Bluetoothメッシュ-基本的なネットワークコンポーネント

Bluetoothメッシュネットワークに関するトピック、このノートに記載されているアナウンスメントおよびキーコンポーネントに関するトピックの続きで、そのトポロジを理解するために、以前はBluetooth LEの世界になかった主要な技術用語と概念を検討します。

誰も気にしない、ようこそ...

ほとんどのBLEデバイスは、Bluetoothコア仕様でピコネットと呼ばれる1対1の通信を可能にするシンプルなポイントツーポイントネットワーク（p2p）ネットワークトポロジを使用して相互に通信します。

心拍数モニターとのポイントツーポイント接続を確立し、心拍数モニターから心拍数のデータを受信するスマートフォンを想像してください。 Bluetooth仕様では、デバイスが複数の接続を同時に確立できるため、心拍数モニターとのp2p接続をすでに持っている同じスマートフォンは、アクティビティトラッカーなどの別のデバイスと同じタイプの別の接続を確立できます。 この場合、スマートフォンは他の各デバイスと直接通信できますが、デバイス自体は互いに直接通信できません。

p2pとは異なり、メッシュネットワークでは、各デバイスがネットワーク上の他のデバイスと対話できます。 通信はメッセージの送信によって実行され、デバイスはこれらのメッセージを他のデバイスに送信および中継できるため、各ノードの無線範囲をはるかに超えて通信範囲が拡大します。

デバイスとノード

Bluetoothメッシュサポート付きのシャンデリアを購入したとしましょう。 Bluetoothメッシュも使用するスイッチを使用して制御するには、まずシャンデリアをメッシュネットワークの一部、つまり「準備」する必要があります。 これに関連して、新しい用語が登場しました。

• 「ノード」は、メッシュネットワークの一部であるデバイスです。
• プロビジョニングされていないデバイスは、ネットワークの一部ではないデバイスです。
• 「プロビジョニング」とは、準備されていないデバイスをネットワークに入力し、その後デバイスがノードになるプロセスです。 これらは、ネットワークセキュリティのコンテキストにおける特定のアクションであり、ネットワークに登録する機能を持つデバイスと特定の暗号化キーのセットを交換することにより、デバイスがネットワークのメンバーになるという事実につながります。 ネットワーク登録機能を備えたデバイスは、通常タブレットまたはスマートフォンです。 暗号化キーの1つは「ネットワークキー」または簡単に「NetKey」と呼ばれます。
  

メッシュネットワークのすべてのノードには少なくとも1つの「NetKey」があり、そのようなキーが存在することにより、デバイスはネットワークのメンバー、つまりノードになります。 ノードが有用になる前に満たさなければならない他の要件がありますが、初期化プロセスを介して安全にNetKeyを作成することが最初の主要なステップです。 初期化プロセスについては、以下で詳しく説明します。

アイテム

一部のノードは複数の部分で構成でき、各部分を個別に制御できます。 Bluetoothメッシュネットワークの用語では、これらの部分は要素と呼ばれます。 左の図は、LEDシャンデリアを示しています。これは、ネットワークに追加されると、3つの要素を持つ単一ユニットであり、各要素は個別の光源です。

メッセージ

ノードが他のノードのステータスを要求するか、何らかの方法で他のノードを管理する必要がある場合、特定のタイプのメッセージを送信します。 ノードがそのステータスを他のノードに伝える必要がある場合、メッセージも送信します。 したがって、メッシュネットワークはメッセージベースであり、多くのメッセージタイプがすでに定義されており、それぞれに固有のオペコードがあります。

メッセージは2つのカテゴリに分類されます。

• 確認済み ：メッセージが受信したノードからの応答を意味するメッセージ。 応答すると、ノードはメッセージが受信されたことを確認し、送信者にデータを返します。 承認されたメッセージの送信者は、期待される応答を受信しない場合、メッセージを再送信できます。 つまり、ノードに数回到着する確認済みメッセージの値は、一度だけ送信する場合に受信されるものと同じになります（べき等 ）。
• 未確認 ：応答を必要としないメッセージ。

住所

メッセージはアドレスとの間で送信する必要があります。 Bluetoothネットワークには、次の3種類のアドレスが定義されています。

• ユニキャスト （一意のアドレス）：単一のネットワーク要素を一意に識別します。 このタイプは、初期化プロセス中にデバイスに割り当てられます。
  
  
• マルチキャスト （マルチキャストアドレス）：1つ以上のネットワーク要素を表します。 グループアドレスは、「SIG Fixed Group Addresses」という名前でBluetooth SIGによって定義されるか、動的に割り当てることができます。 Bluetooth SIGは、「すべてのプロキシ」、「すべての友人」、「すべてのリレー」、および「すべてのノード」という4つの固定アドレスグループを定義します。 それらについては、以下で詳しく説明します。 動的グループアドレスは、構成アプリケーションを使用してユーザーが設定できます。 たとえば、動的グループアドレスが建物の物理構成を反映している場合、建物の各部屋に対応するアドレスのグループを定義できます。
  
  
• 仮想アドレス ：1つ以上のノードによってカバーされる1つ以上の要素に割り当てることができるアドレス。 128ビットの一意の識別子（UUID）値があります。 仮想アドレスは、デバイスの生産中に生成される可能性があります。

出版物とサブスクリプション

公開は、メッセージを送信するアクションです。
購読とは、特定のアドレスに送信される処理用の特定のメッセージの選択です。

通常、メッセージはアドレスグループまたは仮想アドレスに宛てられます。

上の図では、「Switch 1」ノードが「Kitchen」グループアドレスに対して公開されています。 「ランプ1」、「ランプ2」、「ランプ3」の各ノードはアドレス「キッチン」にサブスクライブされているため、このアドレスに対して発行されたメッセージを受信および処理します。 つまり、「スイッチ1」を使用して「ランプ1」、「ランプ2」、「ランプ3」をオンまたはオフにできます。

スイッチ2は、食堂グループアドレス用に公開されています。 このアドレスには「ランプ3」のみがサブスクライブされます。 「スイッチ2」によって制御される唯一のものです。 この例は、ノードが複数の特定のアドレスに宛てられたメッセージをサブスクライブできるという事実を示しています。 これがネットワークの柔軟性の出番です。 同じアドレス「Garden」に対して、両方のノード「Switch 5」と「Switch 6」がどのように公開されているかに注目してください。

パブリッシャとサブスクライバモデルでマルチキャストアドレスと仮想アドレスを使用すると、ネットワークへの新しいノードの削除、交換、または追加に他のノードの再構成が必要ないという追加の利点があります。 たとえば、ダイニングルームに新しい光源を追加するときに行う必要があることを想像してください：新しいデバイスは準備プロセスを使用してネットワークに追加され、Canteenアドレスへのサブスクリプションを設定します。これらの変更は他のノードには影響しません。 「Switch 2」は、以前と同様に「Dining Room」のメッセージを発行しますが、「Lamp 3」と新しいランプの両方がこれに応答します。

状態とプロパティ

ネットワーク要素にはさまざまな状態があり、これらの状態は「状態値」の概念によってネットワーク内で表されます。

状態は、要素（サーバーモデル内-以下を参照）に含まれる特定のタイプの値です。 例として、オンまたはオフにできる電球を考えます。 Bluetoothネットワークでは、ステータスは「 Generic OnOff 」です。 値が「 オン 」のこの状態のランプが点灯し、値が「 オフ 」の状態では自然に点灯しません。

プロパティは 、要素に関連する特定の値を含むため、状態に似ています。 しかし、それらは他の兆候によって州と大きく異なります。 BLEに精通している人は、「サービス特性」（サービスメタデータを定義するいくつかの値が提示されるデータ型を表すもの）の概念を知っています。 そのため、「 プロパティ 」は特性を解釈するためのコンテキストを提供します。

コンテキストの使用の重要性を評価するには、たとえば、「温度8」特性-現在の内部周囲温度や既存の屋外周囲温度など、多くの関連プロパティを持つ8ビットタイプの温度状態を検討します。 これら2つのプロパティにより、センサーは、受信クライアントが温度値を持つコンテキストを決定できるように、読み取り値を公開できます。

プロパティは2つのカテゴリに分類されます。

• メーカー （デバイス）のカテゴリ ：プロパティは読み取りのみ可能です。
• 管理者カテゴリ ：プロパティには読み取りおよび書き込みアクセス権があります。

メッセージ、状態、およびプロパティ

特定のタイプのメッセージは、状態または複数の状態値のセットを持つ操作です。 すべてのメッセージには、Bluetoothネットワークでサポートされる操作の種類を反映した3つの主要な種類があります。

• GETメッセージは、1つ以上のノードから現在の状態の値を要求します。 それに応じて、STATUSタイプのメッセージが送信され、対応するステータス値が含まれます。
• SETメッセージは、特定の状態の値を変更します。 このタイプの確認済みメッセージを送信するには、タイプSTATUSの応答メッセージが必要ですが、タイプSETの未確認メッセージには応答は必要ありません。
• STATUSメッセージは、GETタイプのメッセージに応答して、SETタイプの確認済みメッセージに、またはメッセージを送信する要素内で実行されるタイマーによって制御される他のメッセージとは独立して送信されます。

モデル

モデルは、ネットワーク上の要素の機能を決定する概念の組み合わせです。 モデルの3つのカテゴリが定義されています。

• サーバーモデル ：このモデルを含む要素が送受信できる状態、状態遷移、状態バインディング、およびメッセージのセットを定義します。 このモデルは、メッセージ、状態、および状態遷移に関連付けられた動作も定義します。
  
  
• クライアントモデル ：状態を決定しませんが、送信または受信できるメッセージを定義します。
  
  
• 管理モデル ：他のクライアントモデルとデータを交換できるサーバーモデルと、サーバーモデルと通信できるクライアントモデルを組み合わせます。

モデルは、他のモデルを展開することで作成できます。 モデルは不変です。つまり、動作を追加または削除しても変更できません。 モデルに新しい要件を追加するための正しい唯一の受け入れ可能なアプローチは、既存の要件を拡張することです。

汎化

多くの異なるタイプのデバイスは、よく似た状態を持ちます。その例は、「オン」-「オフ」、つまりオンまたはオフにできるデバイスの単純なアイデアです。 そのため、Bluetoothネットワーク仕様では、たとえば「 Generic OnOff 」や「 Generic Level 」などの一般的な状態のセットを定義しています。 そのような状態で機能する多くの一般化されたメッセージが同様に定義されます。例えば、「 Generic OnOff Get 」と「 Generic Level Set 」です。 汎化により、新しいモデルを作成することなく、幅広いデバイスタイプを使用できます。

シーン

シーンは、特別なタイプのメッセージが受信されたとき、または特定の時間に呼び出されたり、現在の状態にされたりすることができる状態の保存されたコレクションです。 シーンは、メッシュネットワーク内で一意の16ビットのシーン番号を使用して識別されます。 シーンを使用すると、1つの調整済みアクションで、以前に保存された補完的な状態の特定のセットに複数のノードを設定できます。

想像してみてください：夕方の部屋の温度を23度、シャンデリアの6つのランプが特定の明るさで輝き、テーブルのランプが心地よい温かみのある黄色に設定されているとします。 ノードをこれらの状態に手動で設定した後、構成アプリケーションを使用してこれらの状態をシーンとして保存し、後でシーンに関連する対応するメッセージを送信するか、スケジュールされた時間に自動的に呼び出すことで、要求に応じてこのシーンを呼び出すことができます

初期化

前述のように、初期化（プロビジョニング）は、デバイスがメッシュネットワークに接続してノードになるプロセスです。 このプロセスにはいくつかの段階があり、さまざまなセキュリティキーの作成につながり、それ自体が安全なプロセスです。 初期化は、タブレットなどのデバイス上のアプリケーションを使用して実行されます。 初期化プロセスの制御に使用されるデバイスは、「 プロビジョナー 」と呼ばれます。 準備プロセスは、以下で説明する5つのステップで構成されます。

1. 「 私は灯台です 」（ビーコン）。 Bluetoothネットワークのさまざまな機能をサポートするために、新しいタイプのGAPプロファイル反転（GAP AD）、特にMesh BeaconタイプADが追加されました。 準備されていないデバイスは、反転型のパッケージでこのタイプを使用して、オンエアでの可用性を示します。 デバイスがそのようなデータの送信を開始するには、ユーザーは、たとえばボタンの組み合わせを押すか、一定時間ボタンを保持することにより、デバイスを強制的にこのモードにする必要があります。
   
   
2. 招待状 この時点で、初期化プロセスの制御に使用されるデバイスが招待を送信します。 Mayakデバイスは、招待に応じて、自身に関する情報を送信します。
   
   
3. 公開鍵の交換 。 両方のデバイスは、直接またはOOB（帯域外）方式を使用して公開鍵を交換します。
   
   
4. 認証 この段階では、何らかの形でネットワークに入ることになっているデバイスは、ユーザーに乱数を表示します。 ユーザーはこの番号を制御デバイスに入力し、その後、2つのデバイス間で暗号化されたデータの特定の交換が行われます。 この交換の結果は、2つのデバイスの相互認証です。
   
   
5. 提供されるデータの分布 。 認証が完了すると、NetKeyセキュリティキーの生成など、初期化プロセスを完了するために必要なデータのその後の交換を保護するために使用されるセッションキーが作成されます。 初期化が完了すると、準備されたデバイスが所有者になります
   
   • ネットワークキー「NetKey」。
   • 「IVインデックス」と呼ばれるネットワークセキュリティ設定。
   • ユニキャストアドレス、専用制御デバイス。
   
   

その後、デバイスはノードになります。

特徴

ネットワーク内のすべてのノードは、指定されたネットワーク上でメッセージを送受信できますが、ノードにはいくつかの追加機能があります。 ノードはこれらの追加機能の一部またはすべてをサポートしていないか、サポートしていない可能性があり、サポートされている機能はいずれかの時点で有効または無効になる場合があります。
これらの機能をリストします。

• リレー ：リレーノード。 リレーノードと呼ばれる、リレー機能をサポートするノードは、受信したメッセージを再送信できます。 リレーは、メッセージがネットワーク上を移動できるメカニズムであり、リレーによってデバイス間でいくつかの「ホップ」を作成します。 ネットワークPDUには、TTL（Time To Live）と呼ばれるフィールドが含まれています。 整数値を取り、ジャンプの数を制限するために使用されます。 たとえば、TTLが3の場合、送信元ノードから3つの「ホップ」を使用してメッセージが送信されます。 TTLを0に設定すると、値は中継されませんが、1回のジャンプの領域で移動します。 このようにして、ノードはTTLフィールドを使用して、メッシュネットワークをより有効に活用できます。
  
  
• 低電力 ： 低電力ノード。 電力制限のあるノードでは、可能な限りエネルギーを節約する必要があります。 さらに、このタイプのデバイスは主にメッセージの送信に関連付けることができますが、場合によってはメッセージを受信する必要があります。 コインサイズのバッテリーを搭載した温度センサーを使用してください。 温度が設定された上限しきい値と下限しきい値を超えた場合、1分ごとに温度の読み取り値を送信します。 温度がこれらのしきい値内にある場合、センサーはメッセージを送信しません。 この動作は、エネルギー消費に関連する問題なしで簡単に実装できます。 同時に、ユーザーはこのセンサーにメッセージを送信して、しきい値の状態値を変更できます。 このようなイベントは非常にまれにしか発生しませんが、センサーはそれをサポートする必要があります。 センサーが1つのメッセージをスキップしない場合、消費電力が増加します。エネルギーを節約する場合、設定メッセージをスキップできます。 そのような場合には、フレンドシップの概念と「フレンド」と呼ばれるノード関数があります。 この例の温度センサーなどのノードは、低エネルギー消費（LPN）ノードとして指定でき、センサー構成に機能フラグが表示され、ノード自体を示します。 LPNノードは、電力制限のない別のノードと連携して動作します（たとえば、一定のAC電源があります）。 このデバイスはフレンドノードと呼ばれます。
  
  
• フレンド ： フレンドノード。 この機能を備えたノードは、LPN宛てのメッセージを保存し、LPNが友人に「メッセージの待機」について尋ねるたびにLPNに配信します。 LPNが友人に問い合わせることは比較的まれですが、消費されるエネルギー量と設定メッセージの受信および処理の頻度のバランスを取るような方法で行われます。 リクエストを実行すると、フレンドとともに保存されたすべてのメッセージが「MD」（More Data）フラグとともにLPNに送信され、LPNにフレンドノードから送信する追加メッセージがあるかどうかが示されます。 LPNとFriendの関係はFrienfshipと呼ばれます。
  
  
• プロキシ ： プロキシノード。 世界中のBLEをサポートするデバイスには、ほとんどのスマートフォンやタブレットが含まれますが、Bluetoothメッシュネットワークが発表される前にリリースされたデバイスは、このネットワークのスタックをサポートしていません。 また、これらのデバイスにはBLEスタックがあるため、他のデバイスに接続し、GATTプロファイル（Generic Attribute Profile）を使用して相互作用することができます。 プロキシノードは、ネットワークと対話するために使用できるGATTインターフェイスを提供します。 プロキシプロトコルと呼ばれるプロトコルはGATTで使​​用され、プロキシノードはこれらのデバイスPDUをネットワークPDUとの間で変換します。 したがって、プロキシノードを使用すると、メッシュネットワークスタックを持たないBLEデバイスがそのネットワーク内のノードと通信できます。

次の図は、このネットワークのプロキシノードを介したメッシュノードとの相互作用を示しています。


システムアーキテクチャ、ネットワークセキュリティ、および動作中の動作の説明については、最後の部分で検討します。

ご清聴ありがとうございました。