BLE（2）—— 基本特性（状态、角色、地址、信道）

基于 BLE 5.1 协议 Core Spec。

1、状态机

根据 《BLUETOOTH CORE SPECIFICATION Version 5.1 | Vol 6, Part B》叙述，BLE 设备状态机包含下列状态：

• Standby State--------------------等待业务状态
• Advertising State-----------------广播状态
• Scanning State--------------------扫描状态
• Initiating State----------------------发起态（用于连接指定设备）
• Connection State -----------------连接态
• Synchronization State-----------同步态（用于周期性广播的数据同步）

在同一时刻，BLE 设备只能处于上述状态中的一种（当然，BLE 支持多连接，可以在建立连接后，再次发起其他的链接，不过呢，同一时空中，只能处于一种状态，对于上层来说，BLE 在Connection 同时在 Initiating，对于实际的物理设备，其实是分时复用的）。这几种状态的状态机转换图为：

具体的描述，等到专门讲各个状态的时候，在细致的描述状态之间的转换关系，这里可以暂时先有一个大致的印象即可。

 

2、角色

BLE 设备的角色的概念，只出现在 Connection 状态，类似于 USB/SPI/I2C 等数据传送，角色的定义有两个：

• Master Role
• Slave Role

由 Initiating State 主动发起连接的一方，并最终建立连接后，我们称之为 Master Role，另一方由 Advertising State 被连接后，成为 Slave Role。这里也只是先有这个概念即可，后面分析完 Advertising 和 Initiating 后，这些玩意，自然了然于胸。

 

3、字节序

既然是数据传送，咱们就需要关系传送的字节序 （BIT ORDERING）。BLE 协议规定，空中数据传送都使用  little-endian format，即  Least Significant Bit (LSB) 。还是解释一下：

比如：b0b1b2 = 110，传送的时候，在空中，先传输 1，在传输 1，最后是 0；

 

4、设备地址

在同一时刻，空气中弥漫了诸多蓝牙设备，那，咱哥如何才分辨不同的设备呢？当然是给每个 BLE 一个 ID，这个 ID 就是 BLE 的 Device Address，也叫 BD Address；

设备地址有 48 bits 构成，用于区分不同的 BLE 设备。

设备地址呢，又分为两大类：

• Public device address
• Random device address

 

4.1 Public device address

Public device address 的地址由 company_assigned [24 bits] 和 company_id [24 bits] 构成

这种地址呢，需要到蓝牙组织那里去申请（花钱买），防止冲突

 

4.2 Random device address

这种用得更为广泛，Random device address 又细分为两类：

• Static address
• Private address.

4.2.1 Static address

Static address 也是需要遵循标准的 48 bits，除了这个以外，还需要遵循以下规则：

1）最高两bit恒定为 11
2）上电的时候随机生成，并且在一个上电周期内保持不变
3）除开最高两位，剩余的46bits是一个随机数，不能全部为0，也不能全部为1。
4）下一次上电的时候可以改变。但不是强制的，因此也可以保持不变。

 

4.2.2 Private address

私有地址呢，根据地址是否加密，又分为了两类（过场真多）：

• Non-resolvable private address-----不加密，但定时更新
• Resolvable private address-----------加密，且定时更新

4.2.2.1 Non-resolvable private address

当然，这个 Non-resolvable private address 也是 48 bits 的，Non-resolvable private address和Static Device Address类似，不同之处在于，Non-resolvable private address会定时更新。更新的周期称是由GAP规定的，称作T_GAP(private_addr_int) ，建议值是15分钟。要求如下：

1）最高两bit恒定为 00
2）除开最高两位，剩余的46bits是一个随机数，不能全部为0，也不能全部为1。
3）以T_GAP为周期，定时更新。
4）此地址不能和 public device address 冲突。

4.2.2.2 Resolvable private address

这种地址也称 RPA 加密地址，只能被拥有相同 Identity Resolving Key (IRK) 的设备扫描到，可以防止被未知设备扫描和追踪。

• 最高两位是 10
• 至少在 random part of prand 有一个 1
• 至少在 random part of prand 有一个 1

prand 除了最高两位以外，是一个随机数。

hash 部分是通过公式 hash = ah(IRK, prand) 计算出来的 hash 值。

当对 A 端发送 RPA 的时候呢，B 端接收到 RPA ，B 端会使用 A 的这个 prand 和 B 端的 IRK 进行同样的 hash 运算，并将计算的 hash 和 A 的 RPA 中的 hash 字段进行比较，相同的话，才证明这个才是他想要的，才可正常通信。

RPA 配合 RAL 才能发挥其过滤的作用（Resolvable address List）。是一种地址过滤策略，只有正确解析了以后，才能够进行后续动作，后面再详细聊。

综上所述，48bits 地址的最高两位 bits，用于表示地址的类型

5、物理信道

蓝牙 BLE 工作在 2.4GHz 的频段上，分为 40 个 RF 信道，每个信道 2M。同一时刻，只能用一个信道进行数据的传输/接收。

这 40 个 RF Channel 上，并不是平等的， SIG 把物理信道转换成为一个叫做 Channel Index 的玩意（其实就是简单的转换关系）：

物理信道从 0 - 39 进行编号。Index 却是，PHY Ch0 对应 37，PHY Ch12 对应 38，PHY 39 对应 39。

在 BLE 4.2 时代，Advertising、Scanning、Initiating 状态只允许在 Ch Index 的 37/38/39 上执行数据的收发。Advertising 是为了让其他 BLE 设备发现本设备，Scanning 是为了扫描到其他设备。为了让发现设备和广播更容易不受诸如 WIFI 的干扰，专门将 Advertising、Scanning、Initiating 数据收发放到了 与 WIFI 频段隔离的部分，起到一定抗干扰作用：

除了 37、38、39 这些频段，在 Connection 状态下使用了 其他的 37 个 Channel，通过跳频技术（Hopping），来减少数据干扰，增强系统的可靠性。