蓝牙架构（3）—— 1 蓝牙概述 （1.3 AMP概述 & 1.4 术语命名 & 1.5 总结）
Vol 1 架构和术语概述
Part A 1 总体概述
Agenda：
1.3 AMP操作概述.
1.4 术语命名.
1.5 总结.
1.5 1 物理层.
1.5.2 逻辑层.
1.5.3 L2CAP Channels
1.5.4 Profiles
1.5.5 总结.
1.3 AMP操作概述
Alternate MAC/PHYs (AMP)是蓝牙核心系统的次要控制器（secondary Controllers）。BR/EDR的主要控制器用作搜索，配对，连接建立，连接维持。当两个BR/EDR蓝牙设备L2CAP连接建立后，AMP管理器能检测到另外一个设备的AMP管理器。当两个蓝牙设备都有AMP控制器，蓝牙核心系统提供一种机制，让数据流从主要控制器迁移到次要控制器。
每个AMP控制器一个协议适配层（ Protocol Adaptation Layer，简称PAL）。在协议栈分层架构图中，PAL在MAC和PHY层之上。PAL的功能职责是把主控制器中的蓝牙协议映射到AMP控制器中去。
L2CAP通道可能创建到或者迁移到AMP控制器。当AMP功能不再需要或者AMP物理连接通信超时，L2CAP通道可能会迁移回BR/EDR主控制器。如果两个BR/EDR设备之间的ACL通信超时，那么所有AMP物理连接会全部断开。
AMP控制器可能被关闭，目的是降低功耗。
1.4 术语命名
（175页）如果说明书中出现下列术语，则其含义见下表。
| 术语 |
描述 |
| Active Slave Broadcast (ASB) |
逻辑通信通过BR/EDR控制器来传输L2CAP的用户数据流和一部分的LMP流到微微网中的所有设备 |
| Ad Hoc Network |
一种自发创建的网络，不需要基础设施，并且在一定时间和空间上都是临时性的 |
| Advertiser |
在广播信道中，在广播事件里广播数据包的蓝牙低功耗设备 |
| Advertising Event |
广播者在不同的广播物理信道上发送1到3个广播包 |
| Advertising Packet |
包含广播数据的数据包 |
| AMP |
可切换的媒体访问控制器（Media Access Controller）和物理层（Physical Layer） |
| AMP Controller |
AMP控制器，包括AMP物理层、AMP媒体访问控制器、协议适配层、HCI接口 |
| BD_ADDR |
蓝牙设备地址，用来分辨不同的设备 |
| Bluetooth |
蓝牙是无线通信，使用跳频技术，运行在国际无授权2.4GHz ISM频段。他够让实时音视频和数据在蓝牙主机中传输。链路层协议是基于时间槽(slot) |
| Bluetooth Baseband |
属于蓝牙系统的一部分，使用媒体访问和物理层流程，从而实现实时音频和用户数据在设备之间传输 |
| Bluetooth Clock |
在BR/EDR控制器中的28位时钟，单位是312.5us。时钟数值代表物理信道上slot的id和时间 |
| Bluetooth Controller |
一般情况下指主要控制器，不是次要控制器 |
| Bluetooth Device |
一种使用蓝牙技术进行短距离无线通信的设备（176页） |
| Bluetooth Device Address |
48位地址用来分辨不同蓝牙设备 |
| BR/EDR |
蓝牙基础速率和增强速率技术 |
| BR/EDR Controller |
使用BR/EDR技术的控制器，包括蓝牙射频、基带、链接管理器和HCI层 |
| BR/EDR Piconet Physical Channel |
一种物理信道，用时间槽去划分，时间槽在不同的频率上。连续的时间槽一般不在同一个频率上，跳频频率是1600跳/秒。射频频率按照在79个频道上的准随机跳频序列进行切换。如果使用可调跳频技术（AFH），跳频频道少于79个 |
| BR/EDR/LE |
蓝牙基础速率，增强速率，蓝牙低功耗 |
| C-plane |
控制面 |
| Channel |
物理信道或者是L2CAP信道，根据上下文决定 |
| Connect (to service) |
建立到服务的连接的整个过程，包括建立物理连接，逻辑传输，逻辑连接和L2CAP通道 |
| Connectable device |
对于BR/EDR设备，在一定范围内，在page scan信道上侦听page请求，并且对请求应答。对于LE设备，则在广播通道上，在广播事件中发送可连接广播包（注意BR/EDR设备是侦听，LE设备是广播） |
| Connected devices |
两个BR/EDR设备之间存在一个物理连接 |
| Connecting |
建立两个设备间连接的过程（物理链路建立之后紧接着是连接过程） |
| Connection |
两个对等应用或上层间的映射在L2CAP通道的连接 |
| Connection establishment |
创建连接的过程 |
| Connection Event |
master和slave间，在同一个物理通道上的一系列数据包交替收发事件（只有LE设备有这个概念，注意不是建立连接，而是数据传输事件。一开始我也被它名字误导了） |
| Connectionless Slave Broadcast(CSB) |
一种功能，能让master广播数据到多个slave（177页） |
| Connectionless Slave Broadcast Receiver |
微微网中的slave设备。这些设备接收CSB广播者的广播数据 |
| Connectionless Slave Broadcast Transmitter |
微微网中的master设备。这个设备发送无连接广播数据给多个无连接slave接收者 |
| Controller |
蓝牙协议栈中，HCI以下的层次和模块 |
| Coverage area |
两个蓝牙设备能够保证通信质量的范围 |
| Creation of a secure connection |
建立连接的一个子步骤，包括授权和加密 |
| Creation of a trusted relationship |
远程设备被标记为信任设备的过程。包括保存密钥过程（用来之后的授权），以及密钥不可用时候的配对过程 |
| Device discovery |
一个获取对方蓝牙设备信息的过程。这些信息包括蓝牙地址、时钟、设备类型、page scan模式 |
| Discoverable device |
在一定范围内，在inquiry scan物理信道上侦听、应答inquiry请求的BR/EDR设备。在一定范围内，使用可连接（connectable）或者可扫描（scannable）事件发送带可发现（discoverable）标识的广播包的LE设备。（注意BR/EDR设备是侦听，LE设备是广播） |
| Discoverable Mode |
BR/EDR蓝牙设备执行inquiry scan，或者LE设备使用可连接（connectable）或者可扫描（scannable）事件发送带可发现（discoverable）标识的广播包 |
| Discovery procedure |
BR/EDR设备在执行inquiry scan流程；LE设备使用可连接（connectable）或者可扫描（scannable）事件发送带可发现（discoverable）标识的广播包的流程 |
| HCI |
基带和链路层的接口，查询硬件状态和访问控制寄存器的接口。这个接口提供一套访问蓝牙基带的统一的方法 |
| Host |
在蓝牙协议栈中，在HCI接口以上的层次和模块 |
| Initiator（178页） |
在广播信道侦听可连接广播事件，并且发起连接的LE蓝牙设备 |
| Inquiring device |
执行inquiry流程的BR/EDR设备。通过这个流程来发现其他蓝牙设备 |
| Inquiry |
蓝牙设备在覆盖范围内发送inquiry请求并且接收应答信息，用来发现其他蓝牙设备的过程 |
| Inquiry scan |
在inquiry scan物理信道上侦听inquiry请求的过程，用来被其他设备发现 |
| Interoperability |
一个或多个系统或组件交换和使用对方信息的能力 |
| Isochronous data |
数据流中的信息，他传输时机受前一个数据和后一个数据所制约 |
| Known device |
至少蓝牙地址被记录下来的蓝牙设备 |
| L2CAP |
逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol） |
| L2CAP Channel |
两设备，同一个应用或上层协议间的L2CAP逻辑连接 |
| L2CAP Channel establishment |
在L2CAP层上建立逻辑连接的过程 |
| LE |
蓝牙低功耗技术 |
| Link |
逻辑连接的简称 |
| Link establishment |
建立设备间的默认ACL连接，以及建立各个层次连接和通道的过程 |
| Link key |
两个设备都知道的密钥，用作鉴权 |
| LMP authentication |
在LMP层用来识别远程设备的流程 |
| LMP pairing |
两设备间的鉴权和创建密钥的过程。密钥用作两设备间建立信任关系，也可以用作加密一个逻辑连接 |
| Logical link |
蓝牙架构中最底层的，为蓝牙设备的客户端提供独立数据通信服务 |
| Logical transport |
有相同的流量控制协议和链路标识符的逻辑连接 |
| Name discovery |
从可连接设备上获取设备名称的过程 |
| Packet |
在物理信道上传输的数据格式 |
| Page（179页） |
连接建立过程中的第一个步骤。一个设备发送一系列page请求，直到收到应答，或者发生超时 |
| Page scan |
蓝牙设备在page scan物理信道上侦听page请求的过程 |
| Paging device |
执行page流程的蓝牙设备 |
| Paired device |
连接密钥已经创建的设备 |
| Passkey |
安全简单配对（Secure Simple Pairing）模式下的6位数字，用作鉴权 |
| Physical Channel |
一个或多个设备，使用相同的时序，去占用多个频率。不同的物理信道类型有不同的用途 |
| Physical Link |
两个设备间的基带或者链路层的连接 |
| Physical Transport |
物理层数据包在射频信道上使用一种或多种调制策略传输 |
| Piconet |
占用同一个物理信道的设备集合。其中有一个是master设备，其他的是slave设备 |
| Piconet Master |
微微网中的一个蓝牙设备，他的时钟和蓝牙地址用来定义微微网物理通道的特性 |
| Piconet Slave |
微微网中不是master的其他蓝牙设备 |
| PIN |
在配对前，用作鉴权的用户输入的数字 |
| PMP |
同时接入到多个微微网的设备。使用时分多用的方式分别访问不同的微微网物理信道。 |
| Profile Broadcast Data (PBD) |
一个逻辑连接，用来从CSB Transmitter发送数据到CSB Receivers |
| Scanner |
在广播信道侦听广播事件的LE设备 |
| Scatternet |
相交的两个或多个微微网组成的网络 |
| Service discovery |
查询和浏览另外一个设备的服务的过程（180页） |
| Service Layer Protocol |
使用L2CAP信道传输PDU的协议 |
| Silent device |
不应答对方请求的设备 |
| Synchronization Scan Physical Channel |
slave设备接收master发出的训练包的物理信道 |
| Synchronization Train |
固定频率上发送的一系列数据包，提供足够的信息。使得接收设备开始接收CSB包或者恢复微微网的时钟同步 |
| U-plane |
用户面 |
| Unknown device |
没有信息被记录的蓝牙设备 |
1.5 总结
蓝牙协议分为四个层次：物理层（Physical Layer）、逻辑层（Logical Layer）、L2CAP Layer和应用层（APP Layer）。
物理层，负责提供数据传输的物理通道（通常称为信道）。通常情况下，一个通信系统中存在几种不同类型的信道，如控制信道、数据信道、语音信道等等。
逻辑层，在物理层的基础上，提供两个或多个设备之间、和物理无关的逻辑传输通道（也称作逻辑链路）。
L2CAP层，L2CAP是逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol）的缩写，负责管理逻辑层提供的逻辑链路。基于该协议，不同Application可共享同一个逻辑链路。类似TCP/IP中端口（port）的概念。
APP层，理解蓝牙协议中的应用层，基于L2CAP提供的channel，实现各种各样的应用功能。Profile是蓝牙协议的特有概念，为了实现不同平台下的不同设备的互联互通，蓝牙协议不止规定了核心规范（称作Bluetooth core），也为各种不同的应用场景，定义了各种Application规范，这些应用层规范称作蓝牙profile。
在以上四个层次的基础上，蓝牙协议又将物理层和逻辑层划分了子层，分别是Physical Channel/Physical Links和Logical Transports/Logical Links，这一划分，相当使人崩溃，要多花费大量的脑细胞去理解它们，具体请参考下面的分析。
1.5 1 物理层
物理层负责提供数据传输的物理信道，蓝牙的物理层分为Physical Channel和Physical Links两个子层。我们先介绍Physical Channel。
1.5.1.1 Physical Channel（物理信道）
一个通信系统中通常存在多种类型的物理信道，蓝牙也不例外。另外，蓝牙存在BR/EDR、LE和AMP三种技术，这三种技术在物理层的实现就有很大的差异。
首先是相同点，BR/EDR、LE和AMP的RF都使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 频段，频率范围是2.400-2.4835 GHz。
注1：不同国家和地区蓝牙的频率和信道分配情况是不同，本文所有的描述都以中国采用的“欧洲和美国”标准为准。
除了相同点，剩下的都是不同点了。
BR/EDR是传统的蓝牙技术，它这样定义物理信道：
- ISM频率范围内被分成79个channel，每一个channel占用1M的带宽，在0 channel和78 channel之外设立guard band（保护带宽，Lower Guard Band为2MHz，Upper Guard Band为3.5MHz）。
- 采用跳频技术（hopping），也就是说，某一个物理信道，并不是固定的占用79个channel中的某一个，而是以一定的规律在跳动（该规律在技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）。因此蓝牙的物理信道，也可以称作跳频信道（hopping channel）。
BR/EDR技术定义了5种物理信道（跳频信道），BR/EDR Basic Piconet Physical Channel、BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel、BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel和BR/EDR Synchronization Scan Channel。
- BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel
用于蓝牙设备的发现操作（discovery），即我们常用的搜索其它蓝牙设备（discover）以及被其它蓝牙设备搜索（discoverable）。
- BR/EDR Page Scan Physical Channel
用于蓝牙设备的连接操作（connect），即我们常用的连接其它蓝牙设备（connect）以及被其它蓝牙设备连接（connectable）。
- BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel
主要用在处于连接状态的蓝牙设备之间的通信。它们的区别是，BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel使用较少的RF跳频点。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79个跳频点，而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根据当前的信道情况使用79个跳频点中的子集，但是跳频数目也不能少于20个。这个主要是因为蓝牙使用ISM频段，当蓝牙和WIFI共存的时候，部分跳频点被WIFI设备占用而使得蓝牙设备在这些跳频点上的通信总是失败，因此，需要避过那些WIFI设备占用的频点。
- BR/EDR Synchronization Scan Channel
可用于无连接的广播通信，后续文章会详细介绍。
同一时刻，BT 设备只能在其中一个物理信道上通信，为了支持多个并行的操作，蓝牙系统采用时分方式，即不同的时间点采用不同的信道。
LE是为蓝牙低功耗而生的技术，为了实现低功耗的目标，其物理信道的定义与BR/EDR有些差异：
- ISM频率范围内被分成40个channel，每一个channel占用2M的带宽，在0 channel和39 channel之外设立guard band（保护带宽，Lower Guard Band为2MHz，Upper Guard Band为3.5MHz）。
LE技术定义了2种物理信道，LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。
- LE Piconet Channel用在处于连接状态的蓝牙设备之间的通信，和BR/EDR一样，采用调频技术。和BR/EDR不一样的地方是，只会在40个频率channel中的37个上面跳频。
- LE Advertisement Broadcast Channel用于在设备间进行无连接的广播通信，这些广播通信可用于蓝牙的设备的发现、连接（和BR/EDR类似）操作，也可用于无连接的数据传输。
和BR/EDR一样，同一时刻，BT 设备只能在其中一个物理信道上通信，为了支持多个并行的操作，蓝牙系统采用时分方式，即不同的时间点采用不同的信道。
AMP是为高速数据传输设计的技术，其物理层规范直接采用802.11（WIFI）的PHY规范，主要有如下特点：
- AMP物理信道只有一种，即AMP Physical Channel，主要用于已连接设备之间的数据通信，和BR/EDR技术中的BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel位于一个级别，可以互相切换使用。
1.5.1.2 Physical Links（物理链路）
由前文的描述可知，蓝牙协议为BR/EDR、LE和AMP三种技术定义了8种类型的物理信道，包括：
- AMP physical channel
- BR/EDR Basic Piconet Physical Channel
BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel
BR/EDR Page Scan Physical Channel
BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel
BR/EDR Synchronization Scan Channel - LE Piconet Channel
LE Advertisement Broadcast Channel
而物理链路，则是对这些物理信道（主要是BR/EDR技术中的Basic Piconet Physical Channel和Adapted Piconet Physical Channel）的进一步封装，其主要特征是（可参考1.5中的图片以辅助理解）：
- Physical Link是一个虚拟概念，不对应协议中任何的实体，数据包封包/解包的过程中不被体现。
- AMP Physical Channel、LE Piconet Channel、LE Advertisement Broadcast Channel均有一个一一对应的Physical Link，分别是AMP Physical Link、LE Active Physical Link、LE Advertising Physical Channel。
- BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel、BR/EDR Synchronization Scan Channel只在特定时间段使用，且无法控制任何属性，因此不需要在Physical Link中体现。
- BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是BR/EDR技术中已连接设备之间进行数据通信的通道，且同一时刻只能根据应用场景选择一种channel进行数据传输。因此这两个channel被map到BR/EDR Active Physical Link、BR/EDR Parked Physical Link和BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link三个物理链路上。
- BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有两个方面的意义：
- 屏蔽底层的Basic/Adapted Piconet Physical Channel之间的差异，统一使用Physical Link取代。在需要的时候，可以通过上层的链路管理协议，指定使用哪一种physical channel（Basic or Adapted）。
- 可以通过Physical Link的抽象，控制Physical Channel的一些属性（如发射功率、收发周期等），以达到节省功耗的目的。而上面的层次（如逻辑层）不需要对这些动作知情。
- BR/EDR Active Physical Link定义了连接状态的蓝牙设备在链路处于active状态时的物理链路，该物理链路对应的设备的发射功率是可修改的。
- BR/EDR Parked Physical Link定义了连接状态的蓝牙设备在链路处于parked状态时的物理链路。parked状态是一种特殊的连接状态，连接双方没有正在进行的数据传输，所有的链路消耗，都是为保持连接所做的事情。此时可以通过降低在物理信道上的收发频率而降低功耗。该物理链路和BR/EDR Active Physical Link使用相同的物理信道。
- BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link使用BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel，用于一点到多点的广播通信。
由上面的描述可知，物理链路这一层抽象，实在是可有可无，希望大家不要纠结，知道怎么回事即可。
1.5.2 逻辑层
逻辑层的主要功能，是在已连接（LE Advertisement Broadcast可以看做一类特殊的连接）的蓝牙设备之间，基于物理链路，建立逻辑信道。所谓的逻辑信道，和城市道路上的车道类似：
一条城市道路可以看做一个物理链路（可能有两个方向，我们只考虑其中一个即可），该物理链路根据行车用途，可以划分为多个逻辑信道，如直行车道、右转车道、左转车道、掉头车道、快速车道、慢速车道等等。
这里的车道（逻辑信道），从物理角度看，并没有什么分别，只是为了方便交通（数据传输），人为的抽象出来的。和车道类似，蓝牙逻辑信道的划分依据是传输类型，主要包括下面3类（即Logical Link）：
- 用于管理底层物理链路的控制类传输，包括AMP-C、ACL-C、PSB-C、LE-C、ADVB-C。
- 传输用户数据的用户类传输，包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。
- 其它比较特殊的传输类型，包括流式传输（stream）、PBD（Profile Broadcast Data）。
以上每种Logic Link都会在下层对应一个Logical Transport，这些Logical Transport具有一些属性值，如流控、应答/重传机制等。如下：
- AMP ACL（Asynchronous Connection-Oriented Link），基于AMP技术的、面前连接的、异步传输链路，为AMP-U提供服务。
- BR/EDR ACL，基于BR/EDR技术的ACL链路，为ACL-C、ACL-U提供服务。
- SCO/eSCO（Synchronous Connection-Oriented/Extended SCO），基于BR/EDR技术的、面向连接的、同步传输链路，为stream类型的Logical Link提供服务。
- ASB（Active Slave Broadcast）、PSB（Parked Slave Broadcast），基于BR/EDR技术的、面向连接的广播传输链路，为ACL-U、PSB-U、PSB-C提供服务。
- CSB（Connectionless Slave Broadcast），基于BR/EDR技术的、无连接的广播链路，为PBD提供服务。
- LE ACL，基于LE技术的、面前连接的、异步传输链路，为LE-U、LE-C提供服务。
- ADVB（Advertising Broadcast），基于LE技术的、广播/广播链路，为ADVB-U、ADVB-C提供服务。
注2：AMP-C没有对应的Logical Transport，而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。
注3：蓝牙逻辑层的抽象也是让人醉了！还是那句话，不要逼自己去理解一个疯子的行为，不然自己也会疯的。
1.5.3 L2CAP Channels
L2CAP是Logical Link Control and Adaptation Protocol（逻辑链路控制和适配协议）的缩写，蓝牙协议到这个层次的时候，就清爽多了：
- 对下，它在用户类XXX-U Logical Link的基础上，抽象出和具体技术无关的数据传输通道（包括单播和广播两类），至此用户就不再需要关心繁杂的蓝牙技术细节。
- 对上，它以L2CAP channel endpoints的概念（类似TCP/IP中的端口），为具体的应用过程（profile）提供独立的数据传输通道（当然，也是一个逻辑通道）。
1.5.4 Profiles
profile是蓝牙Application的代指，也可以翻译为服务，为了实现不同平台下的不同设备的互联互通，蓝牙协议为各种可能的、有通用意义的应用场景，都制定的了规范，如SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等等。
Profiles基于L2CAP提供的L2CAP channel endpoints实现，在它们对应的层次上进行数据通信，以完成所需功能。有关蓝牙profile的介绍，会在后续文章中陆续给出，这里就不再详细说明了。
1.5.5 总结
下面图片包含上面各个层次（除了APP layer）中涉及到的一些实体、概念以及相互关系，供大家参考。
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Reference
1 BT specification Core 4.2, Bluetooth SIG.
2 https://me.csdn.net/cocavon
3 http://www.wowotech.net/bluetooth/bt_protocol_arch.html
4 https://baike.baidu.com/
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作者按：蓝牙从业者，潜心学习BT stack，蓝牙协议奇多无比，概述只是开始，网上资料还比较多，学到后面的各种spec就只剩英文原版可以参考了，遂把自己的笔记发出来，互相交流，互相交流。