Bluetooth meshの基礎

Bluetooth mesh(BTmesh)
株式会社ピクセラ
先端技術開発部
© 2018 PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.｜PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL.
2018年9月13日

アジェンダ
1.概要
2.プロビジョニング
3.デモ
© 2018 PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.｜PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 2

Bluetooth mesh(BT mesh)の特徴
BLEの通信方式を応用したmeshネットワーク
中継を繰り返すことで長距離通信可能
理論上は台数制限なし
（ユニキャストアドレスは２バイト）

BT meshの誤解1
BT meshの誤解１: Bluetooth5 の機能の一つにmesh機能がある
実際は
・Bluetooth 5とは関係ない
・mesh機器は BLE機能+mesh機能
mesh機器
BLE Mesh
ハードウェアは共通
BT mesh用のソフトウェア
BLEソフトウェア
(4.1でも5でもいい)

BT meshの誤解2
BT meshの誤解２: BT mesh は BLE機器を１つだけ改造すれば
メッシュネットワークを構成できる
実際は
・ハードウェアは互換
・ソフトウェアスタックは別物
（実際はメモリ容量の関係でハードウェアの変更が必要）
BLE BLE BLE
３つの機器でmeshにしたい → すべて対応が必要
ここだけmesh対応しても中継できない

BT meshの誤解3
BT meshの誤解３ : BT mesh対応製品があるので買ってくればつながる
実際は
・Bluetooth SIGに準拠した(SIG mesh)のほかに
メーカー独自のmesh機能を持った製品もあるので注意
タブレット
SIG mesh
独自
mesh
通信可通信可
通信不可
の場合あり
×

BT meshの誤解4
BT meshの誤解４ : BT mesh対応すれば無条件に通信距離がのびる
実際は
・１つ１つはただのBLEで単体の性能が上がるわけではない
・Mesh対応にはトレードオフがある
BLE温度センサー
電池で１年動作
26
℃
実用で5m
BT mesh温度センサー
?
℃
距離は伸びない
26
℃
中継機能は
電池寿命が短い
Mesh
対応

フラッド型ネットワーク
BT meshはフラッド型のメッシュネットワーク
・ブロードキャストを繰り返して通信する
1
2
3
4
機器1が機器4をONにする
1がブロードキャスト
1
2
3
4
2,3がブロードキャスト
ON
×
届かない
×
届かない

ノード
ノード(Node) : BT meshネットワーク内の各デバイス
ノードの種類
・ Relay Node(右図R)
通信を中継
・ Proxy Node(右図P)
BLE機器と通信
・ Low Power Node(右図L)
スリープするノード
・ Friend Node(右図F)
Low Power Nodeのデータをキャッシュ
・ Leaf Node(右図LN)
特別なことは何もしない末端のノード
P
R
R
F
L
BLE対応
タブレット
L
N

エレメント
エレメント(element) : ノードに属する物理的な機器
例：３つのエレメントを持ったノード複数のエレメントも可能

モデル
モデル(model) : エレメントの持つ具体的な機能
例
「ON/OFF」,「明るさ」を制御できる電球は
Generic ON/OFF
Generic Level
というモデルを持たせれば対応可能

機器の制御
各エレメントはモデルを介して制御する
モデル(サーバー)
Generic ON/OFF
Generic Level
モデル(クライアント)
Generic ON/OFF
モデル(クライアント)
Generic Level
ON/OFF
制御が可能
ON/OFF制御
明るさ制御
明るさ
制御が可能
モデル(サーバー)
Generic ON/OFF
Generic Level

セキュリティ
セキュリティは必須
３つの鍵を持つ
・NetKey
ネットワーク共通の鍵
・AppKey
グループで共通の鍵
・DevKey
デバイス固有の鍵
ネットワーク構成後の通信は
NetKeyとAppKeyを使用
NetKey
AppKeyDevKey
DevKey
DevKey
DevKey
DevKey
AppKey

プロビジョニング
BT meshにはペアリングという操作はない
・ BT meshネットワークに参加させるための操作
プロビジョナー
・ネットワークへの追加、削除を管理を行う機器

プロビジョニングの流れ
5つのステップで行う
1. ビーコニング
2. インビテーション
3. パブリックキーの交換
4. 認証
5. プロビジョニングデータの配布
最終的に暗号鍵(NetKey)を共有することが目的
プロビジョナーと追加デバイス間で１：１の通信を行う
(BLE のMesh Provisioning ServiceのGATTサービスと通信を行う)

１．ビーコニング
従来のBLEの接続操作と同じ
(セントラル)
追加対象
(ペリフェラル)
BD_ADDR (xx:xx:xx:xx:xx:xx) 発見
Mesh Provisioning Service 発見
アドバタイズ開始
スキャン開始
接続
Unprovisioned
device beacon
サービスのスキャン

２．インビテーション
機器の持つ基本的な機能の問い合わせ
(セントラル)
追加対象
内容
・エレメントの数
・対応するセキュリティアルゴリズム
・パブリックキー交換方法
・値を入力するタイプのデバイスか？
・値を出力するタイプのデバイスか？
Provisioning Invite
Provisioning Capability

３．パブリックキーの交換
共通鍵を送るための公開暗号鍵の送り方で２通りの方法がある
OOB(Out-of-band)使用する
例) QRコード、キーコード、NFC, IRなど (Bluetooth以外)
(セントラル)
追加対象
Provisioning start
追加対象の公開鍵表示追加対象の公開鍵入力
プロビジョナーの公開鍵送信

３．パブリックキーの交換
共通鍵を送るための公開暗号鍵の送り方で２通りの方法がある
OOB(Out-of-band)使用しない
(セントラル)
追加対象
Provisioning start
追加対象の公開鍵表示
プロビジョナーの公開鍵送信

概要プロビジョニングの流れ
４．認証
プロビジョニング対象の確認
a. 対象機器がOOBデータを出力する場合
(セントラル)
追加対象
ランダム値の表示
追加対象が表示した
ランダム値の入力
値のディスプレイ表示
特定回数の点滅
など

４．認証
b. 対象機器にOOBデータを入力する場合
(セントラル)
追加対象
ランダム値の表示追加対象が表示した
ランダム値の入力
指定回数のボタン押し
など
入力完了

４．認証
c. Static OOB または No OOB
(セントラル)
追加対象
ランダム値生成ランダム値生成

４．認証確認値のチェック
これまでにやり取りした値を使って、確認値を規格で決められた方法で計算
(セントラル)
追加対象
Confirmation Valueの生成 Confirmation Valueの生成
計算結果(Provisioning Confirmation)
の送受信
計算結果(Provisioning Confirmation)
の送受信
計算に使ったランダム値の送信
計算に使ったランダム値の送信
照合
照合

５．プロビジョニングデータの配布
(セントラル)
追加対象
プロビジョニングデータの生成
・NetKey
・DevKey
・KeyIndex
・Flag
・IV index
・Unicast Address
プロビジョニングデータの送信

概要プロビジョニングまとめ
ビーコニング
インビテーション
公開鍵交換
認証
データの配布
ユーザーの手数を増やす
→ セキュリティが強固になる

デモセンサーの追加
BLE対応
タブレット
New Device
Nexus7上でアプリを動かすとBluetooth が不安定なので省略
やること
・NewDeviceの検出
・NewDeviceのプロビジョニング
・NewDeviceのコンフィグレーション

デモキットの紹介
Silicon labs社の Blue Gecko SoC Wireless Starter Kit を使用

① 電源投入
meshデバイスは未プロビジョニング状態なので、自動的にビーコンを送出

② プロビジョニング
スキャン接続
追加先ネットワークの
選択
完了
5～10秒 5～10秒

ビーコニング
インビテーション
公開鍵交換
認証
データの配布
デモ機は赤いフローを通る
（OOBを使わないシンプルなルート）

② プロビジョニング結果
ユニキャストアドレス
UUID
追加先ネットワーク名
NetKey
AppKey（未設定）
DevKey
サーバーモデル一覧

③ 設定（コンフィグレーション）
ノードに実装された機能を
どう使うかを設定
(FWに依存)
ここからはGATTではなく
meshネットワーク上で設定
途中画面
省略
10～15秒

デモセンサーの追加のポイント
プロビジョニングだけ実装しても使い勝手がよくない
・追加したデバイスをどんな名前にするか？
・追加したデバイスをどのグループに対応させるか？
・タブレットにどんなUIを表示するか？
・追加したデバイスのどの機能を使用するか？
プロビジョニング自体のほかに、設定が必要

デモ BT mesh lightの制御
BLE対応
タブレット
Proxy Node
Relay Node
Relay Node
Node
Element
Model
Generic ON/OFF
Model
Generic Level
各ノードの仕様
BT mesh light sample
Demo Network
Group1

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