CN109151096A - 基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，通过物理定位得到低功耗蓝牙设备节点的物理地址，将物理坐标转换成逻辑坐标，再将所确定的逻辑坐标转换成二进制坐标，再将64bit前缀后一位填充1，得到低功耗蓝牙设备的短地址，接着采用Mesh Beacon广播类型发出广播，告知自己是未被启动的设备，通过回应启动配置设备邀请交换公共密钥，低功耗蓝牙设备和启动配置设备交换密码散列，进行双方认证，认证成功后，启动配置设备与蓝牙低功耗设备间生成会话密钥，再将64bit的短地址，设备根据启动配置设备分配的IPv6网络前缀结合，得到唯一的全球可路由IPv6地址；该方法计算设备的短地址速度快，实现了更低成本的通过低功耗蓝牙进行信息控制。

Description

基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法

技术领域

本发明属于通信术领域，具体涉及一种基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法。

背景技术

低功耗蓝牙是蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group,BluetoothSIG)发布蓝牙4.0版本时，提出的一种低功耗、低延时的蓝牙通信技术。而蓝牙mesh作为一种“可用于构建包含大量蓝牙设备或节点的多对多的网络技术”，采用低功耗蓝牙进行无线连接。

其中将低功耗蓝牙从“设备”变为接入网状网络的“节点”，为低功耗蓝牙设备配置IPv6地址，这个过程也是低功耗蓝牙设备实现IPv6数据包传输的前提，这一过程需要启动配置设备的参与。启动配置设备是指可以启动配置的流程会将普通的“设备”变身为“节点”，使其正式成为蓝牙网状网络的成员。这一流程通常需要通过一个应用程序来实现，该程序一般由产品制造商所提供，而使用该程序的设备即为启动配置设备。

蓝牙网状网络定义的角色有低功耗节点LPN，朋友节点Friend，中继节点Relay以及代理节点Agent。网络地址分配主要与低功耗蓝牙设备或节点LPN以及启动配置设备有关。

现有技术中低功耗蓝牙节点实现IPv6地址配置需要启动设备为每个设备分配地址，实现IPv6地址配置中算法复杂，计算设备的短地址速度慢，消耗大量的能量。传统蓝牙设备在配置地址时存在重复地址检测，有状态的地址分配高耗能的困境，信息控制成本高。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述问题，提供一种基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，该方法能有效降低IPv6地址配置过程中的信息控制成本，具体技术方案如下：

一种基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过物理定位得到低功耗蓝牙设备节点的物理地址：确定启动配置设备，以启动配置设备作为坐标原点，并以所述原点为中心确定x轴，y轴以及z轴，以低功耗蓝牙设备的物理坐标(X，Y，Z)作为所述物理地址；

S2、将所述物理坐标转换成逻辑坐标：将所述物理坐标(X，Y，Z)中的X、Y和Z各自乘以1000，得到逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)；

S3、将逻辑坐标转换成二进制坐标：将逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)中的1000X、1000Y和1000Z转换成二进制数构成对应的二进制坐标；

S4、获取低功耗蓝牙设备的短地址：由指定64bit前缀后一位填充1后依次添加1000X、1000Y和1000Z的二进制坐标组成所述低功耗蓝牙设备的短地址；

S5、低功耗蓝牙设备采用Mesh Beacon广播类型发出beacon广播，所述启动配置设备接收到所述beacon广播内容后由用户将所述低功耗蓝牙设备添加到低功耗蓝牙网状网络中；

S6、所述启动配置设备使用启动配置邀请PDU的形式向所述低功耗蓝牙设备发送邀请，所述低功耗蓝牙设备在启动配置功能PDU中回复准备启动配置的消息，并通过所述启动配置功能PDU反馈所述启动配置设备；

S7、所述启动配置设备与将被启动配置的所述低功耗蓝牙设备的交换公共密钥；

S8、所述启动配置设备向低功耗蓝牙设备发送认证消息，响应于所述认证消息所述低功耗蓝牙设备发送一数值给所述启动配置设备，用户将所述数值输入到所述启动配置设备的界面后低功耗蓝牙设备和启动配置设备交换密码散列进行双方认证；

S9、由所述启动配置设备与蓝牙低功耗设备的私有密钥和交换的对等公共密钥生成所述启动配置设备与蓝牙低功耗设备之间的会话密钥；

S10、所述启动配置设备通过所述会话密钥给所述低功耗蓝牙设备分配并发送IPv6网络前缀，所述低功耗蓝牙设备根据分配的所述IPv6网络前缀结合所述短地址，生成唯一的全球可路由IPv6地址。

进一步的，所述方法还包括以下步骤：

S11、所述启动配置设备对唯一的所述全球可路由IPv6地址的所述IPv6网络前缀更新。

进一步的，所述启动配置设备设置有IPv6网络前缀的租约功能，所述低功耗蓝牙设备通过向所述启动配置设备发送租约信息实现所述IPv6网络前缀更新操作。

进一步的，步骤S7中使用FIPS P-256椭圆曲线算法的非对称加密创建所述低功耗蓝牙设备与所述启动配置设备的安全通信通道。

进一步的，步骤S9具体包括以下步骤：

S91、使用所述会话密钥保护所述启动配置设备发送给所述低功耗蓝牙设备包含网络密钥NetKey和低功耗蓝牙设备IPv6网络前缀的数据分发；

S92、将所述IPv6网络前缀插入包含UnicastAddress单播地址的ProvisioningData数据包中，并将所述UnicastAddress单播地址修改为所述IPv6网络前缀，利用Provisioning Data数据包实现IPv6网络前缀的传递。

进一步的，所述二进制坐标的长度均为21bit，其中，第一个bit值表示所述二进制坐标的正负，剩余20bit表示对应所述逻辑坐标的数值。

进一步的，所述物理坐标(X，Y，Z)中X、Y、Z的精度均为0.001m。

与现有技术相比，本发明的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法的有益效果是：本发明通过低功耗蓝牙设备或节点实现IPv6地址配置是无状态的地址分配机制，不需要启动配置设备为每个低功耗蓝牙设备分配地址，且实现IPv6地址配置中算法简单容易实现，计算低功耗蓝牙设备的短地址速度快，有效节省了网络传输过程中的能量；为低功耗蓝牙设备配置全球可路由唯一IPv6地址，有利于实现低功耗蓝牙设备接入互联网中，打破了传统蓝牙设备重复地址检测，有状态的地址分配高耗能的困境，实现更简单，更低成本的通过低功耗蓝牙进行信息控制，并实现自动化的操作；同时，本发明的方法可利用于智能家居，智能楼宇以及快速发展的物联网中，对于推进智能家居，智能楼宇以及快速发展的物联网的应用和发展具有重要的作用。

附图说明

图1为本发明实施例中所述基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法的流程图示意；

图2为本发明实施例中所述低功耗蓝牙设备IPv6地址组成示意图；

图3为本发明实施例中所述Provisioning Data数据包格式嵌入IPv6前缀后的网络地址示意图；

图4为本发明实施例中所述启动配置设备分配的低功耗蓝牙设备的IPv6地址编址示意图；

图5为本发明实施例中所述prefix_ackdata数据包更新网络地址后的格式示意图；

图6为本发明实施例中所述低功耗蓝牙设备在网状网络中的IPv6地址配置的具体流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

参阅图1～图6，在本发明实施例中，提供了一种基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，具体包括步骤：

S1、通过物理定位得到低功耗蓝牙设备节点的物理地址：确定启动配置设备，以启动配置设备作为坐标原点，并以所述原点为中心确定x轴，y轴以及z轴，以低功耗蓝牙设备的物理坐标(X，Y，Z)作为所述物理地址；

本发明中，以米m作为物理坐标的单位，并且精确到小数点后三位，具体的，例如，若某一低功耗蓝牙设备或节点的坐标位置距离启动配置设备原点的距离在三个坐标轴上均为1米，则可确定该节点的物理位置坐标为(1.000，1.000，1.000)。

S2、将所述物理坐标转换成逻辑坐标：将所述物理坐标(X，Y，Z)中的X、Y和Z各自乘以1000，得到逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)；

具体的，以上述步骤S1中的物理坐标(1.000，1.000，1.000)为例，将各坐标轴的坐标值乘以1000后得到逻辑坐标(1000，1000，1000)。

S3、将逻辑坐标转换成二进制坐标：将逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)中的1000X、1000Y和1000Z转换成二进制数构成对应的二进制坐标；

假设某一低功耗蓝牙设备的物理地址为(-30.002，24.423，-14.223)，将其横纵坐标都乘以1000，则其逻辑地址为(-30002，24423，-14223)，再进行二进制转换后得到如表一所示：

表一

x轴坐标	y轴坐标	z轴坐标
			-30002	24423	-14223
100000111010100110010	000000101111101100111	100000011011110001111

从中可知，二进制坐标的长度均为21bit，其中，第一个bit值表示所述二进制坐标的正负，剩余20bit表示对应逻辑坐标的数值。

S4、获取低功耗蓝牙设备的短地址：由指定64bit前缀后一位填充1后依次添加1000X、1000Y和1000Z的二进制坐标组成低功耗蓝牙设备的短地址；

其中，短地址的组成具体可参阅图2；同时，由于二进制坐标最大长度科大2²⁰＝1048576，即其物理长度最大大约可以达到1048米；本发明为了适应科技的发展，即随着低功耗蓝牙的性能提升，低功耗蓝牙设备的可连接无线距离也会不断变长，20bit的长度可以确保低功耗蓝牙设备的可连接无线距离的拓展性，有利于低功耗蓝牙设备应有拓展。

S5、低功耗蓝牙设备采用Mesh Beacon广播类型发出beacon广播，启动配置设备接收到beacon广播内容后由用户将低功耗蓝牙设备添加到低功耗蓝牙网状网络中；

具体的，低功耗蓝牙设备在得到短地址后，会采用Mesh Beacon广播类型发出广播，告知启动配置设备自己是未被启动的设备且还未连接入网状网络，可以被启动，此时用户可以通过启动配置设备中的添加设备到网络功能来将此低功耗蓝牙设备添加到低功耗蓝牙网状网络中，实现联盟。

S6、启动配置设备使用启动配置邀请PDU的形式向低功耗蓝牙设备发送邀请，低功耗蓝牙设备在启动配置功能PDU中回复准备启动配置的消息，并通过启动配置功能PDU反馈所述启动配置设备；

S7、启动配置设备与将被启动配置的低功耗蓝牙设备的交换公共密钥；

具体的，本发明的方法通过使用FIPS P-256椭圆曲线算法的非对称加密创建所述低功耗蓝牙设备与所述启动配置设备的安全通信通道，以保证整个通信的安全性。

S8、启动配置设备向低功耗蓝牙设备发送认证消息，响应于认证消息低功耗蓝牙设备发送一数值给启动配置设备，用户将数值输入到启动配置设备的界面后低功耗蓝牙设备和启动配置设备交换密码散列进行双方认证。

具体的，由启动配置设备基于对低功耗蓝牙设备功能的了解，向低功耗蓝牙设备发送消息，指示低功耗蓝牙设备输出单一或多位数值，对低功耗蓝牙设备所支持的多种用户操作作出响应，例如按下按钮；其中，低功耗蓝牙设备输出数值的形式会因设备之间的差异而有所不同：一台设备可能会在LED面板上显示一个三位的数值，另一台设备则可能是红色LED灯闪烁几次，将闪烁的次数作为输出的验证值，即闪烁几次对应低功耗蓝牙设备的输出值即为几位数；在不同低功耗蓝牙设备输出对应位数值后，启动配置设备的用户将观察到低功耗蓝牙设备输出的值，并将值输入启动配置设备的用户界面，从而实现低功耗蓝牙设备和启动配置设备之间的认证操作。

S9、认证成功完成之后，会通过启动配置设备与蓝牙低功耗设备的私有密钥和交换的对等公共密钥生成会话密钥；

在本发明实施例中，会话密钥用于保护完成启动配置流程所需数据的后续分发，具体包括网络密钥NetKey和设备的IPv6网络前缀；将Provisioning Data数据包格式插入IPv6网络前缀的数据包格式，将原本的UnicastAddress单播地址修改为IPv6前缀，利用Provisioning Data数据包实现IPv6前缀的传递，插入后的网络地址如附图3所示。

S10、所述启动配置设备通过所述会话密钥给所述低功耗蓝牙设备分配并发送IPv6网络前缀，所述低功耗蓝牙设备根据分配的所述IPv6网络前缀结合所述短地址，生成唯一的全球可路由IPv6地址；

本发明的方法中低功耗蓝牙设备根据启动配置设备分配的IPv6网络前缀结合上述得到的低功耗蓝牙设备的短地址，得到唯一的全球可路由IPv6地址，地址组成如附图4所示。

此外，本发明为了保证低功耗蓝牙设备形成的IPv6地址可以适应不同的数据环境，本发明方法还会对低功耗蓝牙设备生成的IPv6短地址进行前缀更新，具体过程为：

本发明在启动配置设备具有设置低功耗蓝牙设备对IPv6网络前缀的租约功能，具体的，假设IPv6网络前缀的租约时长为完整的一个时间端，具体多长可根据实际情况设定，本发明通过100％来表示；在低功耗蓝牙设备的IPv6网络前缀的使用过程中，若在租约50％时，低功耗蓝牙设备会向启动配置设备发送续约数据包，启动配置设备收到续约数据包后，更新该IPv6网络前缀，其中，IPv6网络前缀的具体更新过程根据上述对应内容进行，在此不再进行赘述；在低功耗蓝牙设备向启动配置设备发送续约数据包后，如果低功耗蓝牙设备没有收到启动配置设备发送的对应的prefix_updata数据包，由于租约还剩50％，低功耗蓝牙设备可继续使用现有IPv6网络前缀；并在租约已使用85％时，低功耗蓝牙设备会再次向启动配置设备发送申请续约请求，若再次没有收到响应，继续使用该IPv6网络前缀直到低功耗蓝牙设备将租约全部用完，并且客户放弃该IPv6网络前缀；而如果在低功耗蓝牙设备两次向启动配置设备发送租约续约请求启动配置设备均无回应，此时应该检测启动配置设备与低功耗蓝牙设备之间的连接是否出现问题，对此，由于检测低功耗蓝牙设备与启动配置设备是否还有连接为现有技术，并发明在此不再进行详细描述。

优选的，本发明中prefix_ackdata数据包中的id为ff，标识该数据包为prefix_updata，当设备或节点接受到数据包后，对比数据包中IPv6地址的Prefix字段，若该字段与IPv6地址前缀相同则保留IPv6前缀；若不相同，则注销此时的IPv6地址，使用prefix_updata数据包中IPv6前缀与自身短地址进行组合，得到更新后的IPv6地址。

与现有技术相比，本发明的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法的有益效果是：本发明通过低功耗蓝牙设备或节点实现IPv6地址配置是无状态的地址分配机制，不需要启动配置设备为每个低功耗蓝牙设备分配地址，且实现IPv6地址配置中算法简单容易实现，计算低功耗蓝牙设备的短地址速度快，有效节省了网络传输过程中的能量；为低功耗蓝牙设备配置全球可路由唯一IPv6地址，有利于实现低功耗蓝牙设备接入互联网中，打破了传统蓝牙设备重复地址检测，有状态的地址分配高耗能的困境，实现更简单，更低成本的通过低功耗蓝牙进行信息控制，并实现自动化的操作；同时，本发明的方法可利用于智能家居，智能楼宇以及快速发展的物联网中，对于推进智能家居，智能楼宇以及快速发展的物联网的应用和发展具有重要的作用。

以上仅为本发明的较佳实施例，但并不限制本发明的专利范围，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本发明专利保护范围之内。

Claims (7)

1.基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、通过物理定位得到低功耗蓝牙设备节点的物理地址：确定启动配置设备，以启动配置设备作为坐标原点，并以所述原点为中心确定x轴，y轴以及z轴，以低功耗蓝牙设备的物理坐标(X，Y，Z)作为所述物理地址；

S2、将所述物理坐标转换成逻辑坐标：将所述物理坐标(X，Y，Z)中的X、Y和Z各自乘以1000，得到逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)；

S3、将逻辑坐标转换成二进制坐标：将逻辑坐标(1000X，1000Y，1000Z)中的1000X、1000Y和1000Z转换成二进制数构成对应的二进制坐标；

S4、获取低功耗蓝牙设备的短地址：由指定64bit前缀后一位填充1后依次添加1000X、1000Y和1000Z的二进制坐标组成所述低功耗蓝牙设备的短地址；

S5、低功耗蓝牙设备采用Mesh Beacon广播类型发出beacon广播，所述启动配置设备接收到所述beacon广播内容后由用户将所述低功耗蓝牙设备添加到低功耗蓝牙网状网络中；

S6、所述启动配置设备使用启动配置邀请PDU的形式向所述低功耗蓝牙设备发送邀请，所述低功耗蓝牙设备在启动配置功能PDU中回复准备启动配置的消息，并通过所述启动配置功能PDU反馈所述启动配置设备；

S7、所述启动配置设备与将被启动配置的所述低功耗蓝牙设备的交换公共密钥；

S8、所述启动配置设备向低功耗蓝牙设备发送认证消息，响应于所述认证消息所述低功耗蓝牙设备发送一数值给所述启动配置设备，用户将所述数值输入到所述启动配置设备的界面后低功耗蓝牙设备和启动配置设备交换密码散列进行双方认证；

S9、由所述启动配置设备与蓝牙低功耗设备的私有密钥和交换的对等公共密钥生成所述启动配置设备与蓝牙低功耗设备之间的会话密钥；

S10、所述启动配置设备通过所述会话密钥给所述低功耗蓝牙设备分配并发送IPv6网络前缀，所述低功耗蓝牙设备根据分配的所述IPv6网络前缀结合所述短地址，生成唯一的全球可路由IPv6地址。

2.根据权利要求1所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

S11、所述启动配置设备对唯一的所述全球可路由IPv6地址的所述IPv6网络前缀更新。

3.根据权利要求2所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，所述启动配置设备设置有IPv6网络前缀的租约功能，所述低功耗蓝牙设备通过向所述启动配置设备发送租约信息实现所述IPv6网络前缀更新操作。

4.根据权利要求1所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，步骤S7中使用FIPS P-256椭圆曲线算法的非对称加密创建所述低功耗蓝牙设备与所述启动配置设备的安全通信通道。

5.根据权利要求1所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，步骤S9具体包括以下步骤：

S91、使用所述会话密钥保护所述启动配置设备发送给所述低功耗蓝牙设备包含网络密钥NetKey和低功耗蓝牙设备IPv6网络前缀的数据分发；

S92、将所述IPv6网络前缀插入包含UnicastAddress单播地址的Provisioning Data数据包中，并将所述UnicastAddress单播地址修改为所述IPv6网络前缀，利用ProvisioningData数据包实现IPv6网络前缀的传递。

6.根据权利要求1所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，所述二进制坐标的长度均为21bit，其中，第一个bit值表示所述二进制坐标的正负，剩余20bit表示对应所述逻辑坐标的数值。

7.根据权利要求1～6任一项所述的基于坐标信息的低功耗蓝牙网状网络IPv6地址生成配置方法，其特征在于，所述物理坐标(X，Y，Z)中X、Y、Z的精度均为0.001m。