BLE Mesh蓝牙组网技术详细解析之Lower Transport Layer下传输层（四）

一、什么是BLE Mesh Lower Transport Layer下传输层？

二、未分段消息

2.1 未分段接入层消息

2.2 未分段控制层消息

三、分段消息

3.1 超过多少个字节需要分段？

3.2 分段接入层消息

3.3 分段控制层消息

3.4 分段确认消息

3.5 分段和重组流程

四、Lower Transport Layer如何接收数据

五、资料获取

一、什么是BLE Mesh Lower Transport Layer下传输层？

BLE mesh下传输层的作用是对上层传输层的消息进行分段和重组，以适应BLE的物理层和链路层的限制。以及将网络层接收到的分段消息重组为完整的消息。下传输层可以处理两种类型的消息：分段消息和未分段消息。

分段消息是指上层传输层的消息长度超过BLE的最大载荷，需要被分成多个分段，每个分段包含一些额外的信息，如消息的序号、总数、大小等，以便接收方能够正确地重组消息。
未分段消息是指上层传输层的消息长度小于或等于BLE的最大载荷，不需要被分段，只需要添加一些简单的信息，如消息的类型、加密方式等，以便接收方能够正确地解析消息。

下传输层还负责对分段消息进行确认和重传，以保证消息的可靠性和完整性。下传输层使用一种管理型网络泛洪的方式，让具有中继特性的节点可以转发收到的消息，扩大消息的传播范围，同时采用消息缓存和生存时间等机制，避免消息的重复和无限循环。

二、未分段消息

未分段消息是指不需要分段的传输层消息，它们包括两种类型：

未分段接入层消息（Unsegmented Access Message），用于传输来自访问层的应用消息或配置消息，它们的长度为6-16字节，由一个1字节的控制字段和一个5-15字节的上层传输层接入消息PDU组成。控制字段中的SEG位为0，表示未分段，AKF位表示是否使用AppKey加密，AID位表示AppKey ID。
未分段控制消息（Unsegmented Control Message），用于传输来自上层传输层的控制消息，如心跳消息、友谊消息和分段确认消息，它们的长度为1-12字节，由一个1字节的控制字段和一个0-11字节的参数字段组成。控制字段中的SEG位为0，表示未分段，Opcode位表示控制消息的类型。

未分段消息的优点是传输效率高，不需要分段和重组的过程，也不需要确认重传的机制，但是它们的缺点是不能传输超过网络层PDU大小限制的消息，也不能利用分段消息的安全特性，如每个分段使用不同的网络层MIC。

2.1 未分段接入层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示是否为分段消息，未分段消息的值为0。
AKF	1	表示是否使用AppKey加密，值为1表示使用AppKey，值为0表示使用DevKey。
AID	6	表示AppKey ID，当AKF为1时有效，用于识别加密的AppKey。
Upper Transport Access PDU	40 to 120	表示上层传输层接入消息的PDU，包含OpCode、参数和TransMIC。

2.2 未分段控制层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示是否为分段消息，未分段消息的值为0。
Opcode	7	表示控制消息的操作码，用于区分不同类型的控制消息，例如心跳消息、友谊消息等。
Parameters	0 - 88	表示控制消息的参数，用于携带控制消息的具体内容，例如心跳计数、友谊轮询地址等。

三、分段消息

BLE Mesh Lower Transport Layer分段消息是指需要分段的传输层消息，它们包括两种类型：

分段接入层消息（Segmented Access Message），用于传输来自访问层的应用消息或配置消息，它们的长度为5-16字节，由一个1字节的控制字段和一个4-15字节的上层传输层接入消息PDU组成。控制字段中的SEG位为1，表示分段，AKF位表示是否使用AppKey加密，AID位表示AppKey ID，SZMIC位表示TransMIC的大小，SeqZero位表示SeqAuth的最低13位有效位，SegO位表示当前分段位第几个分段，SegN位表示此条消息总共有多少分段。
分段控制消息（Segmented Control Message），用于传输来自上层传输层的控制消息，如心跳消息、友谊消息和分段确认消息，它们的长度为5-12字节，由一个1字节的控制字段和一个4-11字节的参数字段组成。控制字段中的SEG位为1，表示分段，Opcode位表示控制消息的类型，RFU位保留未来使用，SeqZero位表示SeqAuth的最低13位有效位，SegO位表示当前分段位第几个分段，SegN位表示此条消息总共有多少分段。

分段消息的优点是可以传输超过网络层PDU大小限制的消息，也可以利用分段消息的安全特性，如每个分段使用不同的网络层MIC。分段消息的缺点是传输效率低，需要分段和重组的过程，也需要确认重传的机制。

3.1 超过多少个字节需要分段？

在BLE Mesh下传输层，是否需要对消息进行分段取决于消息的类型和长度，以及网络层PDU的最大载荷。一般来说，有以下几种情况：

那么当消息长度大于等于12字节时，就需要进行分段。这是因为接入层消息至少有4字节的TransMIC，以及1字节的Opocde，所以未分段接入层消息最多为15字节，除去4字节的TransMIC，剩下11字节用于实际数据。超过11字节就要分段。
如果消息是分段确认消息，那么不需要进行分段，因为分段确认消息的长度固定为7字节。

/*BLE Mesh传输层发送数据子函数*/
/*源自开源协议栈NimBLE*/
int bt_mesh_trans_send(struct bt_mesh_net_tx *tx, struct os_mbuf *msg,
		       const struct bt_mesh_send_cb *cb, void *cb_data)
{
	const u8_t *key;
	u8_t *ad;
	u8_t aid;
	int err;

	if (net_buf_simple_tailroom(msg) < 4) {
		BT_ERR("Insufficient tailroom for Transport MIC");
		return -EINVAL;
	}

	if (msg->om_len > 11) {
		tx->ctx->send_rel = 1;
		tx->ctx->send_rel = true;
	}

	BT_DBG("net_idx 0x%04x app_idx 0x%04x dst 0x%04x", tx->sub->net_idx,
	       tx->ctx->app_idx, tx->ctx->addr);
	BT_DBG("len %u: %s", msg->om_len, bt_hex(msg->om_data, msg->om_len));

	err = bt_mesh_app_key_get(tx->sub, tx->ctx->app_idx,
				  tx->ctx->addr, &key, &aid);
	if (err) {
		return err;
	}

	tx->aid = aid;

	if (!tx->ctx->send_rel || net_buf_simple_tailroom(msg) < 8) {
		tx->aszmic = 0;
	} else {
		tx->aszmic = 1;
	}

	if (BT_MESH_ADDR_IS_VIRTUAL(tx->ctx->addr)) {
		ad = bt_mesh_label_uuid_get(tx->ctx->addr);
	} else {
		ad = NULL;
	}

	err = bt_mesh_app_encrypt(key, BT_MESH_IS_DEV_KEY(tx->ctx->app_idx),
				  tx->aszmic, msg, ad, tx->src, tx->ctx->addr,
				  bt_mesh.seq, BT_MESH_NET_IVI_TX);
	if (err) {
		return err;
	}

	if (tx->ctx->send_rel) {
		err = send_seg(tx, msg, cb, cb_data);
	} else {
		err = send_unseg(tx, msg, cb, cb_data);
	}

	return err;
}

3.2 分段接入层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是分段消息，值为1。
AKF	1	表示是否使用AppKey加密，值为1表示使用AppKey，值为0表示使用DevKey。
AID	6	表示AppKey ID，当AKF为1时有效，用于识别加密的AppKey。
SZMIC	1	表示TransMIC的大小，值为0表示TransMIC为4字节，值为1表示TransMIC为8字节。TransMIC是用于上层传输层消息的完整性校验的字段。
SeqZero	13	表示SeqAuth的最低13位有效位，SeqAuth是第一个分段的IV\|SeqNum组合值，用于防止重放攻击和识别同一条消息的不同分段。
SegO	5	表示当前分段是第几个分段，从0开始计数。
SegN	5	表示此条消息总共有多少分段，从0开始计数。
Segment m	8 to 96	表示此分段的消息内容，只有最后一个分段的size才小于96位。

3.3 分段控制层消息

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是分段消息，值为1。
Opcode	7	表示控制消息的类型，有7位，可以表示128种不同的控制消息。
RFU	1	保留未来使用，值为0。
SeqZero	13	表示SeqAuth的最低13位有效位，SeqAuth是第一个分段的IV\|SeqNum组合值，用于防止重放攻击和识别同一条消息的不同分段。
SegO	5	表示当前分段是第几个分段，从0开始计数。
SegN	5	表示此条消息总共有多少分段，从0开始计数。
Segment m	8 to 64	表示此分段的消息内容，只有最后一个分段的size才小于64位。

3.4 分段确认消息

下传输层还定义了一种控制消息，用于确认分段消息的接收情况。控制消息的Opcode为0x00，表示分段确认消息。分段确认消息包含一个BlockAck字段，用于表示哪些分段已经被接收，哪些分段需要重传。

Field	Size (bits)	Notes
SEG	1	表示当前消息是未分段消息，值为0。
Opcode	7	表示控制消息的类型，值为0x00，表示分段确认消息
OBO	1	表示是否是Friend节点替Low Power节点发送的分段确认消息，值为0表示是当前节点的行为，值为1表示是Friend节点的行为。
SeqZero	13	表示确认分段的SeqZero，即分段消息的SeqAuth的最低13位有效位，用于识别同一条消息的不同分段。
RFU	2	保留未来使用，值为0。
BlockAck	32	表示分段的Bitmap位，每一位对应一个分段，值为1表示已收到该分段，值为0表示未收到该分段。

3.5 分段和重组流程

下传输层的分段和重组流程如下：

※发送方：
- 如果上层传输层的消息长度大于网络层PDU的最大载荷，就进行分段，填充各个字段，然后发送所有分段。
- 如果目的地址是单播地址，就启动一个分段传输定时器，等待接收方的分段确认消息。
- 如果收到分段确认消息，就根据BlockAck字段，重新发送未收到的分段，然后重启分段传输定时器。
- 如果收到的BlockAck字段为0，表示对端忙碌或资源不足，就取消分段消息的发送，结束流程。
- 如果收到的BlockAck字段为1，表示所有分段都已收到，就关闭分段传输定时器，结束流程。
- 如果分段传输定时器超时，就重新发送所有分段，重启分段传输定时器。这个操作至少进行两次，如果仍然没有收到分段确认消息，就结束流程。
※接收方：
- 如果收到第一个分段消息，就存储该消息的SeqAuth，开启一个不完整定时器。
- 如果目的地址是单播地址，就开启一个确认定时器，标记BlockAck字段，表示该分段已收到。
- 如果确认定时器超时，就发送分段确认消息给发送方，重启确认定时器。
- 如果收到其他分段消息，就检查该消息的SeqAuth，如果小于第一个分段的SeqAuth，就丢弃该消息。
- 如果该消息的SeqAuth有效，就标记BlockAck字段，表示该分段已收到。如果确认定时器超时，就重启确认定时器。如果不完整定时器未超时，就重启不完整定时器。
- 如果不完整定时器超时，就结束流程。
- 如果所有分段都已收到，就重组为完整的消息，递交给上层传输层。如果仍然收到分段消息，就立即发送分段确认消息给发送方，结束流程。

四、Lower Transport Layer如何接收数据

首先，下层传输层需要从网络层接收网络层PDU，根据控制字段中的SEG位判断是分段消息还是未分段消息，然后根据NID和IVI字段解密和去混淆网络层有效载荷，得到下层传输层PDU。
其次，如果是分段消息，下层传输层需要根据SeqZero字段计算SeqAuth，用于识别同一条消息的不同分段，然后根据SegO和SegN字段重组分段，最后根据SZMIC字段验证网络层MIC的正确性。
再次，如果是未分段消息，下层传输层直接将下层传输层有效载荷递交给上层传输层，无需重组或验证网络层MIC。
最后，如果收到的消息的目的地址是单播地址，下层传输层需要发送分段确认消息给对端，表示已收到的分段，或者请求对端重新发送未收到的分段。