• 藍牙技術定義了兩種主要的網絡拓撲結構，分別適用于不同的藍牙模式：BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate，經典藍牙） 和 BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗藍牙）。每種模式支持特定類型的網絡拓撲，這些拓撲結構決定了設備之間如何連接和通信。

1. BR/EDR（經典藍牙）網絡結構

微微網（Piconet）

• 組成：一個微微網由一個主設備（Central）和最多七個活動的從設備（Peripheral）組成。
• 特點：
  • 所有設備在同一個微微網中共享相同的物理信道，并通過統一的時鐘和跳頻序列進行同步。
  • 主設備控制整個網絡的時間分配，并決定何時允許哪個從設備發送數據。
  • 多個微微網可以在同一區域內共存，每個微微網使用不同的主設備和獨立的時鐘及跳頻序列。
• 擴展性：一個設備可以同時參與多個微微網，形成所謂的散射網（Scatternet），但一個設備不能同時作為多個微微網的主設備。

散射網（Scatternet）

• 概念：當一個設備同時參與兩個或更多的微微網時，就形成了散射網。
• 實現方式：通過時間分片（Time Division Multiplexing）的方式在不同的微微網間切換，以實現多微微網的同時參與。
• 限制：一個設備只能作為一個微微網的主設備，但在多個微微網中可以擔任從設備角色。

藍牙 BR/EDR 拓撲結構示意圖

• 每當使用 BR/EDR 控制器建立一個連接時，該連接都是在一個稱為 微微網（piconet） 的上下文中進行的。每個連接都涉及兩個設備，分別稱為 “主設備（Central）” 和 “從設備（Peripheral）”。一個微微網由一個唯一的主設備（稱為該微微網的主設備）以及所有與其相連的從設備（稱為該微微網中的從設備）組成。

• 已連接的 BR/EDR 設備通過在同一個物理信道上通信，并通過一個共同的時鐘和跳頻序列進行同步。這個公共的（微微網）時鐘與微微網主設備的藍牙時鐘相同，而跳頻序列則由主設備的時鐘和藍牙設備地址生成（不同的從設備可能使用不同的跳頻序列）。

• 多個獨立的微微網可以在彼此鄰近的區域內共存。每個微微網使用不同的物理信道（即不同的主設備，以及獨立的時間和跳頻序列）。

• 一個藍牙設備可以同時參與兩個或多個微微網，這是基于時分復用的方式實現的。但一個藍牙設備永遠不能作為多個微微網的主設備。（因為在 BR/EDR 模式下，微微網是通過同步到主設備的藍牙時鐘來定義的，所以不可能同時作為兩個或多個微微網的主設備。）一個藍牙設備可以作為多個相互獨立的微微網中的從設備。

• 如果一個藍牙設備是兩個或多個微微網的成員，則稱其處于 散射網（scatternet） 狀態。但參與散射網并不一定意味著該藍牙設備具備任何網絡路由能力或功能。藍牙核心協議本身并不、也無意提供此類功能；這類功能屬于更高層協議的責任范疇，并超出了藍牙規范的范圍。

• 在圖 4.1 中展示了一個示例拓撲結構，用以說明以下描述的一些架構特性。

  • 設備 A 是一個微微網（陰影區域表示）中的主設備（稱為微微網 A），設備 B、C、D 和 E 是該微微網中的從設備。圖中還展示了另外三個微微網：

    • a) 一個由設備 F 作為主設備（稱為微微網 F）組成的網絡，設備 E、G 和 H 是它的從設備；
    • b) 一個由設備 D 作為主設備（稱為微微網 D）組成的網絡，設備 J 是它的從設備；
    • c) 一個由設備 M 作為主設備（稱為微微網 M）組成的網絡，設備 E 是其中一個從設備，還有多個設備 N 也是從設備。

• 在 微微網 A 中存在兩個物理信道：

  • 設備 B 和 C 使用的是基本微微網物理信道（用藍色框表示），因為它們不支持自適應跳頻（Adaptive Frequency Hopping）；
  • 設備 D 和 E 支持自適應跳頻，因此使用了經過調整的微微網物理信道（用紅色框表示）；
  • 設備 A 同樣支持自適應跳頻，并根據當前通信的從設備，在這兩個物理信道上以時分復用（TDM）的方式進行操作。

• 微微網 D 和 微微網 F 都僅使用基本微微網物理信道（分別用青色和品紅色框表示）：

  • 在微微網 D 中，這是因為從設備 J 不支持自適應跳頻模式。盡管設備 D 支持自適應跳頻，但在該微微網中無法使用它；
  • 在微微網 F 中，主設備 F 本身不支持自適應跳頻，因此該微微網也無法使用這種模式。

• 微微網 M（用橙色框表示）使用了一種無連接外圍廣播物理鏈路（Connectionless Peripheral Broadcast physical link），通過自適應微微網物理信道，將配置文件廣播數據（Profile Broadcast Data）從發送設備 M 發送至多個接收設備（包括設備 E 和多個設備 N）。

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• 設備 K 與其他設備位于同一區域，但它目前不是任何微微網的成員。它提供了某些服務供其他藍牙設備使用，目前正監聽其“查詢掃描物理信道”（用綠色框表示），等待來自其他設備的查詢請求。

• 設備 L 同樣位于同一區域，但目前也不是任何微微網的成員。它正在監聽其“同步掃描物理信道”（用棕色框表示），等待來自其他設備的同步訓練序列（Synchronization Train）。

2. BLE（低功耗藍牙）網絡結構

廣播器與觀察者（Broadcaster and Observer）

• 廣播器（Broadcaster）：專門用于廣播數據的設備，不接收來自其他設備的數據。
• 觀察者（Observer）：監聽并接收來自廣播器的數據，但不發起連接請求。
• 用途：這種結構常用于信息推送、廣告牌等不需要雙向交互的應用場景。

外圍設備與中心設備（Peripheral and Central）

• 外圍設備（Peripheral）：類似于BR/EDR中的從設備，提供服務供中心設備發現并連接。
• 中心設備（Central）：主動搜索并連接外圍設備，類似于BR/EDR中的主設備。
• 特點：一個中心設備可以同時連接多個外圍設備，但外圍設備通常只能與一個中心設備建立連接。

藍牙 BLE 拓撲結構示意圖

• 在圖 4.2 中展示了一個示例拓撲結構，用以說明下面描述的一些 低功耗藍牙（LE）架構特性。圖中實線箭頭表示從主設備（Central）指向從設備（Peripheral）的數據流向；虛線箭頭表示連接發起方向，從發起者（Initiator）指向廣播者（Advertiser），用于表示通過可連接的廣播事件（connectable advertising event）建立連接的過程；使用星號標注的設備表示正在廣播的設備。

• 設備 A 是兩個微微網（由陰影區域表示）中的主設備（Central），設備 B 和 C 分別是其對應的從設備（Peripheral）。 與 BR/EDR 的從設備不同，BLE 的從設備 不與主設備共享同一個微微網或物理信道，而是每個從設備都通過獨立的物理信道與主設備進行通信。

• 圖中還顯示了另一個微微網，其中設備 F 是主設備，設備 G 是從設備。

• 設備 K 處于一個散射網（Scatternet）中：

  • 它是一個微微網的主設備，設備 L 是它的從設備；
  • 同時它也是另一個微微網的從設備，設備 M 是主設備。

• 設備 O 也處于散射網中：

  • 它是兩個不同微微網的從設備，分別連接到主設備 P 和 Q。

• 圖中還展示了另外五組設備：

  1. 設備 D 是廣播者（Advertiser），設備 A 同時也是發起者（Initiator）。
  2. 設備 E 是掃描者（Scanner），設備 C 也是廣播者（Advertiser）。
  3. 設備 H 是廣播者，設備 I 和 J 是掃描者。
  4. 設備 K 也是廣播者，設備 N 是發起者。
  5. 設備 R 是廣播者，設備 O 也是發起者。

• 設備 A 和 B 使用一個 LE 微微網物理信道（用藍色框和深灰色背景表示）；

• 設備 A 和 C 使用另一個 LE 微微網物理信道（用藍色框和淺灰色背景表示）。

• 設備 D 正在廣播物理信道上使用可連接廣播事件進行廣播（用綠色框表示），設備 A 是發起者。設備 A 可以與設備 D 建立連接，從而形成一個新的微微網。

• 設備 C 也在廣播物理信道上進行廣播（用橙色框表示），使用任何類型的廣播事件，并被作為掃描者的設備 E 所捕獲。設備 C 和 D 可能使用不同的廣播 PHY 信道或不同的時間安排來避免沖突。

• 設備 F 和 G 使用一個 LE 微微網物理信道（用青色框表示），其中設備 F 是主設備，G 是從設備。

• 設備 H、I 和 J 使用 LE 廣播物理信道（用紫色框表示），其中設備 H 是廣播者，I 和 J 是掃描者。

• 在涉及設備 K 的散射網中：

  • 設備 K 和 L 使用一個微微網及 LE 微微網物理信道；
  • 設備 K 和 M 使用另一個微微網及 LE 微微網物理信道；
  • 設備 K 還在廣播物理信道上使用可連接廣播事件進行廣播，設備 N 是發起者；
  • 設備 N 可以與設備 K 建立連接，使設備 K 同時成為一個主設備和兩個從設備。

• 在涉及設備 O 的散射網中：

  • 設備 O 和 P 使用一個微微網及 LE 微微網物理信道；
  • 設備 O 和 Q 使用另一個微微網及 LE 微微網物理信道；
  • 設備 R 在廣播物理信道上使用可連接廣播事件進行廣播，設備 O 是發起者；
  • 設備 O 可以與設備 R 建立連接，使設備 O 同時成為兩個從設備的主設備和一個主設備的從設備。

網狀網絡（Mesh Network）

• 簡介：BLE Mesh 是一種特殊的網絡結構，允許大量設備之間互相通信，而不僅僅局限于一對多或多對一的關系。
• 有關網狀網絡請移步：
  • https://www.bluetooth.com/specifications/specs/?types=specs-docs&keyword=Mesh&filter=
  • 【p2p、分布式，區塊鏈筆記 MESH】Bluetooth藍牙通信 BLE Mesh協議的拓撲結構 & 定向轉發機制
• 特點：
  • 設備之間可以通過多跳路由的方式傳遞消息，從而覆蓋更大的區域。
  • 每個節點都可以充當消息的中繼，增強了網絡的可靠性和擴展性。
  • BLE Mesh 主要應用于智能家居、照明系統等領域，需要支持復雜的組網需求。

3. 對比與總結

特性/網絡類型	Piconet (BR/EDR)	Scatternet (BR/EDR)	Peripheral/Central (BLE)	Broadcast/Observer (BLE)	Mesh Network (BLE)
最大設備數	1 Central + 7 Active Peripherals	多微微網共存，理論上無限	1 Central 可連多個 Peripheral	單向通信，數量不限	理論上無限
通信模式	雙向通信	時間分片雙向通信	雙向通信	單向廣播	多跳雙向通信
應用場景	音頻流、文件傳輸	復雜設備互聯	數據采集、傳感器網絡	信息發布、定位	智能家居、工業自動化
特點	需要同步時鐘和跳頻序列	設備可跨多個微微網	支持低功耗操作	不需要連接	自愈能力強

CG

• Core Specification Chapter 4 COMMUNICATION TOPOLOGY AND OPERATION