1. 介绍
Bluetooth low energy，也称BLE(低功耗蓝牙)，在4.0规范中提出
BLE分为两种设备
- 单模(single-mode): Logo为「Bluetooth®Smart」
- 双模(dual-mode): Logo为「Bluetooth®Smart Ready」
TIP: 传统蓝牙的Logo为「Bluetooth®」
BLE与传统蓝牙的兼容性如下图所示
可以看出他们之间的通信规则如下(Bluetooth指代传统蓝牙，下同)
- Smart Ready: Smart Ready、Bluetooth、Smart
- Bluetooth: Smart Ready、Bluetooth
- Smart: Smart Ready、Smart
2. 协议栈
BLE协议栈如下图所示
BLE协议栈由Controller和Host两部分组成；Profile和Service基于GAP和GATT
协议栈各层次介绍如下
- PHY: 1Mbps自适应跳频GFSK, 运行在2.4GHz频段 - LL: RF控制器, 控制设备的链路状态 - HCI: 接口层, 向上为主机提供软件应用程序接口, 对外通过通过串口、SPI、USB实现设备控制 - L2CAP: 为上层提供数据封装服务, 允许逻辑上的端到端数据通信 - SM: 提供配对和密钥分发服务, 实现安全连接和数据交换 - GAP: 直接与应用程序或配置文件通信的接口, 处理设备发现和连接相关服务; 另外还处理安全特性的初始化 - ATT: 导出特定的数据(称为属性)到其他设备 - GATT: 定义了使用ATT的服务框架和配置文件(Profiles)的结构; BLE中所有的数据通信都需要经过GATT
3. 链路层
3.1 链路状态机
链路层操作可以描述为链路状态机(The Link Layer State Machine)
链路状态机有如下五种状态
- Standby State: 准备, 不传输或接受数据包 - Advertising State: 广播, advertiser, 发送advertising channel packets, 接受来自scanner的响应 - Scanning State: 监听/扫描, scanner, 监听来自advertiser的advertising channel packets - Initiating State: 初始化, initiator, 监听来自特殊设备的advertising channel packets,并进行初始化连接 - Connection State: 连接, 有两种角色: Master Role(从initiator进入)/Slave Role(从advertiser进入)
链路状态机只允许处于五种状态之一；链路层可以有多个链路状态机，但至少有一个支持Advertising/Scanning State
处于Master Role的设备可以和多个Slave Role分时通信；处于Slave Role的设备只能和处于Master Role的设备通信
下图展示了允许和禁止的链路状态机和角色的组合
3.2 比特序
在链路层规范中规定Packet/PDU比特序(Bit Ordering)为Little Endian format；LSB最先发送
3.3 设备地址
设备地址(Device Address)可以是公共地址或者随机地址，长度为48 bits
公共地址采用IEEE 802-2001 standard的48-bit universal LAN MAC addresses，格式如下
随机地址格式如下
3.4 物理信道
BLE RF信道(Physical Channel)被定义为两种: advertising and data
- advertising信道: 使用3个RF信道用来发现设备, 初始化连接和广播数据
- data信道: 则使用多达37个RF信道用于两个连接设备间通信
RF Channel和Advertising/Data channel Index对应关系如下图 
4. BLE报文
4.1 报文格式
对于BLE链路层，advertising/data channel packet格式如下
数据包长度为80~376bits(10~47Byte)
- Preamble: 前导码, 用于接收方同步频率等 advertising channel packet - 10101010b data channel packet - 10101010b或01010101b - Access Address: 接入地址 advertising channel packet - 0x8E89BED6 data channel packet - 每个链路层连接都有其唯一值, 由initiator随机生成, 相关限制可参看规范 - PDU: 协议数据单元, 对于advertising和data channel packet, 有各自的格式要求 - CRC: 由PDU计算得到
4.2 RFU
Reserved For Future Use，留待后用，设置为0，接收后被忽略
4.3 Advertising Channel PDU
PDU格式如下
Header部分格式如下 
Header各字段含义如下
- PDU Type: 定义PDU类型 - TxAdd/RxAdd: 由PDU类型决定，若未定义，则认为是RFU - Length: 定义Payload的字节数(octets)，有效范围是6~37Bytes - Payload: 由PDU类型决定
其中PDU类型如下
在Adv PDUs中，AdvData/ScanRspData指来自Host的数据
4.3.1 Advertising PDUS
Advertising PDUS包含下面几种类型
- ADV_IND: 表明自己是可以被连接的 Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets) AdvA字段为advertiser的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址) - ADV_DIRECT_IND: 向特定设备建立连接 Payload - AdvA(6 octets) + InitA(6 octets) AdvA字段为advertiser的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址) InitA字段为initiator(接收方)的地址(RxAdd=0表示公共地址, Rxadd=1表示随机地址) - ADV_NONCONN_IND: 用于广播信息 Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets) AdvA字段为advertiser的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址) - ADV_SCAN_IND: scannable undirected advertising event Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets) AdvA字段为advertiser的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址)
这些PUDs的数据流向为 advertiser->scanner/initiator
4.3.2 Scanning PDUS
Scanning PDUS包含下面几种类型
- SCAN_REQ: 数据流向为 scanner->advertiser Payload - ScanA(6 octets) + AdvA(6 octets) ScanA字段为scanner的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址) AdvA字段为advertiser的地址(RxAdd=0表示公共地址, Rxadd=1表示随机地址) - SCAN_RSP: 数据流向为 advertiser->scanner Payload - AdvA(6 octets) + ScanRspData(0~31 octets) AdvA字段为advertiser的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址)
4.3.3 Initiating PDUS
Initiating PDUS包含下面的类型
- CONNECT_REQ: 数据流向为 initiator -> advertiser Payload - InitA(6 octets) + AdvA(6 octets) + LLData(22 octets) InitA字段为scanner的地址(TxAdd=0表示公共地址, Txadd=1表示随机地址) AdvA字段为advertiser的地址(RxAdd=0表示公共地址, Rxadd=1表示随机地址) LLData字段如下，详细信息请参看规范
4.4 Data Channel PDU
Data Channel PDU格式如下 
4.4.1 Header
Header部分格式及字段含义如下 
4.4.2 Payload
Payload格式(Opcode[1 octet] + CtrData[0~22 octets])由LLID字段决定，有下面两种类型
- LL Data PDU: 用来发送L2CAP数据, LLID为01b/10b
- LL Control PDU: 用来控制链路层连接, 详细信息请参考规范
4.4.3 MIC
MIC(Message Integrity Check)
- 不存在的情况 ~ 在非加密连接中 ~ 加密连接, Payload为空 - 存在的情况 ~ 加密连接, Payload不为空