BLE 入门 01

BLE协议栈主要由如下几部分组成： 

PHY层（Physical layer物理层）

PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。

LL层（Link Layer链路层）。

LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。

LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。

HCI（Host controller interface）

HCI是可选的（具体请参考文章：三种蓝牙架构实现方案（蓝牙协议栈方案）），HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。

GAP层（Generic access profile）

GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。

L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）

L2CAP对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

SMP（Secure manager protocol）

SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。

ATT（Attribute protocol）。

简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

GATT（Generic attribute profile）

GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品 

BLE引入access address概念，用来指明接收者身份

0x8E89BED6这个access address比较特殊，它表示要发给周边所有设备，即广播。

如果你要一对一的进行通信（BLE协议将其称为连接），即设备A的数据包只能设备B接收，同样设备B 的数据包只能设备A接收，那么就必须生成一个独特的随机access address以标识设备A和设备B两者之间的连接。 

广播情况

设备A叫advertiser（广播者），设备B叫scanner或者observer（扫描者）。广播状态下设备A的LL层API将变成send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)。

由于设备B可以同时接收到很多设备的广播，因此数据包还必须包含设备A的 device address（0xE1022AAB753B）以确认该广播包来自设备A，为此send_LL参数需要变成(0x53,2402M, 0x8E89BED6, 0xE1022AAB753B)。

设备A和设备B建立蓝牙连接

指设备A和设备B两者一对一“同步”成功，其具体包含以下几方面： 

设备A和设备B对接下来要使用的物理信道达成一致

设备A和设备B双方建立一个共同的时间锚点，也就是说，把双方的时间原点变成同一个点

设备A和设备B两者时钟同步成功，即双方都知道对方什么时候发送数据包什么时候接收数据包

设备A和设备B通信流程

设备A称为Master或者Central，把设备B 称为 Slave或者 Peripheral

设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔向设备B发送数据包，而设备B也周期性地以CI为间隔打开射频接收窗口以接收设备A的数据包

同时按照蓝牙spec要求，设备B 收到设备A数据包150us后，设备B切换到发送状态，把自己的数据发给设备A

设备A则切换到接收状态，接收设备B发过来的数据。

由此可见，连接状态下，设备A和设备B的射频发送和接收窗口都是周期性地有计划地开和关，而且开的时间非常短，从而大大降低系统功耗并大大提高系统效率。

连接状态下是如何把数据 0x53发送出去的

对开发者来说，很简单，他只需要调用send(0x53)

- GATT层定义数据的类型和分组，方便起见，我们用0x0013表示电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（小端模式！）

- ATT层用来选择具体的通信命令，比如读/写/notify/indicate等，这里选择notify命令0x1B，这样数据包变成了：1B130053

- L2CAP用来指定connection interval（连接间隔），比如每10ms同步一次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表示ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包头，这样数据就变为：040004001B130053

- LL层要做的工作很多

     首先LL层需要指定用哪个物理信道进行传输（物理信道不体现在数据包中）

     然后再给此连接分配一个Access address（0x50655DAB）以标识此连接只为设备A 和设备B 直连服务，然后加上LL header和payload length字段，LL header标识此packet为数据packet，而不是control packet等，payload length为整个L2CAP字段的长度，

      加上CRC24字段，以保证整个packet的数据完整性，所以数据包最后变成：

o  AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6    

           o  AA – 前导帧(preamble)

           o  0x50655DAB – 访问地址(access address)

           o  1E – LL帧头字段(LL header)

           o  08 – 有效数据包长度(payload length)

           o  04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号

           o  1B – notify command

           o  0x0013 – 电量数据handle

           o  0x53 – 真正要发送的电量数据

           o  0xF650D5 – CRC24值

虽然开发者只调用了 send(0x53)，但由于低功耗蓝牙协议栈层层打包，最后空中实际传输的数据将变成下图所示的模样，这就既满足了低功耗蓝牙通信的需求，又让用户API变得简单，可谓一箭双雕！

参考

1，
https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzIyOTIxODc5Mw==&mid=2247484942&idx=1&sn=3f54b6a37ecfec8f6fa13f0fd427126c&chksm=e8474688df30cf9e89e1d98a930696bc50d1127bc54bf78b17a3386de2e11a1fb7e964387638&scene=4&subscene=126&ascene=0&devicetype=android-28&version=2700033a&nettype=WIFI&abtest_cookie=BQABAAoACwASABMAFAAFACOXHgBamR4Am5keAMWZHgDUmR4AAAA%3D&lang=zh_CN&pass_ticket=2XeB53BCX2VXcaT10P45w%2BNIqnaqa6scJr6J%2Bbab4lZbmVtvdwtZmbYAs%2Bl12B%2Fl&wx_header=1