ESP-BLE-MESH 架构

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本文档将介绍 ESP-BLE-MESH 的架构概览、架构实现和辅助程序。

  • ESP-BLE-MESH 架构概览
    • 描述了 ESP-BLE-MESH 架构的 5 大部分及每个部分的功能。
  • ESP-BLE-MESH 架构实现
    • 描述了 ESP-BLE-MESH 文件的基本功能、文件与 ESP-BLE-MESH 架构的对应关系及文件间调用的接口。
  • ESP-BLE-MESH 辅助程序
    • 描述了 ESP-BLE-MESH 的辅助程序，比如 Mesh 网络管理，Mesh 特性等。

1. ESP-BLE-MESH 架构概览

目前，ESP-BLE-MESH 已经实现了 Mesh Profile 的大多数功能及 Mesh Model 规范中定义的所有 Client Model。未支持的功能/模型尚在开发中，会尽快提供。 ESP-BLE-MESH 已通过 Bluetooth SIG 蓝牙技术联盟的 认证。

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图 1.1 ESP-BLE-MESH 架构图

ESP-BLE-MESH 架构主要由以下 5 大部分组成：

  • Mesh 协议栈
    • Mesh Networking 负责 BLE Mesh 设备的网络消息处理等。
    • Mesh Provisioning 负责 BLE Mesh 设备的启动配置流程。
    • Mesh Models 负责实现 SIG 定义的模型。
  • 网络管理
    • 负责实现网络管理程序，包括节点删除程序、网络索引 (IV Index) 恢复程序等。
  • 特性
    • 包括 BLE Mesh 特性，如低功耗特性、好友特性、中继特性等。
  • Mesh 承载层
    • 包括 广播承载层 和 GATT 承载层。承载层对于 ESP-BLE-MESH 协议栈至关重要，因为协议栈基于蓝牙低功耗技术构建而成，其必须利用承载层通过 BLE 广播通道和连接通道进行数据传输。
  • 应用程序
    • 基于 ESP-BLE-MESH 协议栈和 Mesh Models。
    • 通过调用 API 和处理事件，Applications 实现了与 ESP-BLE-MESH 协议栈中的 Mesh Networking 和 Mesh Provisioning 的交互，也实现了与 Mesh Models 中一系列模型的交互。

1.1 Mesh 协议栈

1.1.1 Mesh Networking

协议栈架构中的 Mesh Networking 实现了如下功能:

  • Mesh 网络中节点间的通讯。
  • Mesh 网络中消息的加解密。
  • Mesh 网络资源的管理，如网络秘钥 (NetKey)、网络索引等。
  • Mesh 网络消息的分包与重组。
  • 消息在不同模型间的模型映射。
  • 更多功能，请参见 ESP-BLE-MESH Feature List。

Mesh Networking 功能的实现是基于层级结构的。每一层的功能如表 1.1 所示：

表 1.1 Mesh Networking 框架描述
层级 功能
接入层 接入层定义应用程序数据的格式，还对上层传输层对数据包的加密和解密进行定义和控制。
上层传输层 上层传输层对接入层进出的应用数据进行加密、解密和认证，同时也处理被称为 “传输控制消息”的特殊消息，这种消息包括了与“友谊”和心跳包相关的消息。
底层传输层 底层传输层处理 PDU 的分包和重组。
网络层 网络层定义网络消息的地址类型和格式，实现设备的中继功能。

1.1.2 Mesh Provisioning

协议栈架构中的 Mesh Provisioning 实现了如下功能：

  • 对未配网设备的配网。
  • Mesh 网络资源的分配 (单播地址、网络索引和网络秘钥)。
  • 配网期间对 4 种验证方法的支持。
  • 更多功能，请参见 ESP-BLE-MESH Feature List。

Mesh Provisioning 功能的实现是基于层级结构的。每一层的功能如表 1.2 所示：

表 1.2 Mesh Provisioning 框架描述
层级 功能
Provisioning PDUs 通过配网协议处理不同层级的 Provisioning PDUs。
Generic Provisioning PDU/Proxy PDU 使用 Generic Provisioning 层或代理协议层将 Provisioning PDU 传输到未配网的设备。
PB-ADV/PB-GATT 这些层级定义了 Provisioning PDUs 作为可分包和重组的消息进行传输的方式。
Advertising/Provisioning Service Provisioning bearer 定义了会话建立的方式，该方式用来将 Generic Provisioning 层的传输包传送到设备。

1.1.3 Mesh Models

协议栈架构中的 Mesh Models 实现了如下功能：

  • Configuration Client/Server Models
  • Health Client/Server Models
  • Generic Client/Server Models
  • Sensor Client/Server Models
  • Time and Scenes Client/Server Models
  • Lighting Client/Server Models

每一层的功能如表 1.3 所示：

表 1.3 Mesh Models 框架描述
层级 功能
模型层 模型层实现用于标准化典型用户场景操作的模型，包括 Generic Client/Server Models、Sensor Client/Server Models、Time and Scenes Client/Server Models、Lighting Client/Server Models 和若干自定义模型。
基础模型层 基础模型层实现与 ESP-BLE-MESH 网络配置、管理和自我诊断等相关的模型。

1.2 Mesh 网络管理

网络管理 实现了如下功能：

  • 节点移除程序：用于将节点从网络中移除。
  • 网络索引恢复程序：用于恢复节点的网络索引。
  • 网络索引更新程序：用于更新节点的网络索引。
  • 秘钥更新程序：用于更新节点的网络秘钥、应用秘钥 (AppKey) 等。
  • 网络创建程序：用于创建 mesh 网络。
  • NVS 存储器：用于存储节点的网络信息。

1.3 Mesh 特性

特性 包括以下几项：

  • 低功耗特性：用于降低节点的能耗。
  • 好友特性：用于为低功耗节点存储消息。
  • 中继特性：用于中继/转发节点通过广播承载层收到的网络 PDU.
  • Proxy Server/Client 是代理协议中的两个节点角色，其使节点可以通过面向连接的承载层收发 Network PDUs、mesh beacons、代理配置消息和 Provisioning PDU。

1.4 Mesh 承载层

协议栈框架中的 承载层 负责 ESP-BLE-MESH 协议栈和低功耗蓝牙核心协议间的数据传输。

承载层 可视为是基于蓝牙低功耗核心协议的载体层，其实现了 ESP-BLE-MESH 协议栈数据的接收和传输。

表 1.3 Mesh 承载层描述
层级 功能
GATT 承载层 GATT 承载层使用代理协议通过 GATT 连接在两个设备之间发送和接收 Proxy PDUs。
广播承载层 使用广播承载层时，必须使用低功耗蓝牙广播通道来发送 mesh 数据包, 数据包中的 AD Type 需要设置为 mesh 数据包的类型。

1.5 Mesh 应用层

协议栈框架图中的 应用层 通过调用 ESP-BLE-MESH 协议栈提供的 API 并处理协议栈上报的事件来实现相应的功能，有一些常见应用，比如网关、照明等。

应用层和 API / 事件 之间的交互

  • 应用层调用 API

    • 调用配网相关的 API 进行配网。
    • 调用模型相关的 API 发送消息。
    • 调用设备属性相关的 API 获取设备的本地信息。

  • 应用层处理事件

    应用层的设计基于事件设计，事件将参数传输给应用层。事件主要分为两大类。

    • 调用 API 完成的事件。
      • 比如接收消息的节点。
    • 协议栈主动上报给应用层的事件。
      • 协议栈主动上报的事件。
      • 模型主动上报的事件。

  • 事件通过应用层注册的回调函数进行上报，同时回调函数中也会包含对事件的相应处理。

API /事件 与 ESP-BLE-MESH 协议栈的交互

  • 用户使用的 API 主要调用``Mesh Networking``、Mesh Provisioning 和 Mesh Models 提供的函数。
  • API /事件 和协议栈的交互不会跨越协议栈的层级进行操作。比如 API 不会调用 Network Layer 相关的函数。

2. ESP-BLE-MESH 架构实现

ESP-BLE-MESH 架构的设计和实现是基于层级和模块的。具体而言，第 2.1 节（Mesh 网络的实现），第 2.2 节（Mesh 配网实现）和第 2.3 节（Mesh 层级实现）基于层级思想，第 2.4 节（网格模型的实现）基于模块思想。

  • 层级思想: 基于层级思想，网络架构根据 Mesh Profile Specification 中指定的层级设计而成。每层都有独特的文件，文件包括该层的 API 等。具体设计如图 2.1 所示。
  • 模块思想: 每个文件实现一个独立的功能，供其它程序调用。
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图 2.1 ESP-BLE-MESH 架构实现图

ESP-BLE-MESH 架构采用分层的方式进行设计，数据包的处理所经过的层级顺序是固定的，也就是数据包的处理过程会形成一个 消息流。因此，我们可以从图 2.1 的协议栈接口图中看到消息流。

2.1 Mesh 协议栈的实现

2.1.1 Mesh Networking 实现

Mesh Networking 中的文件列表和每个文件实现的功能如表 2.1 所示：

表 2.1 Mesh Networking 文件描述
文件 功能
access.c BLE Mesh 接入层
transport.c BLE Mesh 底层/上层传输层
net.c BLE Mesh 网络层
adv.c 用于发送 BLE Mesh 广播包的任务，一个用于处理收到的广播包的回调以及用于分配 adv 缓冲区的 API

2.1.2 Mesh Provisioning 实现

由于 Node/Provisioner 共存的限制，Mesh Provisioning 的实现分为两大模块。

实现 Node 启动配置的特定文件如表 2.2 所示：

表 2.2 Mesh Provisioning（节点）文件描述
文件 功能
prov.c BLE Mesh 节点配网 (PB-ADV & PB-GATT)
proxy_server.c BLE Mesh 节点代理服务器相关功能
beacon.c 用于处理 BLE Mesh Beacon 的 API

实现 Provisioner 配置功能的特定文件如表 2.3 所示：

表 2.3 Mesh Provisioning (Provisioner) 文件描述
文件 功能
provisioner_prov.c BLE Mesh Provisioner 配置入网 (PB-ADV & PB-GATT)
proxy_client.c BLE Mesh 代理客户端相关功能
provisioner_beacon.c BLE Mesh Provisioner 接收 Unprovisioned Device Beacon

2.1.3 Mesh Models 实现

Mesh Models 用于实现节点中所包含的模型的具体功能。服务器模型主要用于维护节点状态。客户端模型主要用于获取和修改节点状态。

Table 2.4 Mesh Models 文件描述
文件 功能
cfg_cli.c 发送 Configuration Client 消息，接收相应应答消息
cfg_srv.c 接收 Configuration Client 消息，发送适当应答消息
health_cli.c 发送 Health Client 消息，接收相应应答消息
health_srv.c 接收 Health Client 消息，发送适当应答消息
client_common.c BLE Mesh 模型相关操作
generic_client.c 发送 BLE Mesh Generic Client 消息，接收相应应答消息
lighting_client.c 发送 BLE Mesh Lighting Client 消息，接收相应应答消息
sensor_client.c 发送 BLE Mesh Sensor Client 消息，接收相应应答消息
time_scene_client.c 发送 BLE Mesh Time Scene Client 消息，接收相应应答消息

2.2 Mesh Bearers 实现

Mesh Bearers 在实现时充分考虑了可移植性。当 ESP-BLE-MESH 协议栈需要移植到其它平台时，用户只需要修改 mesh_bearer_adapt.c 就能移植成功。

表 2.5 Mesh Bearers 文件描述
文件 功能
mesh_bearer_adapt.c BLE Mesh 承载层适配文件。此文件提供用于接收和发送 BLE Mesh ADV 和 GATT 相关数据包的接口。

注解

mesh_bearer_adapt.c 是对 Mesh 网络框架中 Advertising Bearer 和 GATT Bearer 的实现。

2.3 Mesh Applications 实现

我们提供了一系列用于客户开发的应用示例，用户可以基于 ESP-BLE-MESH 示例 开发产品。

3. ESP-BLE-MESH 辅助程序

辅助程序指的是 ESP-BLE-MESH 协议栈中可选的功能。辅助程序的设计通常通过 CONFIG_BLE_MESH 来实现代码的裁剪。

3.1 特性

  • 低功耗
  • 好友
  • 中继
  • 代理客户端/代理服务器

3.2 网络管理

  • 节点移除程序
  • 网络索引恢复程序
  • 网络索引更新程序
  • 秘钥更新程序
  • 网络创建程序
  • NVS 存储器

3.3 辅助程序实现

采用独立模块的设计主要考虑到两个因素：

  • 该模块不具备分层实现的条件，其实现可以完全独立，不需要依赖其它模块。
  • 模块中的函数会被反复使用到，因此最好设计成独立模块。独立模块如表 3.1 所示：
表 3.1 模块文件描述
文件 功能
lpn.c BLE Mesh 低功耗功能
friend.c BLE Mesh 好友功能
net.c BLE Mesh 中继功能、网络创建、网络索引更新程序、网络索引恢复程序、秘钥更新程序相关功能
proxy_server.c BLE Mesh 代理服务器相关功能
proxy_client.c BLE Mesh 代理客户端相关功能
settings.c BLE Mesh NVS 存储器功能
main.c BLE Mesh 协议栈初始化，协议栈使能，节点移除相关功能