蓝牙基础概念

本篇文章很多内容摘抄自蜗窝科技的蓝牙协议分析！

1. 蓝牙发展过程

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了20多个岁月。从最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.0，经历了近10多个版本的修订后，发展为当前的状况。

如今的蓝牙，像一个大杂烩：BR/EDR沿用旧的蓝牙规范；LE抄袭802.15.4；AMP直接使用802.11。而这一切的目的，就是以兼容性和易用性为基础，在功耗和传输速率之间左右为难，这并不是优雅的设计。

版本	规范发布时间	增强功能
0.7	1998.10.19	Baseband、LMP
0.8	1999.01.21	HCI、L2CAP、RFCOMM
0.9	1999.04.30	OBEX于IrDA的互通性
1.0 Draft	1999.07.05	SDP、TCS
1.0 A	1999.07.26	第一个正式版本
1.0 B	2000.10.01	安全性，厂商设备之间连接兼容性
1.1	2001.02.22	IEEE 802.15.1
1.2	2003.11.05	快速连接、自适应跳频、错误检查、流程控制和同步能力
2.0+EDR	2004.11.09	EDR传输率提升至2-3Mbps
2.1+EDR	2007.07.26	扩展查询响应、简易安全配对、暂停与继续加密、Sniff省电
3.0+HS	2009.04.21	交替射频技术(AMP)、802.11协议适配层、电源管理、取消了UMB的应用
4.0+BLE	2010.06.30	低功耗物理层和链路层、AES加密、ATT、GATT和SM等
4.1	2013.13.03	与4G不构成干扰，通过IPV6连接到网络，可同步发送和接收数据
4.2	2014.12.04	数据传输更快、隐私功能更强大，支持6LoWPAN
5.0	2016.06.16	更快的传输速度，更远的传输距离，更低的功耗，导航功能，物联网功能

2. 蓝牙技术的概述

2.1 两种蓝牙技术：Basic Rate（BR）和Low Energy（LE）

蓝牙协议包括两种技术：Basic Rate（简称BR）和Low Energy（简称LE）。这两种技术，都包括搜索（discovery）、连接（connection）等机制，但它们是不能互通的。
如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术。可以说BR和LE是完全不同的两种技术。

2.1.1 Basic Rate(BR)

Basic Rate是正宗的蓝牙技术，包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP）。
说着很拗口，不过通过背后的应用场景，就好理解了：

(1)蓝牙诞生之初，使用的是BR技术，此时蓝牙的理论传输速率只能达到721.2Kbps。在那个年代，56Kbps的Modem就是高大上了，这个速度可以说是惊为天人了啊！但是科技变化太快了，BR技术转眼就过时了。那怎么办呢？缝缝补补一下，增强速度呗，Enhanced Data Rate就出现了。
(2)使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。这一次的升级换代，还算优雅，因为没有改变任何的硬件架构、软件架构和使用方式上的改变。
(3)也许你也猜到了，EDR又落伍了，看看人家WIFI（WLAN），几十Mbps，上百Mbps，咱们才2.1Mbps，也太寒酸了吧！那怎么办呢？蓝牙组织想了个坏主意：哎，WIFI！把你的物理层和MAC层借我用用呗！这就是AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）。艾玛，终于松口气了，我们可以达到54Mbps了。
(4)不过呢，由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显了，这次扩展只能是交替使用（Alternate）的，也就是说，有我（BR/EDR）没你（AMP）。

NOTE: 细心的读者可能会注意到，这里特别强调了optional和alternate这两个字眼，这是蓝牙Spec的原话。它意味着，BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。

2.1.2 Low Energy（LE）

BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。

LE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。后面我们会详细的解释这种差异，以及LE的行为特征。

2.2 蓝牙系统的组成

蓝牙系统的组成，涉及到Bluetooth Application、Bluetooth Core、Bluetooth Host、Bluetooth Controller等部分。从core5.0摘录的架构图如下：

（1）这几部分都是逻辑实体，而不是都能对应特定的硬件设备。所谓的“逻辑实体”，需要和日常生活中的“物理实体”区隔开。如在做电路设计时，一个蓝牙芯片、一个主控CPU，就是指物理实体。而蓝牙协议所描述的这些“逻辑实体”，不一定会和物理实体一一对应，如在实际应用中，Host和Bluetooth Application可能会位于同一个物理实体中（主控CPU），而Controller单独位于另一个物理实体中（蓝牙芯片）。
（2）蓝牙协议规定了两个层次的协议，分别为蓝牙核心协议（Bluetooth Core）和蓝牙应用层协议（Bluetooth Application）。蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范，它只提供基础的机制，并不关心如何使用这些机制；蓝牙应用层协议，是在蓝牙核心协议的基础上，根据具体的应用需求，定义出的策略，如AVRCP、A2DP、HID等。
（3）Bluetooth Core由两部分组成，Host和Controller。这两部分在不同的蓝牙技术中（BR/EDR、AMP、LE），承担角色略有不同，但大致的功能是相同的。Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范，并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路（Logical Link）；Host负责在逻辑链路的基础上，进行更为友好的封装，这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节，让Bluetooth Application更为方便的使用。
（4）在一个系统中，Host只有一个，但Controller可以一个，也可以有多个。如：单独的LE Controller；单独的BR/EDR Controller；单独的LE+BR/EDR Controller；在单独的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基础上，增加一个或多个额外的AMP Controller。

BR/EDR、AMP、BLE等技术有如下的特点：

首先如下图总结：

（1）BR/EDR技术，侧重“点对点”通信，以至于虽然在协议的底层（如Logical Link）有提及多播（Unidirectional）和广播（Broadcast）的概念，但在上层的应用场景中，几乎不存在相应的应用。
（2）随着物联网的发展，业界对简单的、不需要连接的多播或广播通信的需求越来越迫切，因此BLE技术在RF和Baseband的协议中，就做出了修改，以适应这种需求，即：修改原有的79个channel的跳频方式，将channel的个数减少为40个，并保留了不少于3个的固定channel，用于广播通信。为仅仅在剩下的37个data channel上跳频。
（3）因为这种改变，原有的搜索/连接/配对等概念，在BLE上就不再存在了，取而代之的是Advertisor、Initiator等概念。但在之后的数据通信的层次上，尽量保持了一致。
（4）对于AMP来说，是基于BR/EDR的controller，在完成通常的点对点连接之后，两个蓝牙设备商议，是否需要将后续的数据通信，转移至AMP controller上。这就是Bluetooth 3.0引入的AMP技术。

2.3 功率

蓝牙发射功率分三级：一级功率100mW(20dBm)；二级功率2.5mW(4dBm)；三级功率1mW(0dBm)

3. 协议架构

蓝牙协议是通信协议的一种，为了把复杂问题简单化，任何通信协议都具有层次性，特点如下：

从下到上分层，通过层层封装，每一层只需要关心特定的、独立的功能，易于实现和维护；
在通信实体内部，下层向上层提供服务，上层是下层的用户；
在通信实体之间，协议仅针对每一层，实体之间的通信，就像每一层之间的通信一样，这样有利于交流、理解、标准化。

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。

3.1 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。

3.1.1 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。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上就有很大的差异，下面让我们一一介绍。

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。

地理位置	ISM频段范围	射频信道频率
中国、美国、欧洲	2400.0～2483.5MHz	F=(2402+k)MHz,k在0、1、……78中随机取值
法国	2446.5～2483.5MHz	F=(2454+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
日本	2471.0～2497.0MHz	F=(2473+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
西班牙	2445.0～2475.0MHz	F=(2449+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值

NOTE： 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。

我国的蓝牙频率在2.402GHz～2.483GHz,蓝牙每个频道的宽度为1MHz，为了减少带外辐射的干扰，保留上、下保护为3.5MHz和2MHz，79个跳频点中至少75个伪随机码跳动，30S内任何一个频点使用时长不能超过0.4S。

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：

（1）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）。
（2）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）。
（3）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。
（4）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）。
（5）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）。
（6）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。
（7）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。
（8）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：

（1）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）。
（2）LE技术定义了2种物理信道，LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。
（3）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，采用跳频技术。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。
（4）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。
（5）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。

3.1.2 Physical Links（物理链路）

由3.1.1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：

（1）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。
（2）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。
（3）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，因此不需要再Physical Link中体现。
（4）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。
（5）BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有两个方面的意义：
（5-1）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）。
（5-2）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。
（6）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。
（7）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。
（8）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。
（9）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。

3.2 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）：

（1）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。
（2）传输用户数据的用户类传输，包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。
（3）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、广告/广播链路，为ADVB-U、ADVB-C提供服务。
AMP-C没有对应的Logical Transport，而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。

3.3 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），为具体的应用程序（profile）提供独立的数据传输通道（当然，也是一个逻辑通道）。

3.4 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。