器節(jié)點(diǎn)可能由電池供電。這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的電源要求明顯不同。雖然燈泡可以一直亮著，但傳感器應(yīng)將大部分時(shí)間置于睡眠模式以節(jié)省電量。

   節(jié)點(diǎn)的處理能力也不盡相同。例如，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路由信息的節(jié)點(diǎn)比網(wǎng)絡(luò)邊緣不充當(dāng)路由器的節(jié)點(diǎn)需要更多的處理能力。此外，網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點(diǎn)可能需要能夠與不直接支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備進(jìn)行通信，例如智能手機(jī)和平板電腦。

    為了滿足所有這些要求，藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議允許每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一些額外的可選功能。有四種預(yù)定義的節(jié)點(diǎn)功能（圖 2），即中繼、好友、低功耗和代理功能。

圖 2. 典型的藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)由具有不同功能的節(jié)點(diǎn)組成。圖片由英飛凌提供

   我們來(lái)看看這些節(jié)點(diǎn)的特性。

    中繼節(jié)點(diǎn)特性：與 Zigbee 和 Thread 的區(qū)別

    中繼節(jié)點(diǎn)重傳其接收到的信息。這是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的基本要求，可以擴(kuò)大覆蓋范圍并增強(qiáng)可靠性。但是，應(yīng)該注意的是，這是一個(gè)可選功能，并非所有節(jié)點(diǎn)都需要充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)器。例如，位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的節(jié)點(diǎn)不需要是中繼節(jié)點(diǎn)。

由于中繼節(jié)點(diǎn)需要不斷監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)并重傳收到的信息，因此其功耗較高，通常需要市電供電。

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與 Zigbee 和 Thread 等協(xié)議之間存在根本區(qū)別。Zigbee 和 Thread 使用路由表，這意味著為從節(jié)點(diǎn) A 到節(jié)點(diǎn) B 的消息選擇特定路徑。但是，對(duì)于藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，沒(méi)有特定路徑，數(shù)據(jù)包只是廣播到所有附近的節(jié)點(diǎn)。中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)它們收到的消息，直到消息到達(dá)終目的地。

    由于這種被稱(chēng)為“洪泛傳輸”模型的路由方法，必須仔細(xì)選擇中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和位置，以提供足夠的傳輸路徑，而不會(huì)不必要地增加網(wǎng)絡(luò)流量。大量的中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包沖突率、延遲和能耗 

    低功耗節(jié)點(diǎn)和朋友特性

     顧名思義，低功耗節(jié)點(diǎn) (LPN) 試圖限度地減少功耗。這對(duì)于電源有限的設(shè)備非常有用，例如家庭自動(dòng)化中的電池供電傳感器節(jié)點(diǎn)和零售店的價(jià)格標(biāo)簽。為了限度地減少功耗，LPN 大部分時(shí)間都處于睡眠模式，其中節(jié)點(diǎn)無(wú)線電硬件關(guān)閉。

   總體而言，LPN 僅短暫?jiǎn)拘岩耘c網(wǎng)絡(luò)通信，并且無(wú)法在睡眠模式下接收其消息。因此，需要另一個(gè)沒(méi)有功率限制并且可以始終開(kāi)啟的節(jié)點(diǎn)來(lái)收集應(yīng)傳送到 LPN 的消息。LPN 通過(guò)該關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，稱(chēng)為友節(jié)點(diǎn)。

     朋友節(jié)點(diǎn)始終監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)并收集與其關(guān)聯(lián)的 LPN 的傳入消息。當(dāng) LPN 醒來(lái)時(shí)，它會(huì) ping 其友節(jié)點(diǎn)以檢查是否有任何新消息。朋友節(jié)點(diǎn)還將來(lái)自 LPN 的消息中繼到網(wǎng)絡(luò)中，這意味著朋友節(jié)點(diǎn)也應(yīng)該是中繼節(jié)點(diǎn)。

    例如，燈泡是一種常見(jiàn)的設(shè)備類(lèi)型，可以充當(dāng)附近功率受限設(shè)備的朋友節(jié)點(diǎn)。如下圖3所示，一個(gè)好友節(jié)點(diǎn)可以與多個(gè)LPN建立友誼關(guān)系。

圖 3. 顯示好友節(jié)點(diǎn)和 LPN 關(guān)系的示例

     節(jié)點(diǎn)代理功能

     代理功能允許節(jié)點(diǎn)充當(dāng)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)與不直接支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)但支持藍(lán)牙低功耗 (BLE)的設(shè)備（例如智能手機(jī)）之間的接口。在藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，有兩種不同的消息傳輸方法：ADV（或廣告）承載和 GATT（或通用屬性）承載，如圖 4 所示。

圖 4.ADV承載（左）和 GATT 承載（右）概述。圖片由瑞薩電子提供。

   ADV 承載使用 BLE 設(shè)備的廣告狀態(tài)來(lái)發(fā)送和接收消息。當(dāng) BLE 設(shè)備進(jìn)行通告時(shí)，它會(huì)定期發(fā)送可由附近設(shè)備檢測(cè)和處理的數(shù)據(jù)包。ADV承載發(fā)送的消息可以同時(shí)被許多節(jié)點(diǎn)接收。此方法用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的通信，但并非所有可用的智能手機(jī)都支持。ADV 承載基于 BLE 的 GAP（或通用訪問(wèn)配置文件），并使用一種特殊類(lèi)型的廣告，稱(chēng)為不可連接和不可掃描的無(wú)向廣告。

   另一方面，GATT 承載以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)浒l(fā)送和接收消息。在這種情況下，需要建立連接。所有支持 BLE 的智能手機(jī)都可以通過(guò) GATT 承載進(jìn)行通信。藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的代理節(jié)點(diǎn)支持使用 GATT 承載和 ADV 承載的通信。換句話說(shuō)，代理節(jié)點(diǎn)能夠在 GATT 和 ADV 承載之間中繼消息，因此可以充當(dāng)不支持藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)但具有 BLE 功能的智能手機(jī)等設(shè)備的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)接口。

    代理功能還可用于將支持 BLE 的舊傳感器連接到藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。例如，基于藍(lán)牙 4.0 的舊傳感器可以與具有代理功能的燈泡進(jìn)行通信。在這種情況下，燈泡將消息從一個(gè)承載轉(zhuǎn)換到另一個(gè)承載，以便舊傳感器可以與網(wǎng)絡(luò)通信。