BLE协议栈 – 链路层（Link Layer）

 

转载自http://bbs.wireless-tech.cn/d/77-ble-link-layer

链路层位于BLE协议栈的控制器（Controller）部分，在物理层（Physical Layer）之上，接口层（HCI）之下。物理层比较抽象，除了BLE信道，许多地方都是通用的通信技术，不能反映BLE通信协议的特点，而HCI之上的部分，大多在软件中实现，因此，理解BLE协议栈的底层实现，一定要对链路层有所认识。链路层定义了协议栈中最为基础的状态机、数据包格式、广播和连接流程等问题。

《低功耗蓝牙开发权威指南》(Robin Heydon)这本书的第七章，对链路层做了全面的介绍。虽然全面，但是细节不足，需要结合Bluetooth Spec v4.1 Vol 6, Part B部分，对关键的概念进行更深入的理解。

状态机

链路层中定义了一个包含五种状态的状态机：

• Standby State
• Advertising State
• Scanning State
• Initiating State
• Connection State

一个状态机在同一时刻有且只能处于一个状态。但是，一个BLE设备在同一时刻可以拥有多个独立的状态机！多个状态机并存的情况有限制条件。以下为几种有效的组合状态：

• Connection + Advertising
• Connection + Initiating
• Connection(Master) + Connection(Master)

这也就意味着，BLE协议栈是支持一主多从这种连接模式的。不过要注意，不支持一从多主模式，即一个从机同时与多个主机相连。并且，一个BLE设备在同一时刻不能同时为主机和从机角色。

什么是主机（Master）？什么是从机（Slave）？
BLE设备从Initiating状态进入Connection状态以后，将负责发起连接请求，称为主机（Master）。对应的从Advertising状态进入Connection后，负责响应连接请求，称为从机（Slave）。所以主机、从机是Connection的子状态。明确这个概念，才可以看懂BLE Spec中一些奇怪的表述。如果它说Master的某些特征，就暗指Connection状态；或者在Advertising状态下，就不能称呼主机或从机，因为主从机只存在Connection状态下。在上图中，注意到Scanning到Connection之间没有直接通路，即主机在建立连接过程中，需要先进入Scanning，在进入Standby，再进入Initiating，再进入Connection，而从机则直接从Advertising进入Connection。

报文

报文是链路层的基石，是BLE通信的基础设施,它包含四个字段：序言、访问地址、协议数据单元（PDU）和循环冗余校验
（CRC）。在广播、扫描或建立连接的过程中使用广播通道PDU 传输数据包。而用于与连接器件交换数据的数据包是
通过数据通道PDU 传输的。链路层数据包的格式如图：

报文 = 前导字 + 访问地址 + PDU + CRC

前导字（Preamble）

只有两种选择：0x55(0b01010101)和0xAA(0b10101010)。假如访问地址的首位是1，则选择0xAA，反之则选择0x55，即让前9个bit是0、1交叉的序列。由于BLE信号功率强度可以从-90dBm ~ 10dBm，物理层的放大器需要去处理不同功率强度的信号，这样一串0、1序列可以帮助ADC调整增益参数，以适配不同功率的射频信号。

接入地址（Access Address）

不同于设备的物理地址（Mac Address）。访问地址分为广播接入地址和数据接入地址。广播接入地址为固定的0x8E89BED6，如果使用Sniffer检测BLE广播数据，则很容易看到这一串数字。数据接入地址则为随机数，长度仍然是4个字节（32bit）。为什么要设置为随机数呢？因为BLE的物理机制，决定了它不适合接收一长串的0或者1，这样会导致频率失锁。数据接入地址的随机性是为了避免全0（或全1）的情况发生。随机地址也使得在一个较小空间内即使存在大量BLE设备，也能保持各自通信独立。此外，它还能一定程度上提升安全特性。这里提到的BLE物理层不善于读取全0和全1的数据序列，为了避免这个情况，链路层的数据包在发送之前需要进行白化（Whiten）处理。所谓白化，就是指利用一串给定的数据与原始数据进行异或运算，目的是将一串序列打乱，不要出现全0或全1。接收端在物理层收到原始数据后，也需要先进行反白化（Dewhiten）处理。

PDU（Protocol Data Unit）

协议数据单元，数据通道PDU 包含一个16 位的头文件、一个长度可调的payload（有效负载）字段和一个可选的信息完整性检查（MIC）字段。在蓝牙4.2 规范中，数据通道PDU 中payload 字段的最大长度可从27 字节增加到251 字节，从而使数据通道的吞吐量大约提高10 倍。

广播包的报头与数据包的报头内容不同，上图显示的是广播包的报头，包含了：PDU类型、TX/RX 地址类型、净荷长度。PDU类型有几类：ADV_IND，ADV_DIRECT_IND，ADV_NONCONN_IND，ADV_SCAN_IND，SCAN_REQ，SCA_RSP，CONNECT_REQ。共七种类型。这些类型能够从名字中得知他们的含义，同时，可以发现一个信息，即扫描（SCAN）和连接请求（CONNECT_REQ）也是在广播包中进行的。广播包中的PDU数据长度最大为37字节。37 = 6 + 31。其中6是指广播设备的地址（Mac Address），31是指广播包的最大长度。广播的设备地址(Public address)数据结构值得一提，如下图：

设备地址的组成为Deivce Address = Company Id + Comany Assigned，而在上图中company_assigned在company_id的前面，即设备地址在链路层存储顺序是LSB在前，MSB在后。这也是为什么在程序代码中获取的设备地址，跟我们看到的00 A0 50 12 34 56是顺序相反的。

CRC（循环冗余校验）

常规的概念。注意一点，CRC能发现N个字节的变化，比如24位CRC能发现1、2、3、4、5个字节的变化，但是假如同时有6个字节逆转，则不能通过CRC校验出来。

信道与跳频

BLE 共有40个信道，包括3个广播信道（信道编号为37、38、39）和37个数据信道（编号为0 – 36）。广播信道传输广播数据，数据信道进行数据通信。
40个信道均匀分布在2402MHz – 2480MHz这段频率之间，每个信道占2MHz。于是，我们经常能够看到这样的信道分布图：


其中绿色的脉冲为BLE信号，红色信号分别是WIFI、微波炉和无线设备，它们形成了干扰噪声。图一中中间三块橙色为广播通道，分布在两端和中间三个位置，这样做是为了避免跟wifi的信道冲突。图二中上方三个拱形块为wifi的信道，广播通道则恰好避开了这些频率范围。

BLE设备广播一次，在三个信道发出相同的广播数据，三个信道发送完毕，称为一次广播事件。相邻事件的时间长度称为广播间隔

两个相邻的广播事件的之间的时间间隔（T_advEvent）为：
T_AdvEvent = advInterval + advDelay
其中，advInterval 必须是0.625ms的整数倍，范围是20ms-10.24s之间。对于可扫描非定向广播和不可连接非定向广播这两种广播类型，该值最好不小于100ms，即（160个0.625ms）。advDelay是Link Layer（链接层）分配的一个伪随机数，它的范围为“0 -10ms”。在查看BLE芯片功耗时，可以看到有三个紧挨着的脉冲，即三次RF发射行为。在Sniffer中也能够清晰看到在每次广播时三个信道的行为。

与广播事件类似，两个BLE设备之间进行一次数据通信称为一个连接事件，相邻事件的时间间隔为连接间隔。
每个连接事件会在某个数据信道中进行，下一次连接事件则会切换数据信道。这种切换信道的工作方式叫“跳频”。
跳频能解决wifi信道拥堵的问题。比如前面图中频率域上wifi信道1与BLE信道0-8重叠，假如某时刻这一频段的wifi信号很繁忙，则BLE信号必然受到影响，BLE跳频技术会标定0-8信道为“坏道”，将所有的通信行为都挪到其他空闲的信道中去进行。等该频段空闲，则去除坏道标记。关于信道的知识零散且有趣，讲清楚颇伤篇幅，建议阅读《权威指南》的第64页自行体会。

广播

广播有几种类型：

• 可连接定向广播（Connectable directed advertisement）
• 可连接非定向广播（Connectable undirected advertisement）
• 不可连接非定向广播（Non-onnectable undirected advertisement）
• 可发现非定向广播（Scannable undirected advertisement）

第一个为”定向“广播，比较特殊。定向广播行为每3.75ms重复一次广播，最大持续1.28秒，广播包不能被扫描，并且广播包中仅能包含自己和对端的设备地址。后面三个为”非定向“广播。”可连接“非定向广播为最常规的广播。”不可连接“非定向广播，是指不能被主机连接，也不可以携带扫描响应数据。这样的广播行为，支持对端的”被动扫描“行为。”可发现“非定向广播，是指不能被主机连接，但是可以携带扫描响应数据并被扫描到，但是不能建立连接。iBeacon可以设置为后三种广播类型之一。

主机端的扫描行为和连接请求，也使用广播信道。所谓扫描，指无线信号接收机处于工作状态，所有掠过该接收机的有效信号，都会被捕获和分析。如果是可识别的BLE广播信号，则会提取信号中的有效内容，以“发现”设备。
扫描分为两类：

• 主动扫描（Active Scan）
• 被动扫描（Passive Scan）

主动扫描是指接收了广播信号后，主机端发出扫描请求包（Scan Req Data），从机收到后进一步返回扫描响应包（Scan Response Data），如下图：

在主动扫描模式下，由于存在扫描响应包，从机可以在建立连接之前，提供更多的信息给主机端。扫描响应数据是在收到扫描请求后立即发出，应用程序无法掌控这一过程，因此扫描响应数据中适合存放一些静态数据。

被动扫描则不发扫描请求包。
每次扫描都会持续一段时间，这段时间称为“扫描窗口”(Scan Window)，相邻扫描窗口之间的时间为“扫描间隔”(Scan Interval)。

每次扫描都只扫一个广播信道，下一次则扫下一个广播信道。使用示波器查看扫描时候的芯片功耗，会发现在扫描时候，芯片电流一直处于高点，即扫描是一个高功耗行为。如果芯片需要频繁的、大窗口扫描，则很难控制芯片功耗。因此在设置扫描窗口参数时候，不能太小，难以及时发现周围设备，也不能太大，增加功耗负担。一个典型的广播扫描时间参数模型如上图所示。

主机扫描到有效广播信号，即发现了周边的有效设备，停止扫描退出Scanning状态。此时进入Standby状态。如果需要建立连接，则发出连接请求（CONNECT_REQ），状态机进入Initiating状态，注意现在不是Connection状态！连接请求发送完毕，主机端就进入Connection状态。从机端一旦收到连接请求，也进入Connection状态。也就是说，Initiating状态就是发送连接请求的那一瞬。（BLE Spec在这一块讲述的不清楚，《权威指南》上压根没讲。 -_-!）

在CONNECT_REQ之后会延时1.25ms，然后在时间t（transmitWindowOffset <= t <= transmitWindowOffset + transmitWindowSize）内，主机端（Master）发出一个数据包，等待T_IFS（Inter Frame Space：帧间隔），如果从机（Slave）返回响应，则完成第一个连接事件（Connection Event）。

两个参数：transmitWindowOffset 和 transmitWindowSize是为了给从机做准备工作留的时间，也用来进行两个设备之间通信行为的时间同步（俗称：对表）。图中有个地方值得注意，主机发送连接请求后，即刻进入连接状态。从机并不回复一个响应信息。发送连接请求之前，都是使用广播信道，之后的数据都走数据信道。

连接

与广播类似，连接状态下的数据传输行为也有”连接事件“和”连接间隔“的概念。

从上图可知，一个connection event可能发多个包。每个连接事件内，都是主机发出连接请求，（又是连接请求！）从机进行相应。BLE设备之间的数据通信，比如Write/Notify，用户数据就包含在在这些连接请求和响应数据包中。
如果用户数据为空，也依然需要进行这样的“握手”行为，以维持设备之间的连接性。

假如从机每个小时只Notify一次数据，那么频繁的握手必将消耗大量的能量，这对从机而言不友好。BLE协议提供了延迟响应（Latency）这个参数，比如Latency = 10，即主机发出10次握手包，从机收都可以置之不理，主机也表示淡定。但是从第11个包开始，从机需要回复一个握手包，提示自己仍然”活着“。如果从第11个包开始仍然没有收到从机端的握手包，主机就开始焦急的等待从机的响应，后续的每一次握手会期望得到从机的回复。

通常情况下，从机端会很识趣的进行回复。但假如从机端真的断电了，失去了回复的能力，主机也不会无休止等待下去。BLE协议提供了监控超时（Supervision Timeout）参数，当主机距离上次收到从机握手包开始，等待超过了这个超时参数的时间长度，主机就认为从机”挂了“，直接终止物理连接。

由于延迟响应与监控超时这两个参数很重要，因此在”更新连接参数“这个任务中，需要处理这几个个参数：

• 连接间隔（最大值）
• 连接间隔（最小值）
• 延迟响应
• 监控超时

数据信道的包格式，与广播信道的包格式基本一致，仅仅报头（Header）不同。数据包的报头格式如下：

• NESN/SN
  NESN和SN各占1bit。SN全称为sequence number，表示当前发送的packet编号。NESN，next expected sequence number，用来告知对方下一个期待的packet的编号。Link layer使用SN来告知对方这个packet是新数据包还是重传包，用NESN来告诉对方你之前发我的包已经收到了（相当于ACK的作用），我现在期待下一个新的数据包了，因此BLE没有专门的ACK包，它是通过NESN/SN来实现ACK和重传双重功能的。请参考如下表格，仔细揣摩NESN和SN是如何编码的，以同时完成ACK和重传功能。
  
  我们来分析#3数据包，#3是master发给slave的，那么#3的NESN和SN是如何确定的呢？其实#3的NESN和SN是通过比较#1和#2的NESN/SN的值来确定的，Master把#1传完之后，会把#1包的NESN和SN记录下来，即表格右边的NESNꞌ和SNꞌ。然后Master会拿SNꞌ跟#2的NESN相比，两者不等，说明slave已经收到了#1包，并期待master发一个新的包给它，此时Master会把SNꞌ增1，形成#3包的SN，表示这个数据包是一个新包，然后发出去；两者相等，说明slave没有收到#1包，此时master需要重传。Master还会拿NESNꞌ跟#2的SN相比，两者相等，说明#2包为新包，然后Master会把NESNꞌ增1，形成#3包的NESN发出去，告诉slave我已经收到#2包了并期待你的下一个包；两者不等，说明#2包为重传包。注意：大家可以从上述表格发现一个规律，就是同一方向相邻的两个数据包，他们的NESN和SN与另一个包的NESN和SN是相反的，比如#3 NESN = #1 #NESN ，#3 SN = #1 #SN ，同样#2和#4 各自的NESN和SN是相互相反的。我们可以用下面的流程图来描述上述过程。
  

• MD（1bit），more data
  用来指示对方我还有数据包要传，请继续打开射频窗口准备接收。比如Nordic nRF51822一个connection interval可以发6个包或者更多的包（也就是说，一个connection event包含多个数据包交互），用的就是MD来实现的。以notify命令为例，设备（Server）notify第一个数据包并将MD置1，Client（比如手机）收到这个notify命令后，就知道Server还有数据包要传，此时手机可以继续发一个空包给设备，以让设备把第二个notify命令发过来，详情如下所示。注：Master为手机（Client），Slave为设备（Server）。
  

其他

还有加密等内容，相对而言，不如上述内容关键，这里略去不讲。同时，也可以参考本论坛另一个大神的佳作BLE安全机制从入门到放弃