BLE Mesh蓝牙组网技术详细解析之Access Layer访问层（六）

一、什么是BLE Mesh Access Layer访问层？

二、Access payload

2.1 Opcode

三、Access layer behavior

3.1 Access layer发送消息的流程

3.2 Access layer接收消息的流程

3.3 Unacknowledged and acknowledged messages

3.3.1 Unacknowledged message

3.3.2 Acknowledged message

3.4 Example message sequence charts

3.4.1 Acknowledged Get

3.4.2 Acknowledged Set

3.4.3 Unacknowledged Set

3.4.4 Acknowledged set with periodic publishing

四、资料获取

一、什么是BLE Mesh Access Layer访问层？

BLE Mesh Access Layer是蓝牙Mesh协议栈的一部分，它主要负责以下几个方面的功能：

定义应用数据的格式，例如Opcode和参数字段。
定义并控制在上层传输层中执行的应用数据的加密和解密，使用AppKey或DeviceKey作为密钥。
在将数据上传到模型层之前，对来自上层传输层的数据进行验证，判断其是否适用于该网络和应用，例如检查地址和AppKey是否匹配。
在将数据下发到上层传输层之前，根据模型层的指令，填充源地址、目的地址、TTL等字段，以及设置重传参数。

二、Access payload

Field Name	Size (octets)	Notes
Opcode	1, 2, or 3	Operation Code
Parameters	0 to 379	Application Parameters

Opcode：1字节、2字节或3字节的操作码，用于标识消息的类型和含义。
Parameters：一个可变长度的参数字段，用于携带消息的具体内容。参数字段的长度由Opcode和上层传输层的PDU的长度共同决定，最大为379字节，取决于Opcode的长度。

一个access payload最多可以发送32个片段，每个片段12字节。这意味着最大值包括TransMIC在内的字节数是384个。

对于4字节的TransMIC，access payload最大大小是380字节，因此对于单个字节的操作码，参数字段最多可以达到379字节。对于2字节的操作码，参数字段最多可以有378个字节。对于一个3字节的操作码，parameters字段最多可以有377个字节。

下传输层可以将消息分割成多段PDU，以便在网络层上传输。下表显示了根据包的数量和TransMIC的大小而定的最大有用的应用层包大小。

Number of Packets	Maximum useful access payload size (octets)
Number of Packets	32 bit TransMIC	64 bit TransMIC
1	11 (unsegmented)	n/a
1	8 (segmented)	4 (segmented)
2	20	16
3	32	28
n	(n×12)-4	(n×12)-8
32	380	376

2.1 Opcode

1字节操作码：由SIG定义，用于标准的模型消息，例如Generic OnOff Set，Generic Level Get等。1字节操作码的第一位为0，剩下的7位表示具体的操作码值。
2字节操作码：由SIG定义，用于扩展的模型消息，例如Scene Store，Scene Delete等。2字节操作码的第一位为1，第二位为0，剩下的14位表示具体的操作码值。
3字节操作码：由供应商定义，用于自定义的模型消息，例如Vendor Model Status，Vendor Model Indication等。3字节操作码的第一位为1，第二位为1。其中的2个字节被指定为厂商ID（CID），该部分在表中以“z”表示。在整个mesh网络中，每个厂商ID最多支持64个厂商操作码。用户可用的只有6位（xxxxxx），因此总共是64个操作码。

Opcode Format	Notes
0xxxxxxx (excluding 01111111)	1-octet Opcodes
01111111	Reserved for Future Use
10xxxxxx xxxxxxxx	2-octet Opcodes
11xxxxxx zzzzzzzz zzzzzzzz	3-octet Opcodes

三、Access layer behavior

3.1 Access layer发送消息的流程

首先，访问层接收到来自模型层的消息，消息包含操作码（Opcode）和有效载荷（Payload）。操作码是用于标识消息的类型和含义的一个字节或多个字节的值，有效载荷是消息的主要内容，包含了模型的状态值、参数、属性等信息。
然后，访问层根据下发来的模型ID找到对应的存储信息，包括源地址（SRC）、目的地址（DST）、应用密钥（AppKey）等。源地址是该模型对应的元素的单播地址，目的地址是该模型设置的发布地址，应用密钥是该模型绑定的用于加密和解密的密钥。
接着，访问层将消息和存储信息一起传递给上层传输层，上层传输层会根据应用密钥对消息进行加密和认证，生成一个传输层数据单元（Upper Transport PDU），并为每个消息分配一个序列号（SEQ）用于防护中继/重放攻击。
然后，上层传输层将传输层数据单元和其他信息传递给下层传输层，下层传输层会根据消息的长度决定是否需要对消息进行分段，如果需要分段，会生成多个分段的传输层数据单元（Segmented Upper Transport PDU），并为每个分段分配一个分段索引（SEG）用于重组消息。
接着，下层传输层将分段的传输层数据单元和其他信息传递给网络层，网络层会根据网络密钥（NetKey）对分段的传输层数据单元进行加密和混淆，生成一个网络层数据单元（Network PDU），并为每个网络层数据单元分配一个网络标识符（IVI）用于识别网络。
然后，网络层将网络层数据单元和其他信息传递给承载层，承载层会根据承载类型（Advertising Bearer或GATT Bearer）对网络层数据单元进行封装，生成一个承载层数据单元（Bearer PDU），并通过底层的BLE协议栈将承载层数据单元发送出去。
最后，承载层会根据消息的类型（Acknowledged Message或Unacknowledged Message）决定是否需要对消息进行重传，如果需要重传，会根据重传参数（重传次数、重传间隔等）进行重传，直到收到应答消息或达到重传次数上限为止。

/*源自开源协议栈NimBLE*/
static int model_send(struct bt_mesh_model *model,
		      struct bt_mesh_net_tx *tx, bool implicit_bind,
		      struct os_mbuf *msg,
		      const struct bt_mesh_send_cb *cb, void *cb_data)
{
	BT_DBG("net_idx 0x%04x app_idx 0x%04x dst 0x%04x", tx->ctx->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));

	if (!bt_mesh_is_provisioned()) {
		BT_ERR("Local node is not yet provisioned");
		return -EAGAIN;
	}

	if (net_buf_simple_tailroom(msg) < 4) {
		BT_ERR("Not enough tailroom for TransMIC");
		return -EINVAL;
	}

	if (msg->om_len > BT_MESH_TX_SDU_MAX - 4) {
		BT_ERR("Too big message");
		return -EMSGSIZE;
	}

	if (!implicit_bind && !model_has_key(model, tx->ctx->app_idx)) {
		BT_ERR("Model not bound to AppKey 0x%04x", tx->ctx->app_idx);
		return -EINVAL;
	}

	return bt_mesh_trans_send(tx, msg, cb, cb_data);
}

int bt_mesh_model_send(struct bt_mesh_model *model,
		       struct bt_mesh_msg_ctx *ctx,
		       struct os_mbuf *msg,
		       const struct bt_mesh_send_cb *cb, void *cb_data)
{
	struct bt_mesh_net_tx tx = {
		.sub = bt_mesh_subnet_get(ctx->net_idx),
		.ctx = ctx,
		.src = bt_mesh_model_elem(model)->addr,
		.xmit = bt_mesh_net_transmit_get(),
		.friend_cred = 0,
	};

	return model_send(model, &tx, false, msg, cb, cb_data);
}

3.2 Access layer接收消息的流程

首先，访问层从承载层接收到来自底层低功耗蓝牙协议栈的消息，消息包含操作码（Opcode）和有效载荷（Payload）。操作码是用于标识消息的类型和含义的一个字节或多个字节的值，有效载荷是消息的主要内容，包含了模型的状态值、参数、属性等信息。
然后，访问层根据消息中的网络密钥索引（NetKeyIndex）和应用密钥索引（AppKeyIndex）找到对应的网络密钥（NetKey）和应用密钥（AppKey），并将消息传递给上层传输层。上层传输层会根据网络密钥和应用密钥对消息进行解密和认证，还原出原始的操作码和有效载荷。
接着，访问层根据消息的目的地址（DST）字段，找到当前节点中订阅了该地址或者元素地址为该地址的所有模型，再判断该消息与该模型是否绑定了同一个应用密钥，满足了要求再上报至模型层，模型再进行操作码和有效载荷的检查。

/*BLE Mesh访问层接收数据子函数*/
/*源自开源协议栈NimBLE*/
void bt_mesh_model_recv(struct bt_mesh_net_rx *rx, struct os_mbuf *buf)
{
	struct bt_mesh_model *models, *model;
	const struct bt_mesh_model_op *op;
	u32_t opcode;
	u8_t count;
	int i;

	BT_DBG("app_idx 0x%04x src 0x%04x dst 0x%04x", rx->ctx.app_idx,
	       rx->ctx.addr, rx->ctx.recv_dst);
	BT_DBG("len %u: %s", buf->om_len, bt_hex(buf->om_data, buf->om_len));

	if (get_opcode(buf, &opcode) < 0) {
		BT_WARN("Unable to decode OpCode");
		return;
	}

	BT_DBG("OpCode 0x%08x", (unsigned) opcode);

	for (i = 0; i < dev_comp->elem_count; i++) {
		struct bt_mesh_elem *elem = &dev_comp->elem[i];
		struct net_buf_simple_state state;

		/* SIG models cannot contain 3-byte (vendor) OpCodes, and
		 * vendor models cannot contain SIG (1- or 2-byte) OpCodes, so
		 * we only need to do the lookup in one of the model lists.
		 */
		if (BT_MESH_MODEL_OP_LEN(opcode) < 3) {
			models = elem->models;
			count = elem->model_count;
		} else {
			models = elem->vnd_models;
			count = elem->vnd_model_count;
		}

		op = find_op(models, count, opcode, &model);
		if (!op) {
			BT_DBG("No OpCode 0x%08x for elem %d", opcode, i);
			continue;
		}

		if (!model_has_key(model, rx->ctx.app_idx)) {
				continue;
			}

		if (!model_has_dst(model, rx->ctx.recv_dst)) {
			continue;
		}

		if (buf->om_len < op->min_len) {
			BT_ERR("Too short message for OpCode 0x%08x", opcode);
			continue;
		}

		/* The callback will likely parse the buffer, so
		 * store the parsing state in case multiple models
		 * receive the message.
		 */
		net_buf_simple_save(buf, &state);
		op->func(model, &rx->ctx, buf);
		net_buf_simple_restore(buf, &state);
	}
}

3.3 Unacknowledged and acknowledged messages

消息的类型：消息可以分为需要应答的消息（Acknowledged Message）和不需要应答的消息（Unacknowledged Message）。需要应答的消息要求接收端回复一个状态消息作为应答，不需要应答的消息则不需要回复。
消息的目标地址：消息可以发送到单播地址（Unicast Address）、组播地址（Group Address）或虚拟地址（Virtual Address）。目标地址决定了消息的发布和订阅方式，以及消息的中继和重传机制。
消息的操作码（Opcode）：操作码是用于标识消息的类型和含义的一个字节或多个字节的值。操作码的长度和值由消息的第一位和第二位决定，操作码的值可以是预定义的或者厂商自定义的。
消息的有效载荷（Payload）：有效载荷是消息的主要内容，包含了模型的状态值、参数、属性等信息。有效载荷的长度和格式由操作码和模型定义决定。

3.3.1 Unacknowledged message

unAcknowledged Message是一种不需要接收端回复应答的消息。它的定义如下：

unAcknowledged Message的操作码（Opcode）的第一位（bit 7）必须为0，表示操作码的长度为一个字节。
unAcknowledged Message的有效载荷（Payload）的长度和格式由操作码和模型定义决定，通常包含了目标状态（Target State）或查询参数（Query Parameters）等信息。
unAcknowledged Message的发送端（Client Model）会在发送消息后不等待接收端（Server Model）的应答消息（Status Message），而是直接结束消息发送过程。

3.3.2 Acknowledged message

Acknowledged Message是一种需要接收端回复一个状态消息作为应答的消息。它的定义如下：

Acknowledged Message的操作码（Opcode）的第一位（bit 7）必须为0，表示操作码的长度为一个字节。
Acknowledged Message的有效载荷（Payload）的长度和格式由操作码和模型定义决定，通常包含了目标状态（Target State）或查询参数（Query Parameters）等信息。
Acknowledged Message的发送端（Client Model）会在发送消息后等待一段时间（Acknowledged Message Timeout），如果在这段时间内没有收到接收端（Server Model）的应答消息（Status Message），则会重发消息，直到收到应答消息或达到重发次数上限（Acknowledged Message Retransmissions）为止。

3.4 Example message sequence charts

3.4.1 Acknowledged Get

Acknowledged Get是一种用于从服务器端请求状态信息的消息类型。它属于Acknowledged MSG的一种，也就是说，当服务器端收到这个消息后，需要回复一个对应的Status消息，告诉客户端当前的状态值。这样可以保证客户端和服务器端的状态同步，也可以避免消息丢失或重复的问题。

例如，如果客户端想要知道一个灯的亮度，它可以发送一个Generic Level Get消息，这是一种Acknowledged Get消息，它的Opcode是0x8205。服务器端收到这个消息后，会回复一个Generic Level Status消息，它的Opcode是0x8206，它的Payload包含了当前的亮度值。

3.4.2 Acknowledged Set

Acknowledged Set是一种用于向服务器端发送状态设置请求的消息类型。它也属于Acknowledged MSG的一种，也就是说，当服务器端收到这个消息后，需要回复一个对应的Status消息，告诉客户端状态是否设置成功。这样可以保证客户端和服务器端的状态同步，也可以避免消息丢失或重复的问题。

例如，如果客户端想要设置一个灯的亮度，它可以发送一个Generic Level Set消息，这是一种Acknowledged Set消息，它的Opcode是0x8207。它的Payload包含了要设置的亮度值和一个可选的Transition Time和Delay参数，用于控制灯的渐变效果。服务器端收到这个消息后，会回复一个Generic Level Status消息，它的Opcode是0x8206，它的Payload包含了当前的亮度值。

3.4.3 Unacknowledged Set

Unacknowledged Set是一种用于向服务器端发送状态设置请求的消息类型。它不属于Acknowledged MSG，也就是说，当服务器端收到这个消息后，不需要回复一个对应的Status消息，也不会把当前状态的改变后的结果通过Publish地址向四周广播。这样可以减少网络层的负载，提高传输效率，但也可能导致客户端和服务器端的状态不同步，或者消息丢失或重复的问题。

例如，如果客户端想要设置一个灯的亮度，它可以发送一个Generic Level Set Unacknowledged消息，这是一种Unacknowledged Set消息，它的Opcode是0x8208。它的Payload包含了要设置的亮度值和一个可选的Transition Time和Delay参数，用于控制灯的渐变效果。服务器端收到这个消息后，不会回复任何消息，也不会广播当前的亮度值。

3.4.4 Acknowledged set with periodic publishing

Acknowledged set with periodic publishing是一种用于向服务器端发送状态设置请求并启用周期性状态发布的消息类型。它属于Acknowledged MSG的一种，也就是说，当服务器端收到这个消息后，需要回复一个对应的Status消息，告诉客户端状态是否设置成功，并且按照设定的时间间隔和发布地址，定期广播当前的状态值。这样可以保证客户端和服务器端的状态同步，也可以让其他订阅了发布地址的节点获取服务器端的状态信息。

例如，如果客户端想要设置一个灯的亮度，并且让灯每隔5秒钟发布一次当前的亮度值，它可以发送一个Generic Level Set消息，这是一种Acknowledged Set消息，它的Opcode是0x8207。它的Payload包含了要设置的亮度值和一个可选的Transition Time和Delay参数，用于控制灯的渐变效果。它还需要配置灯的发布地址和发布周期，比如发布地址为0xC000（所有节点的组播地址），发布周期为5秒。服务器端收到这个消息后，会回复一个Generic Level Status消息，它的Opcode是0x8206，它的Payload包含了当前的亮度值。同时，服务器端会每隔5秒钟向0xC000地址发送一个Generic Level Status消息，让其他节点知道当前的亮度值