蓝牙协议分析(4)_IPv6 Over BLE介绍

作者:wowo 发布于:2016-4-9 16:44 分类:蓝牙

1. 前言

蓝牙是个奇葩的家伙:它总是以后来者的身份出现,很喜欢打仗,而且还不落下风(有点像某讯的风格)。90年代末期和Wi-Fi的无线标准之争如此,当前和802.15.4系(ZigBee、RF4CE、Thread等)的IoT之争,也如此。

90年代末期,蓝牙刚出道的时候,就曾叫嚣着把Wi-Fi(802.11)从地球上抹去。反过来,1999年Wi-Fi 802.11b标准发布后,也宣称会把蓝牙干掉。最终,二者划江而治,瓜分了天下,Wi-Fi占据了家庭和办公室中的电脑网络,而蓝牙成为了广受欢迎的电脑和外设之间的连通性工具。

与此同时,在IoT的战场上,以ZigBee(2001年)为代表的802.15.4技术,苦心经营近15年,依旧不愠不火、默默无闻,而蓝牙BLE技术问世(2010年)至今,短短5年左右的时间,已经红遍大江南北,装机量爆棚。于是,硝烟再起。

标准之争,不是本文的议题,我们要思考的问题是:蓝牙有何长处,可以支撑它四处征战?答案是“灵活性”。本文将以用于支持IPv6的IPSP(Internet Protocol Service Profile)为例,说明这个特性。

2. IPSP(Internet Protocol Service Profile)

我们知道,ZigBee等基于802.15.4标准衍生出的无线标准,有4大杀手锏:低功耗、低成本、IP组网(基于6LoWPAN)和自组网(Mesh network)。蓝牙在2010年推出Bluetooth4.0(BLE)之后,低功耗和低成本方面,已经旗鼓相当了。那IP组网和自组网呢?

抛开自组网技术不谈(Bluetooth® Smart Mesh工作组已经成立,标准草稿已经讨论到第7版,今年有望发布),先看看在BLE的基础上,增加IPv6的支持,需要新增多少工作量。

如果我告诉你,仅需不超过5页的规范文档、不超过50行的代码,你相信吗?

蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)为支持基于BLE的IPv6,仅仅做了一件事情:在Bluetooth4.1推出之后,发布了一份总页数为14页、有效内容不足5页的Profile规范----Internet Protocol Support Profile[1],用于支持Internet Protocol(IPv6)。该Profile在BLE协议栈中的定义如下:

IPSP

图片1 IPSP协议栈

看似复杂,但仅仅左上角那个小小的红色block(IPSS)属于新增内容,具体如下。

2.1 IPSP profile

IPSP是Internet Protocol Support Profile的缩写,它是一个蓝牙profile,规定了“IPv6 over BLE”这样一个应用场景,要怎么实现。主要包括:

1)定义两个角色,IPSP Node和IPSP Router。IPSP Router是用来转发IPv6 packet的设备,IPSP Node只能产生或者消费IPv6 packet。如果某一个Router需要连接其它Router,它可以同时实现Node和Router两种角色。

2)Node需要提供一个用于服务发现(Service discovery)的功能,以便让Router发现它。由“蓝牙协议分析(3)_蓝牙低功耗(BLE)协议栈介绍”中的描述可知,BLE使用GATT作为服务发现。因此,Node基于GATT,提供了IPSS(Internet Protocol Support Service),用于服务发现。

3)IPv6 packets在Node和Router之间通过面向连接的L2CAP传输,并使用LE_PSM_IPSP(0x0023)作为协议识别码(需要在连接建立的时候提供)[3],同时规定MTU为1280。

4)在L2CAP之上,依次是6LoWPAN、IPv6、UDP、TCP等网络协议栈,不过已经和蓝牙无关了。

2.2 IPSS service

IPSS(Internet Protocol Support Service)提供了一个名称为IP Support Service UUID(0x1820[6])的GATT service[5],用于服务发现。

2.3 6LoWPAN、IPv6、UDP、TCP等网络协议栈

6LoWPAN是IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks的缩写,是为了在802.15.4网络上传输IPv6 packet而提出的一个标准,包括了帧格式的定义、地址的自动配置、IP header的压缩算法等。

IPv6、UDP、TCP等都是标准协议,就不多说了。

3. IETF RFC7668[2]

IPSP规范发布之后,IETF(Internet Engineering Task Force,互联网工程任务组)便发布了名称为“IPv6 over BLUETOOTH(R) Low Energy”的RFC7668标准[2],该标准详细规定了基于蓝牙BLE的IPv6组网方式,以及一些实现细节。

下面是摘录的两种组网方式,可以看出,已经和传统的IP网络没有什么区别了:

                                             /
            .---------------.               /
           /           6LN   \             /
          /               \   \           /
         |                 \   |         /
         | 6LN -----------   6LBR ----- |  Internet
         |     <--link-->  /   |         \
          \               /   /           \
           \           6LN   /             \
            '---------------'               \
                                             \

          <------ subnet="" -----=""><-- ipv6="" connection="" --="">
                                      to Internet

         Figure 4: Bluetooth LE Network Connected to the Internet
                    .-------------------.
                   /                     \
                  /     6LN      6LN      \
                 /        \      /         \
                |          \    /           |
                |   6LN --- 6LBR --- 6LN    |
                |          /    \           |
                 \        /      \         /
                  \     6LN      6LN      /
                   \                     /
                    '-------------------'
                <--------- subnet="" ----------="">

              Figure 5: Isolated Bluetooth LE Network

注:6LN是6LoWPAN Node缩写,对应IPSP中的IPSP Node,6LBR是6LoWPAN Board Router的缩写,对应IPSP中的IPSP Router。

4. 参考文档

[1] IPSP SPEC, 1.0, https://www.bluetooth.org/docman/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=296307

[2] IETF RFC7668, IPv6 over BLUETOOTH(R) Low Energy, https://datatracker.ietf.org/doc/rfc7668/?include_text=1

[3] LE_PSM_IPSP, https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/logical-link-control

[4] http://embedded-computing.com/articles/bluetooth-smart-and-zigbee-if-you-cant-beat-them-join-them/

[5] 蓝牙协议分析(3)_蓝牙低功耗(BLE)协议栈介绍

[6] https://developer.bluetooth.org/gatt/services/Pages/ServicesHome.aspx

[7] IETF RFC4944, https://tools.ietf.org/html/rfc4944

 

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标签: BLE ipv6 ipss ipsp

评论:

craw
2017-10-23 10:57
一直关注wowo,希望能多发一点关于蓝牙的文章。
wowo
2017-10-24 09:04
@craw:多谢关注,有时间的话会慢慢写的:-)
tigger
2016-04-14 11:59
它总是以后来者的身份出现,很喜欢打仗,而且还不落下风(有点像某讯的风格)
这个比喻真贴切啊,我是挺佩服某讯的。
wowo
2016-04-15 09:18
@tigger:我就是瞎掰一下,当不得真,呵呵~~

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