蓝牙协议分析4_IPv6 Over BLE介绍

转自http://www.wowotech.net/bluetooth/ipv6_over_ble_intro.html

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：


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。