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Bluetooth meshの基礎
1.
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
2.
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
3.
Bluetooth mesh(BT mesh)の特徴 ©
2018 PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 3 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)
4.
BT meshの誤解1 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 4 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)
5.
BT meshの誤解2 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 5 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
6.
BT meshの誤解3 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 6 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 ×
7.
BT meshの誤解4 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 7 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 BT mesh温度センサー 26 ℃ BT mesh温度センサー 中継機能は 電池寿命が短い Mesh 対応
8.
フラッド型ネットワーク © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 8 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
9.
ノード © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 9 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
10.
エレメント © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 10 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
11.
モデル © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 11 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
12.
機器の制御 © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 12 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
13.
セキュリティ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 13 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
14.
プロビジョニング © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 14 BT meshにはペアリングという操作はない プロビジョニング ・ 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
15.
プロビジョニングの流れ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 15 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)
16.
プロビジョニングの流れ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 16 1.ビーコニング 従来のBLEの接続操作と同じ プロビジョナー (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
17.
プロビジョニングの流れ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 17 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 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
18.
プロビジョニングの流れ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 18 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) プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
19.
プロビジョニングの流れ © 2018 PIXELA
CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 19 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 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
20.
概要 プロビジョニングの流れ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 20 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 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
21.
概要 プロビジョニングの流れ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 21 4.認証 プロビジョニング対象の確認 b. 対象機器にOOBデータを入力する場合 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
22.
概要 プロビジョニングの流れ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 22 4.認証 プロビジョニング対象の確認 c. Static OOB または No OOB プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) ランダム値生成ランダム値生成
23.
概要 プロビジョニングの流れ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 23 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 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
24.
概要 プロビジョニングの流れ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 24 5.プロビジョニングデータの配布 プロビジョナー (セントラル) 追加対象 (ペリフェラル) 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
25.
概要 プロビジョニングまとめ © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 25 ビーコニング インビテーション 公開鍵交換 認証 プロビジョニング 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
26.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 26 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 プロビジョナー
27.
デモ キットの紹介 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 27 Silicon labs社の Blue Gecko SoC Wireless Starter Kit を使用
28.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 28 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
29.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 29 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 プロビジョニング 完了 5~10秒 5~10秒
30.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 30 ビーコニング インビテーション 公開鍵交換 認証 プロビジョニング 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)
31.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 31 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
32.
デモ センサーの追加 © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 32 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
33.
デモ センサーの追加のポイント © 2018
PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 33 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
34.
デモ BT mesh
lightの制御 © 2018 PIXELA CORPORATION. All Rights Reserved.|PIXELA CORPORATION PROPRIETARY AND CONFIDENTIAL. 34 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