alex/esp-idf
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esp-idf/docs/zh_CN/api-guides/esp-ble-mesh/ble-mesh-architecture.rst
lly 7cd08b5824 ble_mesh: Miscellaneous modifications 
1. Add an API to set Provisioner static oob value
2. Add an API to deinit BLE Mesh stack
3. Add an API to set Provisioner unicast address
4. Add an API to provision devices with fixed address
5. Add an API to store node composition data
6. Add an API to get node with device uuid
7. Add an API to get node with unicast address
8. Add an API to delete node with device uuid
9. Add an API to delete node with unicast address
10. Add an API for Provisioner to update local AppKey
11. Add an API for Provisioner to update local NetKey
12. Support Provisioner persistent functionality
13. Fix Provisioner entering IV Update procedure
14. Fix an issue which may cause client failing to send msg
15. Use bt_mesh.flags to indicate device role
16. Remove several useless macros
17. Callback RSSI of received mesh provisioning packets
18. Modify the Provisioner disable function
19. Change some log level from debug to info
20. Add parameters to Provisioner bind AppKey completion event
21. Fix node ignoring relay messages issue
22. Support using a specific partition for BLE Mesh
23. Fix compile warning when proxy related macros are disabled
24. Clean up BLE Mesh stack included header files
25. NULL can be input if client message needs no parameters
26. Fix compile warning when BT log is disabled
27. Initilize BLE Mesh stack local variables
28. Support using PSRAM for BLE Mesh mutex, queue and task
29. Add a menuconfig option to enable using memory from PSRAM
30. Clean up sdkconfig.defaults of BLE Mesh examples
2020-02-26 17:37:44 +08:00

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ESP-BLE-MESH 架构
=================
:link_to_translation:`en:[English]`
本文档将介绍 ESP-BLE-MESH 的架构概览、架构实现和辅助程序。
- ESP-BLE-MESH 架构概览
- 描述了 ESP-BLE-MESH 架构的 5 大部分及每个部分的功能。
- ESP-BLE-MESH 架构实现
- 描述了 ESP-BLE-MESH 文件的基本功能、文件与 ESP-BLE-MESH 架构的对应关系及文件间调用的接口。
- ESP-BLE-MESH 辅助程序
- 描述了 ESP-BLE-MESH 的辅助程序，比如 Mesh 网络管理，Mesh 特性等。
1. ESP-BLE-MESH 架构概览
------------------------
目前，ESP-BLE-MESH 已经实现了 Mesh Profile 的大多数功能及 Mesh Model 规范中定义的所有 Client Model。未支持的功能/模型尚在开发中，会尽快提供。 ESP-BLE-MESH 已通过 Bluetooth SIG 蓝牙技术联盟的 `认证 <https://launchstudio.bluetooth.com/ListingDetails/76255>`__。
.. figure:: ../../../_static/esp-ble-mesh-architecture.png
:align: center
图 1.1 ESP-BLE-MESH 架构图
ESP-BLE-MESH 架构主要由以下 5 大部分组成：
- ``Mesh 协议栈``
- ``Mesh Networking`` 负责 BLE Mesh 设备的网络消息处理等。
- ``Mesh Provisioning`` 负责 BLE Mesh 设备的启动配置流程。
- ``Mesh Models`` 负责实现 SIG 定义的模型。
- ``网络管理``
- 负责实现网络管理程序，包括节点删除程序、网络索引 (IV Index) 恢复程序等。
- ``特性``
- 包括 BLE Mesh 特性，如低功耗特性、好友特性、中继特性等。
- ``Mesh 承载层``
- 包括 ``广播承载层`` 和 ``GATT 承载层``。承载层对于 ESP-BLE-MESH 协议栈至关重要，因为协议栈基于蓝牙低功耗技术构建而成，其必须利用承载层通过 BLE 广播通道和连接通道进行数据传输。
- ``应用程序``
- 基于 ESP-BLE-MESH 协议栈和 ``Mesh Models``。
- 通过调用 API 和处理事件，``Applications`` 实现了与 ESP-BLE-MESH 协议栈中的 ``Mesh Networking`` 和 ``Mesh Provisioning`` 的交互，也实现了与 ``Mesh Models`` 中一系列模型的交互。
1.1 Mesh 协议栈
---------------
1.1.1 Mesh Networking
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
协议栈架构中的 ``Mesh Networking`` 实现了如下功能:
- Mesh 网络中节点间的通讯。
- Mesh 网络中消息的加解密。
- Mesh 网络资源的管理，如网络秘钥 (NetKey)、网络索引等。
- Mesh 网络消息的分包与重组。
- 消息在不同模型间的模型映射。
- 更多功能，请参见 :doc:`ble-mesh-feature-list`。
``Mesh Networking`` 功能的实现是基于层级结构的。每一层的功能如表 1.1 所示：
.. list-table:: 表 1.1 Mesh Networking 框架描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 层级
- 功能
* - 接入层
- 接入层定义应用程序数据的格式，还对上层传输层对数据包的加密和解密进行定义和控制。
* - 上层传输层
- 上层传输层对接入层进出的应用数据进行加密、解密和认证，同时也处理被称为 “传输控制消息”的特殊消息，这种消息包括了与“友谊”和心跳包相关的消息。
* - 底层传输层
- 底层传输层处理 PDU 的分包和重组。
* - 网络层
- 网络层定义网络消息的地址类型和格式，实现设备的中继功能。
1.1.2 Mesh Provisioning
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
协议栈架构中的 ``Mesh Provisioning`` 实现了如下功能：
- 对未配网设备的配网。
- Mesh 网络资源的分配 (单播地址、网络索引和网络秘钥)。
- 配网期间对 4 种验证方法的支持。
- 更多功能，请参见 :doc:`ble-mesh-feature-list`。
``Mesh Provisioning`` 功能的实现是基于层级结构的。每一层的功能如表 1.2 所示：
.. list-table:: 表 1.2 Mesh Provisioning 框架描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 层级
- 功能
* - Provisioning PDUs
- 通过配网协议处理不同层级的 Provisioning PDUs。
* - Generic Provisioning PDU/Proxy PDU
- 使用 Generic Provisioning 层或代理协议层将 Provisioning PDU 传输到未配网的设备。
* - PB-ADV/PB-GATT
- 这些层级定义了 Provisioning PDUs 作为可分包和重组的消息进行传输的方式。
* - Advertising/Provisioning Service
- Provisioning bearer 定义了会话建立的方式，该方式用来将 Generic Provisioning 层的传输包传送到设备。
1.1.3 Mesh Models
^^^^^^^^^^^^^^^^^
协议栈架构中的 ``Mesh Models`` 实现了如下功能：
- Configuration Client/Server Models
- Health Client/Server Models
- Generic Client/Server Models
- Sensor Client/Server Models
- Time and Scenes Client/Server Models
- Lighting Client/Server Models
每一层的功能如表 1.3 所示：
.. list-table:: 表 1.3 Mesh Models 框架描述
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:header-rows: 1
* - 层级
- 功能
* - 模型层
- 模型层实现用于标准化典型用户场景操作的模型，包括 Generic Client/Server Models、Sensor Client/Server Models、Time and Scenes Client/Server Models、Lighting Client/Server Models 和若干自定义模型。
* - 基础模型层
- 基础模型层实现与 ESP-BLE-MESH 网络配置、管理和自我诊断等相关的模型。
1.2 Mesh 网络管理
-----------------
``网络管理`` 实现了如下功能：
- 节点移除程序：用于将节点从网络中移除。
- 网络索引恢复程序：用于恢复节点的网络索引。
- 网络索引更新程序：用于更新节点的网络索引。
- 秘钥更新程序：用于更新节点的网络秘钥、应用秘钥 (AppKey) 等。
- 网络创建程序：用于创建 mesh 网络。
- NVS 存储器：用于存储节点的网络信息。
1.3 Mesh 特性
-------------
``特性`` 包括以下几项：
- 低功耗特性：用于降低节点的能耗。
- 好友特性：用于为低功耗节点存储消息。
- 中继特性：用于中继/转发节点通过广播承载层收到的网络 PDU.
- Proxy Server/Client 是代理协议中的两个节点角色，其使节点可以通过面向连接的承载层收发 Network PDUs、mesh beacons、代理配置消息和 Provisioning PDU。
1.4 Mesh 承载层
---------------
协议栈框架中的 ``承载层`` 负责 ESP-BLE-MESH 协议栈和低功耗蓝牙核心协议间的数据传输。
``承载层`` 可视为是基于蓝牙低功耗核心协议的载体层，其实现了 ESP-BLE-MESH 协议栈数据的接收和传输。
.. list-table:: 表 1.3 Mesh 承载层描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 层级
- 功能
* - GATT 承载层
- GATT 承载层使用代理协议通过 GATT 连接在两个设备之间发送和接收 ``Proxy PDUs``。
* - 广播承载层
- 使用广播承载层时，必须使用低功耗蓝牙广播通道来发送 mesh 数据包, 数据包中的 AD Type 需要设置为 mesh 数据包的类型。
1.5 Mesh ``应用层``
--------------------
协议栈框架图中的 ``应用层`` 通过调用 ESP-BLE-MESH 协议栈提供的 API 并处理协议栈上报的事件来实现相应的功能，有一些常见应用，比如网关、照明等。
应用层和 ``API / 事件`` 之间的交互
- 应用层调用 API
- 调用配网相关的 API 进行配网。
- 调用模型相关的 API 发送消息。
- 调用设备属性相关的 API 获取设备的本地信息。
- 应用层处理事件
应用层的设计基于事件设计，事件将参数传输给应用层。事件主要分为两大类。
- 调用 API 完成的事件。
- 比如接收消息的节点。
- 协议栈主动上报给应用层的事件。
- 协议栈主动上报的事件。
- 模型主动上报的事件。
- 事件通过应用层注册的回调函数进行上报，同时回调函数中也会包含对事件的相应处理。
``API /事件`` 与 ESP-BLE-MESH 协议栈的交互
- 用户使用的 API 主要调用``Mesh Networking``、``Mesh Provisioning`` 和 ``Mesh Models`` 提供的函数。
- ``API /事件`` 和协议栈的交互不会跨越协议栈的层级进行操作。比如 API 不会调用 ``Network Layer`` 相关的函数。
2. ESP-BLE-MESH 架构实现
------------------------
ESP-BLE-MESH 架构的设计和实现是基于层级和模块的。具体而言，第 2.1 节（Mesh 网络的实现），第 2.2 节（Mesh 配网实现）和第 2.3 节（Mesh 层级实现）基于层级思想，第 2.4 节（网格模型的实现）基于模块思想。
- **层级思想**: 基于层级思想，网络架构根据 Mesh Profile Specification 中指定的层级设计而成。每层都有独特的文件，文件包括该层的 API 等。具体设计如图 2.1 所示。
- **模块思想**: 每个文件实现一个独立的功能，供其它程序调用。
.. figure:: ../../../_static/esp-ble-mesh-interface.png
:align: center
图 2.1 ESP-BLE-MESH 架构实现图
ESP-BLE-MESH 架构采用分层的方式进行设计，数据包的处理所经过的层级顺序是固定的，也就是数据包的处理过程会形成一个 ``消息流``。因此，我们可以从图 2.1 的协议栈接口图中看到消息流。
2.1 Mesh 协议栈的实现
---------------------
2.1.1 Mesh Networking 实现
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
``Mesh Networking`` 中的文件列表和每个文件实现的功能如表 2.1 所示：
.. list-table:: 表 2.1 Mesh Networking 文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`access.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/access.c>`
- BLE Mesh 接入层
* - :component_file:`transport.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/transport.c>`
- BLE Mesh 底层/上层传输层
* - :component_file:`net.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/net.c>`
- BLE Mesh 网络层
* - :component_file:`adv.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/adv.c>`
- 用于发送 BLE Mesh 广播包的任务，一个用于处理收到的广播包的回调以及用于分配 adv 缓冲区的 API
2.1.2 Mesh Provisioning 实现
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
由于 Node/Provisioner 共存的限制，Mesh Provisioning 的实现分为两大模块。
实现 Node 启动配置的特定文件如表 2.2 所示：
.. list-table:: 表 2.2 Mesh Provisioning（节点）文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`prov.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/prov.c>`
- BLE Mesh 节点配网 (PB-ADV & PB-GATT)
* - :component_file:`proxy_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/proxy_client.c>`
- BLE Mesh 节点代理相关功能
* - :component_file:`beacon.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/beacon.c>`
- 用于处理 BLE Mesh Beacon 的 API
实现 Provisioner 配置功能的特定文件如表 2.3 所示：
.. list-table:: 表 2.3 Mesh Provisioning (Provisioner) 文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`provisioner_prov.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/provisioner_prov.c>`
- BLE Mesh Provisioner 配置入网 (PB-ADV & PB-GATT)
* - :component_file:`proxy_server.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/proxy_server.c>`
- BLE Mesh 代理客户端相关功能
* - :component_file:`provisioner_main.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/provisioner_main.c>`
- BLE Mesh Provisioner 网络相关功能
2.1.3 Mesh Models 实现
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Mesh Models 用于实现节点中所包含的模型的具体功能。服务器模型主要用于维护节点状态。客户端模型主要用于获取和修改节点状态。
.. list-table:: Table 2.4 Mesh Models 文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`cfg_cli.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/cfg_cli.c>`
- 发送 Configuration Client 消息，接收相应应答消息
* - :component_file:`cfg_srv.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/cfg_srv.c>`
- 接收 Configuration Client 消息，发送适当应答消息
* - :component_file:`health_cli.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/health_cli.c>`
- 发送 Health Client 消息，接收相应应答消息
* - :component_file:`health_srv.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/health_srv.c>`
- 接收 Health Client 消息，发送适当应答消息
* - :component_file:`client_common.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_models/client/client_common.c>`
- BLE Mesh 模型相关操作
* - :component_file:`generic_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_models/client/generic_client.c>`
- 发送 BLE Mesh Generic Client 消息，接收相应应答消息
* - :component_file:`lighting_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_models/client/lighting_client.c>`
- 发送 BLE Mesh Lighting Client 消息，接收相应应答消息
* - :component_file:`sensor_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_models/client/sensor_client.c>`
- 发送 BLE Mesh Sensor Client 消息，接收相应应答消息
* - :component_file:`time_scene_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_models/client/time_scene_client.c>`
- 发送 BLE Mesh Time Scene Client 消息，接收相应应答消息
2.2 Mesh Bearers 实现
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
Mesh Bearers 在实现时充分考虑了可移植性。当 ESP-BLE-MESH 协议栈需要移植到其它平台时，用户只需要修改 :component_file:`mesh_bearer_adapt.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/bluedroid_host/mesh_bearer_adapt.c>` 就能移植成功。
.. list-table:: 表 2.5 Mesh Bearers 文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`mesh_bearer_adapt.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/bluedroid_host/mesh_bearer_adapt.c>`
- BLE Mesh 承载层适配文件。此文件提供用于接收和发送 BLE Mesh ADV 和 GATT 相关数据包的接口。
.. note::
:component_file:`mesh_bearer_adapt.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/bluedroid_host/mesh_bearer_adapt.c>` 是对 Mesh 网络框架中 ``Advertising Bearer`` 和 ``GATT Bearer`` 的实现。
2.3 Mesh Applications 实现
^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^
我们提供了一系列用于客户开发的应用示例，用户可以基于 :ref:`esp-ble-mesh-examples` 开发产品。
3. ESP-BLE-MESH 辅助程序
-------------------------
辅助程序指的是 ESP-BLE-MESH 协议栈中可选的功能。辅助程序的设计通常通过 :ref:`CONFIG_BLE_MESH` 来实现代码的裁剪。
3.1 特性
^^^^^^^^
- 低功耗
- 好友
- 中继
- 代理客户端/代理服务器
3.2 网络管理
^^^^^^^^^^^^
- 节点移除程序
- 网络索引恢复程序
- 网络索引更新程序
- 秘钥更新程序
- 网络创建程序
- NVS 存储器
3.3 辅助程序实现
^^^^^^^^^^^^^^^^
采用独立模块的设计主要考虑到两个因素：
- 该模块不具备分层实现的条件，其实现可以完全独立，不需要依赖其它模块。
- 模块中的函数会被反复使用到，因此最好设计成独立模块。独立模块如表 3.1 所示：
.. list-table:: 表 3.1 模块文件描述
:widths: 40 150
:header-rows: 1
* - 文件
- 功能
* - :component_file:`lpn.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/lpn.c>`
- BLE Mesh 低功耗功能
* - :component_file:`friend.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/friend.c>`
- BLE Mesh 好友功能
* - :component_file:`net.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/net.c>`
- BLE Mesh 中继功能、网络创建、网络索引更新程序、网络索引恢复程序、秘钥更新程序相关功能
* - :component_file:`proxy_client.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/proxy_client.c>`
- BLE Mesh 代理服务器相关功能
* - :component_file:`proxy_server.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/proxy_server.c>`
- BLE Mesh 代理客户端相关功能
* - :component_file:`settings.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/settings.c>`
- BLE Mesh 节点 NVS 存储器功能
* - :component_file:`main.c <bt/esp_ble_mesh/mesh_core/main.c>`
- BLE Mesh 节点移除相关功能
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