JavaScript is currently disabled.Please enable it for a better experience of Jumi.
 Annonsera Utgivningsplan Månadsmagasinet Prenumerera Konsultguide Om oss  About / Advertise
måndag 27 maj 2019 VECKA 22
Guidelines for contributing Technical Papers: download PDF

När meshtekniken adderades i version 4.0 av Bluetooth blev det möjligt för grupper av noder att skapa nätverk med stor yttäckning på ett energieffektivt och säkert sätt. Det öppnade också för helt nya tillämpningar som klarar industriella krav på säkerhet, tillförlitlighet och skalbarhet.


Ladda ner artikeln här (länk, pdf).

Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Bluetooth Special Interest Group, ofta kallat Bluetooth SIG, släppte den första versionen av standarden år 2000. Den kallas Bluetooth Basic Rate (BR)/Enhanced Data Rate (EDR). År 2010 kom Bluetooth Low ­Energy (BLE) som sänkte energiförbrukningen.

Framgångarna för BLE beror framförallt på den låga energiförbrukningen. Men tekniken har också en del svagheter. Det är bara möjligt att kommunicera på tre sätt: tvåvägskommunikation mellan två noder, tvåvägskommunikation mellan en central nod och många omgivande noder eller envägskommunikation där en central nod skickar data till alla omgivande noder utan att adressera någon speciell nod. I det sistnämnda fallet kan noderna inte svara på det meddelande som skickas ut. Svagheten med de här tre metoderna är att nätet slutar fungera om den centrala noden av någon anledning slutar fungera.

I juli 2017 släpptes Bluetooth mesh som bygger vidare på Bluetooth Low Energy. Med Bluetooth mesh går det att skapa nät som kommunicerar nod-till-nod i grupper om upp till 32 000 individer vilket medför att man kan täcka stora ytor. Kommunikationen fungerar även om den nod som sänder ett meddelande inte kan kommunicera direkt med slutdestinationen utan meddelandet måste vidarebefordras av mellanliggande noder. Dessutom går det att blanda noder från olika tillverkare vilket inte var möjligt med de äldre, proprietära varianterna som CSRmesh. Andra fördelar är robust och säker dataöverföring liksom hög energieffektivitet.

Sammantaget gör det Bluetooth mesh till en perfekt lösning för många tillämpningar som fastighetsautomation, sensornätverk, industriell tillverkning eller spårning av gods. Lite förenklat passar Bluetooth mesh för alla tillämpningar som kräver kommunikation mellan många enheter med små data­mängder.

Bluetooth mesh har ett meddelandesystem som använder modellen publicera–prenumerera (publish and subscribe). Att skicka ett meddelande till en specifik nod kallas att publicera. Prenumeration innebär att tilldela en nod en specifik adress. Noden kan bara ta emot ett meddelande om det har skickats till den specifika adressen. TA ett hus, som exempel. Alla ljuskällor i hallen har Bluetooth mesh och konfigureras för att ta emot meddelanden adresserade till ”hallen”. Om man skickar meddelanden ”på” till ”hallen” via Bluetoothnätverket tar alla ljuskällor emot det men bara de i hallen tänds.

Dataöverföringen i Bluetooth mesh kallas ”flooding”. Det innebär att det inte finns någon i förväg specificerad väg för ett meddelande som ska gå till en specifik nod. Meddelandet skickas till alla noder inom hörhåll och vidarebefordras sedan tills det når målet.

Genom att ha många noder på en liten yta går det att kringgå fysiska barriärer, exempelvis väggar och golv, som annars skulle stoppa signalen. Man behöver därmed inte använda system med lägre frekvenser eller proprietära system. Även om den nod som ursprungligen skickade meddelandet inte direkt kan nå mottagaren kommer meddelandet ändå att nå korrekt mottagare. Om det finns tillräckligt många noder kan meddelandet gå flera vägar vilket skapar redundans och därmed högre tillförlitlighet. Skulle en enskild nod fallera påverkas inte kommunikationen mellan dessa två noder och nätet blir självläkande.

Det finns fyra olika typer av noder i Bluetooth mesh som förutom att skicka och ta emot meddelanden kan vara:
• Relänoder: De vidarebefordrar meddelanden till nästa nod. Maximalt antal hopp är begränsat till 127 stycken.
• Lågeffektsnoder: En del enheter, som sensorer, måste vara extremt energieffektiva. Lågeffektsnoder arbetar tillsammans med en eller flera andra noder som kallas ”vänner”.
• Vännoder: De har tillräckligt mycket energi genom att exempelvis vara anslutna till elnätet. Dessa noder arbetar tillsammans med lågeffektsnoder. Vännoder lagrar meddelanden och skickar dem vidare först när de uppmanas göra det av en vännod.
• Proxynoder: De tillhandahåller ett gränssnitt av typen GATT (generic attribute profile) för BLE-noder som inte har en stack för Bluetooth mesh. På så sätt blir det möjligt att kommunicera mellan ett nät av typen BLE mesh och en BLE-nod som saknar meshfunktionen.

Via accesslagret i OSI-modellen, går det att bestämma om en bekräftelse på att ett meddelande tagits emot ska skickas tillbaka till den enhet som sände ut det eller inte.

Att skapa ett stort nätverk med många enheter innebär en stor risk vad gäller datasäkerheten. Detta var därför högprioriterat när Bluetooth mesh utvecklades. Bluetooth SIG har skapat en strikt specifikation där alla säkerhetsfunktioner är därför obligatoriska.

De svagheter i säkerheten med Bluetooth Secure Simple Pairing och LE Secure Connections, som identifierats av forskare vid israelska tekniska universitetet Technion, har också betydelse för Bluetooth mesh eftersom det är baserat på BLE-stacken. En del leverantörer som omfattas har redan tagit fram uppdateringar för firmware eller håller på att åtgärda problemet. Rutronik har tagit fram en lista över de produkter som är berörda där det framgår om firmware är uppdaterat, https://rutronik-tec.com/bluetooth-security-vulnerability-status/

Nyckelfunktionerna i säkerheten är:

l Kryptering och autentisering:
Alla meddelanden i Bluetooth mesh är krypterade och autentiserade.

Strikt separerade ansvarsområden (Separation of Concerns): Det finns tre olika säkerhetsaspekter i ett Bluetooth meshnätverk: Applikationen, nätverket och noderna. De hanteras oberoende av varandra och har varsin säkerhetsnyckel:
1. Applikationsnyckel (AppKey): Denna ­säkrar data som är relaterad till ­specifika applikationer som belysning eller ­kameror.
2. Nätverksnyckel (NetKey): Nätverksnycklar används av alla noder i nätet för att data­överföringen ska vara säker.
3. Nodnyckel (DevKey): Varje nod har en unik nyckel. Denna används när man ska addera noder till nätverket.

Isolerade domäner: Bluetoothnätet är uppdelat i delnät som är åtskilda vad ­gäller kryptering och säkerhet.

Uppdatering av nycklar: Alla nycklar i ett Bluetooth meshnätverk kan uppdateras med en speciell procedur.

Förvrängda meddelanden: Den här mekanismen för gör det extremt svårt att spåra noder i ett nätverk. Det är därför nästan omöjligt att spåra utsända meddelanden.

Skydd mot återutsändning: Det finns ­säkerhetsfunktioner som skyddar nätverket mot att informationen om autentiserings- och accessfunktioner i gamla meddelanden återanvänds.

Skyddad papperskorg: Det går att ta bort noder från ett nätverk på ett säkert sätt så att papperskorgen inte går att vittja på information om nätet.

Säker nodgenerering: Den process som adderar nya enheter är säker.

Alla dessa säkerhetsfunktioner gör Bluetooth mesh till ett intressant alternativ för tillämpningar med låga datatakter och många noder. Dessutom är Bluetooth mesh idealiskt för nya tillämpningar som förebyggande underhåll eller smart jordbruk. Implementationen av trådlösa sensornätverk med meshteknik i tillverkningsprocesser kan varna underhållspersonalen i god tid innan en maskin går sönder. I jordbruket kan data om fukthalten i marken och luften liksom temperaturen skickas direkt till en smartmobil utan att gå via en central insamlingspunkt. Det gör det också möjligt att nyttja vatten och gödning på ett effektivare sätt samtidigt som man minskar användningen av bekämpningsmedel i och med att de bara behöver tillgripas när mätvärdena hamnar inom vissa förutbestämda ramar.

I smarta hem kan belysningen utrustas med sensorer som registrerar om någon finns i närheten vilket gör det möjligt att ha belysningen tänd bara då. Bluetooth mesh kan användas i olika sporter. Exempelvis kan man ha sensorer i skorna som registrerar hur foten sätts ned. Data överförs via Bluetooth mesh från en person till nästa tills det slutligen når tränaren som kan studera rörelserna och föreslå förbättringar.

Ytterligare en fördel är att miljön inte är av betydelse för BLE mesh. Det går därför att tänka sig ett oändligt antal tillämpningar på sjukhus, fabriker, kontor, universitet eller privata hem. Bluetooth mesh är ett intressant alternativ överallt där man behöver trådlös, säker och robust kommunikation mellan många enheter, samtidigt som det öppnar för nya tillämpningar.

MER LÄSNING:
 
Branschens egen tidning
För dig i branschen kostar det inget att prenumerera på vårt snygga pappers­magasin.

Klicka här!
SENASTE KOMMENTARER
Kommentarer via Disqus

Vi gör Elektroniktidningen

Anne-Charlotte Sparrvik

Anne-Charlotte
Sparrvik

+46(0)734-171099 ac@etn.se
(sälj och marknads­föring)
Per Henricsson

Per
Henricsson
+46(0)734-171303 per@etn.se
(redaktion)

Anna Wennberg

Anna
Wennberg
+46(0)734-171311 anna@etn.se
(redaktion)

Jan Tångring

Jan
Tångring
+46(0)734-171309 jan@etn.se
(redaktion)