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Funknetzwerk auf Bluetooth-Basis

Bluetooth Mesh

25. Juli 2017, 10:50 Uhr | Harry Schubert

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Mittler knüpft Verbindungen zum Netzwerk

Um ein Gerät mit BLE-Transceiver als Knoten in ein Bluetooth-Netzwerk zu integrieren wird ein Mittler benötigt – „provisioner“ genannt. BLE-Geräte, die noch nicht im Bluetooth-Netzwerk integriert sind, können weder Nachrichten empfangen noch senden. Sie signalisieren ihre Anwesenheit dem Mittler. Er führt die Authentifizierung durch und lädt Bluetooth-Geräte ein, dem Netzwerk beizutreten.

Zur Aufgabe des Mittlers gehört auch die Vergabe der Netzwerkadresse – bis zu 32.767 Adressen können in einem Bluetooth-Netzwerk einzeln adressiert werden. Jede Adresse lässt sich einem Element zuordnen. Ein Funkknoten kann über mehrere Elemente verfügen, die jeweils über eine eigene Adresse angesprochen werden können.

Das Mittler-Protokoll kann in zwei Arten ausgeführt werden, je nachdem welche Überbringer („bearer“) genutzt werden. Per „advertising bearer“ kann jeder Knoten im Bluetooth-Netzwerk die Mittler-Aufgabe übernehmen. Eine Implementation über GATT (Generic Attribute Profile) ermöglicht es die Mittler-Funktion auf einem Smartphone auszuführen, das per Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem Funkknoten im Bluetooth-Netzwerk verbunden ist.

Die Netzwerk-Ressourcen verwaltet ein Konfigurations-Client, der typischerweise auf einem Smartphone oder einem mobilen Rechner installiert ist. Er erzeugt und verteilt die Netzwerk- und Applikations-Schlüssel an die Funkknoten im Bluetooth-Netzwerk und sorgt dafür, dass die Funkknoten, die miteinander Daten austauschen sollen, die jeweils genutzten Schlüssel kennen.

Per Konfigurations-Client können Funkknoten aus dem Netzwerk entlassen werden. Ein als Mittler dienender Funkknoten kann auch den Konfigurations-Client ausführen.

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Low-Power-Knoten brauchen Freunde

Eine Sonderrolle im Bluetooth-Netzwerk (Bild 2) nehmen Funkknoten ein, die eine besonders energiesparende Betriebsweise erfordern, z.B. weil sie per Energy Harvesting oder Batterie gespeist werden.

Sie sind die überwiegende Zeit inaktiv und folglich nicht permanent empfangsbereit. Deshalb können sie die Relais-Funktion, das Wiederholen von Nachrichten, nicht ausüben.

Low-Power-Knoten können auch keine an sie adressierten Nachrichten direkt empfangen, sondern müssen diese Nachrichten gezielt abrufen. Dafür ist im Bluetooth-Netzwerk die Freundschaftsfunktion vorgesehen.

Jeder Niedrigenergie-Knoten benötigt einen normalen Bluetooth-Funkknoten als Freund, der die Nachrichten für den Low-Power-Knoten speichert, bis sie abgerufen werden.

Ein normaler Knoten im Bluetooth-Netzwerk kann Freund von mehreren Niedrigenergie-Knoten sein und ihre Kommunikation verwalten. Ein Niedrigenergie-Knoten dagegen kann Freundschaft nur zu einem Funkknoten im Bluetooth-Netzwerk pflegen.

Beide über die Freundschaftsfunktion verbundene Funkknoten müssen direkt miteinander kommunizieren können – ohne Relais-Knoten dazwischen – und sie müssen der gleichen Gruppe (subnet) angehören.

Adressen erlauben Gruppenbildung

Über die Adresse lassen sich Elemente in den vernetzen Bluetooth-Funkknoten zu Gruppen zusammenfassen. Neben der Elementadresse (unicast address), die eine Datenübertragung an ein bestimmtes Element in einem Knoten erlaubt, sind auch Gruppenadressen möglich mit denen Nachrichten gleichzeitig an mehrere Elemente in einem oder mehreren Knoten gesendet werden können (multicast). Bis zu 16.384 Gruppenadressen sind pro Bluetooth-Netzwerk möglich.

Einen größeren Adressraum für Gruppen bieten virtuelle Adressen. Jede virtuelle Adresse repräsentiert über ein Hashfunktion eine 128 bit große UUID (Universally Unique Identifier). So können mit 16.384 Hashwerten virtuell Millionen UUIDs adressiert werden.