[BT_Books]《无线蓝牙技术深入探讨》笔记

简述

本书为台湾作者所作，其文字也是繁体，以下对阅读该书所作笔记录入如下。不过本书所著时间比较早了，当时BLE并没有提出还，因此本书是讲BR/EDR的。关于BLE的请参看文章《低功耗蓝牙开发权威指南》这篇。

关于传统蓝牙支持的通信设备个数

最多可同时连接另外7个BT设备（激活状态），周围最多可有255个等待的BT设备（待机状态）。

传统BT协议Radio层

发射频率

ISM频段，2.4000GHz ~ 2.4835GHz。

调制方式

调制基础：高频信号—载波信号， 低频信号—基频（Baseband）信号。
调制方式：模拟调制， 数字调制（更好，ASK, FSK, PSK）。
蓝牙调制方式：GFSK（高斯频移键控调制）。

发射功率：

决定信号的强度，单位有W和dBm。
dBm = 10 log(P2/P1) P2—一般的电波强度，P1—固定的参考功率强度（1mW or 1W）。
分级（100mW/20dBm, 2.5mW/4dBm, 1mW/0dBm），BT设备可自适应调整发射功率。

传统BT协议基频（Baseband）层

设备地址

BD_ADDR(48 bits)：NAP(16 bits) + UAP(8 bits) + LAP(24 bits)。
AM_ADDR(3 bits)：Slave设备在Piconet网中为Active状态时的地址。
PM_ADDR(8 bits)：进入Park状态后的地址。
AR_ADDR：所有Park状态的BT设备，都分配一个AR_ADDR地址。

实体信道

Master与Slave间以TDD(Time Division Duplex)方式进行信息传递。
Master传送封包长度最多可扩展到3个或5个时槽。

跳频

最多79个频道供调频。
跳频序列决定于Master设备内48位的BD_ADDR地址。
同一Piconet内所有BT设备有相同的跳频序列。
BT传输时跳频速率为1600次/S（625us/次）。
BT Paging和Inquire时跳频速率为3200次/S（312.5us/次）。

Master & Slave时序同步

CLKN：BT设备的内部系统时序。
CLKE：估计时序。

Piconet

Master最多可同时与7个Slave（Active状态）互传数据。
一个Piconet内传输速率为1Mbit/s，所有Slave共享该1Mbit/s，Slave越多速率越低。

Scatternet

几个Piconet所覆盖的范围内，构成了BT的Scatternet网络。
Slave在Active状态时，只能选择加入其中一个Piconet。

资料传输型态

SCO：电路交换传输，同步传输，基于连接的传输。建立在一个Master与一个Slave间。
每个SCO连线支持64k bit/s的语音通话。
ACL：分组交换，非同步传输，单点对多点非对称连接。
ACL非对称连接传输速率：Master-to-Slave—721Kbit/s，Slave-to-Master—57.6Kbit/s。
ACL对称连接传输速率：Master与Slave之间均为432.6Kbit/s。
Master与各Slave间最多只有一条ACL连线，可以有多条（3条）SCO连线。

语音编码

PCM—Pulse Code Modulation。
CVSD—Continuous Variable Slope Delta Modulation。
BT可选以上两种语音编码方式，取用何种取决于上层应用程序。

错误控制

1/3 FEC(Forward Error Correction)：将每个资料位元在封包内重复三次，一般SCO。
2/3 FEC：将10个资料位元经多项式运算后产生15个位元，一般ACL。
ARQ(Automatic Repeat Request)：针对包内Payload进行保护的控制方法。

BT封包（分组）结构

BT封包：Access Code + Header + Payload，具体可表现以下三种方式：
Access code(68bits)：ID Packet
Access code(72bits) + Header(54bits)
Access code(72bits) + Header(54bits) + Payload(0-2745bits)
Access code：Preamble(4bits) + Sync Word(64bits) + Trailer(4bits)。
CAC：Channel Access Code，一个Piconet唯一的Access code。
CAC：Piconet内Active的BT设备均使用该CAC。
DAC：Device Access code，Master对Slave发出Paging，或Slave回应Master的Paging。
DAC：由Master对Slave内BD_ADDR的LAP计算所得。
IAC：Inquiry Access code，Master查询周围Slave时使用该Access code。
IAC：分为GIAC（针对一般BT设备）和DIAC（针对如打印机等特定BT设备）。
DAC和IAC可以不需要Header和Payload而单独成为一个分组。
Header：重要的控制数据，将原始18位元经1/3 FEC编码后成为54位元。
Header：AM_ADDR(3bits) + TYPE(4bits) + FLOW(1bit) + SEQN(1bit) + ARQN(1bit)+ HEC(8bits)。
AM_ADDR：从Active状态进入Park状态丢掉该地址，连接Piconet时从Master获得。
TYPE：封包类型，何种连接？几个时槽？等。
FLOW：ACL连接流控制。
ARQN：ARQ错误控制时的指示。
SEQN：判断是否为重复封包。
HEC：校验Header发送内容是否发生错误。
Payload：ACL—Data field，SCO—Voice field，DV封包—同时有语音与数据。
Voice field：SCO包—240位元，DV包语音—80位元，其余—150位元。
Data field：Payload Header + Payload Body + CRC，详见其它详细资料。

BT封包具体分析

BT标准将所有封包分为4个区段：

各区段包含的封包

公共封包：

ID封包：IAC与DAC包。
NULL封包：没有Payload，只有CAC和Header。用于连接信息的交换。
POLL封包：与NULL相似，但需要回应包。
DMI：SCO与ACL均有。
FHS：传输非常重要的控制信号。
SCO封包：HV1，HV2，HV3，DV，所有封包只占用一个时槽。
ACL封包：DM1，AUX1，DH1，DM3，DH3，DM5，DH5。

设备的工作状态

主要有连接状态(Conection State)和待机状态(Standby State)。

设备的连接状态

Slave连接状态：Active，Sniff，Hold，Park。

设备的中间状态

Inquiry，Paging。

逻辑通道

BT定义了5种逻辑通道。
控制通道：LC(Link Control)，LM(Link Manager)，用于连线控制与连线管理。
用户通道：UA(User Asynchronous，非同步用户信息)，UI(User Isosynchronous，等时用户信息)，US(User Synchronous，同步用户信息)。

高层通信协议

传统BT通信协议框架

LMP协议

LMP(Link Manager Protocol)：Link Manager以LMP协议与其它设备的Link Manager通信。
LMP封包传输在由Baseband建立起的ACL连线上，一直存在于Master与多个Slave间。
LMP连接的建立过程，其中有涉及Master Slave交换的请求信息。
LMP功能三种：Piconet Management，Link configuration，Security functions。
Piconet Management：如连接与中断Slave，SCO/ACL连接建立与管理，角色互换等。
Link configuration：如服务品质，功率控制参数等。
Security functions：传输验证与编码的信号，以及管理连接钥匙。

HCI组合框架

HCI功能：Transport Firmware(BT模组内)，Host Driver(Host内)，Transport Bus(实体接口)。

L2CAP

传输L2CAP封包前，两设备须以ACL连线为基础建立并开启逻辑通道，最多65535个。
每个逻辑通道只能传输一种上层协议。
逻辑通道的每个CID(通道识别码)对应到一个应用程序。
对于同一台BT设备，不能分配两个相同的CID。CID由L2CAP分配。
L2CAP封包传输结束后又必须关闭逻辑通道。
三种逻辑通道：Connection-Oriented，Connectionless，Signaling。
L2CAP函数：l2cap->openL2CAPConnection，l2cap->send，l2cap->recv。
L2CAP功能：高层与底层间适应层，两BT设备传数据时分组、协定多工、通道参数。
协商通道参数：MTU（最大区段长度），Flush TimeOut，QoS（服务品质）。
分包与重组：分包后的类型（L_CH标志），重组分包时顺序的控制。
协定多工：Baseband无法区分不同上层应用，L2CAP封包的PSM位元指定何种应用。
L2CAP发射端信号处理过程。
L2CAP接收端信号处理过程。

RFCOMM

为两个BT设备间点对点通信协议。类似RS-232，进行串行数据传输。
RFCOMM封包传输前须建立RFCOMM Session，这个是基于L2CAP上的。
在每个L2CAP逻辑通道内建立许多Data Link来建立RFCOMM Session。
每个Data Link分配一个特定的DLCI(Data Link Connection Identifier)。
一条RFCOMM Session最多可同时建立60个Data Link。

SDP

SDP(Service Discovery Protocol)：服务发现协议，应用程序来发现侦测网络中的可用服务。
由Client发起查询，Server负责回应，被查询的服务记录于Server设备的Flash内。
记录于Server设备的Flash内的服务又称为SDP资料库。

TCS Binary

TCP(Telephone Control Protocol)：电话控制协议。
TCP包括TCS Binary和AT-Commands（电话控制）。

AT-command

电话控制AT指令，用于控制电话与数据通信。

OBEX

OBEX(Object Exchange)：物件交换协议，类似于红外线协议（IrDA）。
OBEX类似于HTTP协议，执行过程为Client与Server间以Request-Response方式传送。
BT的OBEX中只有面向连接的（Connection Oriented）的连接方式。

TCP/IP协议

BT设备以TCP/IP传输资料时，TCP/IP下层连接如同拨号上网时用的PPP协议。

Audio

与Baseband直接相连，遵循ITU-T与GSM的建议标准。

传统BT的Profile

Profile

BT应用场合众多，指定Profile目的为确保BT设备间在不同应用场合下的互通性。

Profile实现互通性的方法

通信协议层：各个Profile指定由哪些通信协议组成。
应用层：制定Profile以使BT扩展到更多应用领域。

BT标准中的各种Profile

Generic Access Profile

Generic Access Profile主要描述各BT协议架构底层Baseband与LMP层的运作方式。
Protocol Stack：Baseband, LMP, L2CAP, SDP, RFCOMM, TCS, OBEX。
User Interface Aspects：定义了某些参数。
Bluetooth Device Address(BD_ADDR)：BT在UI内的称呼，定义稍有改变。
Bluetooth Device Name(User Friendly Name)：BT设备的别名类似。
Bluetooth passkey(PIN Number)：进行验证时需要的PIN码。
Bluetooth Class of Device(Device Type)：设备种类与服务类型。

Modes

BT设备非任何时刻都能被发现，Modes为BT设备被发现与连接的操作模式。
Discoverability Mode：是否能为其他设备所发现的状态。
Connectability Modes：是否能为其他设备所连接的状态。

Security Aspects

三种安全等级，Security Mode 1，Security Mode 2，Security Mode 3。

Service Discovery Application Profile

TCS-Based

Cordless Telephony Profile

Intercom Profile

距离较近的手机的语音通话，即BT的无线电对讲机应用。
Intercom Profile中两个手机通话时，彼此功能相同（对等）。
Intercom Profile内没有定义TL(Terminal)如何发现另一个TL
没有定义的发现与验证过程在Generic Access Profile中定义。

Serial Port Profile

模拟串口应用，让使用RS232的应用能操作在BT设备上。
以此为基础的：Headset Profile, Dial-up Networking Profile, FAX Profile, LAN Access Profile。
Serial Port Profile定义两个设备间传送的封包占用一个时槽，传输速率至少128Kbit/s。
Serial Port Profile没有固定设备是否为Master or Slave。

Headset Profile

应用场景即为无线蓝牙耳机。
耳机为HeadSet(HS)，与耳机连接的设备为Audio Gateway(AG)。
HS和AG都能主动发出连接信号的要求。
AG主动发出信号—AG Initiated，HS主动发出信号—HS Initiated。
先在AG与HS之间建立ACL连线传送控制信号，在由AG建立一SCO连线传送语音。

Dial-up Networking Profile

即使用蓝牙将PC于手机连接，PC通过手机GSM网络拨号上网。
手机作为Gateway(GW)，个人电脑为Data Terminal(DT)。
只支持点对点（Point-to-Point）方式。

Fax Profile

与Dial-up Networking Profile类似，应用场合为无线传真。
手机作为与外网连接的Gateway(GW)，PC作为Data Terminal(DT)。
DT使用到GW的拨接服务。
与Dial-up Networking Profile的区别在于，GW与DT窦支持了传真的应用服务。

LAN Access Profile

即在局域网内代替双绞线。
角色有Data Terminal(DT)与LAN Access Point(LAP)。
Single-User Mode模式：只有一台DT连接上LAP，此时两者之一均可成为Master。
Multi-User Mode模式：只有LAP能成为Piconet中的Master。

Generic Object Exchange Profile

具体有Object Push Profile，File Transfer Profile，Synchronization Profile等。
Push Data Object：Application ClientApplication Server。
Pull Data Object：Application Client Application Server。
Application Client与Server传输前，须建立Bonding程序（建立连接与配对，PIN码验证）。
Application Client与Server没有固定的Master与Slave。

Object Push Profile

功能：Push物件到另一设备，从另一设备Pull物件，与另一设备Exchange物件。
角色：Push Client（Push与Pull物件的设备），Push Server（物件交换的伺服器）。

File Transfer Profile

功能：File/Folder的传输，浏览与控制另一设备的档案管理系统。
三种档案管理方式：File Browsing，Object Transfer，Object Manipulate。

Synchronization Profile

用于手机、个人电脑等的个人信息同步管理功能。
角色：IrMC Server（物件交换伺服器，如手机/平板），IrMC Client（传送与接收，电脑）。
手机与电脑靠近时，两者均可以发出同步要求。

应用模式（Usage Model）与Profile关系

Profile：规范，明确定义某种特定应用场合下BT设备应遵循的技术要求。
Usage Model：以使用者的观点，广泛叙述BT设备的应用场景。

BT的Security保护机制

BT设备在安全机制中扮演的角色

Claimant：发出验证要求的设备。
Verifier：负责验证的设备。

安全机制模式

Generic Access Profile将安全保护机制分为三种模式：
Security Mode 1：Non-secure
Security Mode 2：Service level enforced security(Servce level是L2CAP以上的各层协议)
Security Mode 3：Link level enforced security(Link level是L2CAP以下的LMP与Baseband)。

在Service Level建立的安全机制

BT设备内的应用程序加入一些安全保护的设计。
采用L2CAP以上的许多通信协议的认证功能设计安全保护。

在Link Level建立的安全机制

Link Level的安全保护机制包括验证（Authentication）和编码（Ciphering）。
两BT设备第一次连接程序称为配对，一般用4位元PIN码(用PIN码生成Private Link Key)。
安全验证的参数有四种，作为计算依据用于比较判断：
48位元的BT设备地址BD_ADDR；
128位元作为验证用途的Private Link Key；
8-128位元作为编码用途的Private Encryption Key（制造商预先设定）；
128位元的随机数Random Number。

Link Level的验证程序

不同阶段会产生出许多的Private Link Key：
Unit Key—-Ka：刚买回BT设备，开机一些参数设定后产生的Key，存储于内部记忆体内。
Initialization Key—-Kint：第一次连接输入PIN码产生的Key，暂时性的。
Combination Key—-Kab：由设备双方（两个设备）Ka计算的Key。
Master Key—-Kmaster：Master发送广播时，将通知各Slave以Kmaster接收加密的广播。
如下为第一次连接时输入PIN码产生Link Key与Encryption Key：

产生初始化密钥Kint：E22算法，输入有BD_ADDR(Claimant)，PIN，PIN长度，RAND(Verifier)。
认证：E1算法，输入有AU_RANDA(Verifier)，BD_ADDR(Claimant)，Kint。
认证算法输出SRES，由Verifier负责两边生成的SRES的比较。
认证成功后算出一个辅助参数ACO（Authenticated Ciphering Offset），编码加密阶段用。
产生设备密钥Ka：E21算法，输入为RAND，BD_ADDR。Ka将作为验证连接时的Link Key。
Ka一旦产生后，几乎一生就不再改变。
产生连接密钥Link Key：与Kint功能相同，但Link Key产生后，Kint就会丢弃。
设备存储容量小Link Key产生：Claimant Ka经Kint编码传到Verifier，成为Link Key。
设备存储容量足Link Key产生：结合Verifier与Claimant的Ka产生Kab作为Link Key。

Link Level的编码程序

编码密钥Kc(Encryption Key)，128位元。
Kc的产生：E3算法，输入有Link Key，96位元的COF(Ciphering Offset)，EN_RAND。
数据实际传输时并非直接用Kc将数据编码，而是基于此产生一个Kcipher。
Kcipher密钥产生：E0算法，输入有Kc，BD_ADDR(设备A)，Clock（时序）。
设备A与设备B每次传送封包时，都将产生一个新的Kcipher将封包加密。
使用Kcipher是因为其长度更短，在编码时耗时较少。
对于曾经连接过的两个设备，已经存储了Link Key，进行验证与编码时不需要重新计算。

BT芯片与模组的发展

BT硬件构造

主要元件为基频控制器（Baseband Controller），RF发射元件（Bluetooth Radio）。
应当包含：Flash，CPU，Baseband，RF元件。

附录–GPRS网络标准制定与特色

2G：第二代移动通信系统。
欧洲ETSI协会制定出GSM通信系统获得广泛使用。
美国CDMAone慢了GSM足足7年。但CDMA技术较为优秀。
3G：第三代移动通信系统。

移动TD-SCDMA，为中国自主研发。
联通WCDMA，世界使用最为广泛，3G网络最快。
电信CDMA2000，网络覆盖面大。