Beleuchtungen mittels CSRmesh vernetzen
Bluetooth Smart in neuem Licht
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Die CSRmesh-Architektur
Jedes Bluetooth-Gerät besitzt eine 128 bit große UUID (Universally Unique Identifier), mit der es weltweit eindeutig identifiziert werden kann. In einem CSRmesh-Netzwerk wird die UUID durch eine 16 bit große Geräte-ID ergänzt, die innerhalb des Netzwerks verwendet wird. Somit liegt die theoretisch mögliche Anzahl der Teilnehmer in einem Netzwerk bei 65536. Tests und Simulationen haben ergeben, dass eine sinnvolle Nutzung bis zu einer Größenordnung von 1000 Teilnehmern möglich ist. Jeder Teilnehmer kann bei Bedarf Gruppen zugeordnet werden, die ebenfalls individuell angesprochen werden können. Zudem ist es möglich, einen Teilnehmer verschiedenen Netzwerken zuzuweisen. Dabei kann jeder Teilnehmer in einem Netzwerk eine der drei Rollen Sender, Empfänger oder Relais für eine Nachricht einnehmen. Die Rolle ist situationsabhängig und wird durch die Architektur des CSRmesh-Protokolls ersichtlich (Bild 1).
Der Mesh Transport Layer übernimmt die Übermittlung von Nachrichten über das Netzwerk. Die Teilnehmer können auf diese Art Nachrichten senden und empfangen, ohne sich um die Vorgehensweise kümmern zu müssen. Die Nachrichten selbst sind mit einem Netzwerkschlüssel chiffriert. Der Transport Layer prüft anhand eines Authentifizierungscodes, ob die Nachricht bereits empfangen wurde und ob sie decodiert werden kann.
Falls es sich um eine gültige Nachricht handelt, werden die Nutzdaten an die nächste Schicht weitergegeben. In diesem Fall wird ein Time-to-live-Zähler überprüft. Ist dieser noch nicht auf Null, wird der Zähler um Eins dekrementiert und die Nachricht wieder verschickt. So erfolgt die Weitergabe durch das Netzwerk hindurch. Da die gleiche Nachricht von mehreren Teilnehmern weitergereicht werden kann, gibt es keinen speziellen Router, dessen Ausfall ein Netzwerk lahmlegt. Zudem wird die Reichweite von Bluetooth Smart deutlich erhöht.
Nachrichten, die den Transport Layer passiert haben, werden entweder vom Mesh Association Protocol (MASP) oder vom Mesh Control Protocol (MCP) aufgenommen. Das MASP wird dazu genutzt, Teilnehmer in ein Netzwerk einzubinden. Dazu bedarf es eines speziellen Konfigurationsteilnehmers, der den Netzwerkschlüssel kennen muss. Dieser Konfigurationsteilnehmer ist zum Beispiel ein Smartphone oder Tablet. Dieses muss den Netzwerkschlüssel kennen. Um einem neuen Teilnehmer den Netzwerkschlüssel mitzuteilen, werden sichere Übertragungsmethoden genutzt, die auf dem Austausch öffentlicher Schlüssel basieren.
Zudem weist der Konfigurationsteilnehmer dem neuen Teilnehmer seine 16-bit-Geräte-ID zu. Ist der neue Teilnehmer dem Netzwerk zugeordnet, kann er Nachrichten mittels MCP empfangen und senden. Dabei handelt es sich um Kontroll- und Statusnachrichten, die eine fortlaufende Paketnummer, eine Sende- und Empfangsadresse, einen Operationscode, natürlich die Nutzdaten selbst und einen optionalen Transaction Identifier enthalten. Der Operationscode hängt vom Modell ab, das dem Teilnehmer zugeordnet ist. Aus diesem ergibt sich auch die Interpretation der übertragenen Nutzdaten und der Einsatz eines Transaction Identifier.
Jeder Teilnehmer mit einer Geräte-ID vergibt selbst die fortlaufenden Paketnummern. Dadurch wird verhindert, dass das Netzwerk durch einfache Wiederholung von Paketen durch externe Störer überlastet wird. Zudem übernimmt das MCP die Verschlüsselung der Nachrichten. Bei manchen Nachrichten ist eine zuverlässige Übermittlung gefragt. Dann muss der Sender auf eine Bestätigung des Empfängers warten, die denselben Transaction Identifier verwendet. Solange die Bestätigung ausbleibt, wird die Nachricht mit neuer fortlaufender Paketnummer, aber ohne Erhöhung des Transaction Identifier wiederholt, bis eine Maximalzeit überschritten wird. Die neue Paketnummer stellt sicher, dass die Nachricht durch das Netzwerk weitergereicht wird. Der gleichbleibende Transaction Identifier sagt dem Empfänger, dass die Nachricht nicht ein weiteres Mal bearbeitet werden muss, jedoch eine Antwort notwendig ist.
Die schon angesprochenen Modelle definieren die möglichen Zustände und das Verhalten eines Teilnehmers. Die Modelle sind in sich abgeschlossen, ein Teilnehmer kann aber durch mehr als ein Modell beschrieben werden. Auch die Konfiguration eines Teilnehmers erfolgt mittels eines Modells. Dieses Konfigurationsmodell enthält unter anderem die Modellversionen, die dem Teilnehmer zugeordnet sein sollen. So kann beispielsweise einer LED-Leuchte das Modell „Power“ für das Ein- und Ausschalten und das Modell „Light“ für Helligkeitskontrolle und Einstellung der RGB-Farbe zugeordnet werden. Über den Operationscode einer Nachricht wird für die verschiedenen Modelle der Aufbau der Nutzdaten definiert. Dabei benötigen Operationen, die den Zustand eines Teilnehmers ändern, meist eine Bestätigung; der Operationscode impliziert also die Nutzung eines Transaction Identifier.
Die erste Implementierung von CSRmesh ist auf Lichtanwendungen ausgelegt. Sie umfasst unter anderem die Modelle „Light“, „Power“, „Switch“ und „Battery“. Daneben sind Verwaltungsmodelle wie „Config“, „Firmware“ oder „Group“ vorhanden. Da sich zukünftige Anwendungen nicht nur auf Lichtsteuerungen beschränken sollen, sind weitere Modelle angedacht, die zunächst auf die Heimautomatisierung zielen. Diese müssen Heizung, Kühlung, Klimaanlagen, Haushaltsgeräte, Rollladen, Türen und vieles mehr unterstützen. Dadurch soll es möglich sein, immer mehr Geräte in CSRmesh einzubinden. Eine vollständige und sofortige Abdeckung aller Anwendungsfälle dürfte allerdings schwierig sein.
- Bluetooth Smart in neuem Licht
- Die CSRmesh-Architektur
- Das Data-Stream-Modell
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