从空中截获BLE数据包看蓝牙5协议流程【第二部分：蓝牙LL层连接】
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作者：XCODER
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“ 接着上一讲广播数据分析，今天来从空中监听数据包分析蓝牙LL层连接部分协议和数据交互流程。”
实验用到的工具:
蓝牙主机：TI BTool + CC2540 dongle
蓝牙从机：CC2541模块
抓包工具：TI Sniffer + CC2540 dongle
手机工具：BLE调试工具箱 (无线技术联盟微信公众号关联的蓝牙测试工具)
01
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连接请求
TI的Btool是个非常好用的PC主机小工具，其部分界面如下所示，在Discover/Connect界面，可以配置不同的连接参数，选择扫描以及根据扫描到的广播设备有选择性的进行连接。多说一句whitelist，什么是whitelist？这个和微信公众号的白名单一样，是得到主机授权的从机设备，当选择只扫描whitelist的设备时(前提是已经在主机上添加了whitelist设备)，主机只会扫描过滤在whitelist里面的设备。
从下图截获的控制数据包可以看到，主机端在广播扫描之后发出一条CONNECT_REQ的指令，附带LL data，开启了主从设备连接的过程的第一步。TI的工具做的比较人性化，可以从该条语句的注释可以看到
Adv PDU Header Type的值为5，对应Spec的值是CONNECT_REQ。
在指令后面标注出发起端(主机)和从机端的Mac地址，然后是LL data。
这一条指令严格来说也是属于广播范畴，其数据格式说明可以参考上一篇文章。
展开CONNECT_REQ包，其数据包格式可分为前导，接入地址，数据包，CRC效验，详细规范如下：
PUD数据包分可分为两个部分，Header部分是指令(CONNECT_REQ)，payload是详细LL data，拉出LL Data来看，如下图所示：
下面对LL Data格式详细说明：
AA: 连接中的两设备的接入地址，如下图所示，
CRCInit：CRC 初始化
WinSize：主机发送第一包数据的时间窗口
Winoffset：主机发送第一包数据的便宜时间
WinSize和Winoffset是配和使用，主机在发起CONNECT_REQ开始的Winoffset+1.25ms内准备和从机建立连接，这段时间被称为连接建立准备时间，WinSize是主机第一包数据发送的时间窗口范围。
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Interval：蓝牙连接间隔时间。
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Latency：连接延迟，主多次请求才唤醒从机交互一次数据。
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Timeout：超时断开连接。
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ChM：跳频表，主机根据信道情况给出一张跳频表，约定和从机可用的信道(0-36信道)，0表示该信道不可用，1表示该信道可用。
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Hop：跳频阶跃，hop是一个5~16的值。
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SCA：休眠时钟校正范围。
跳频算法介绍：
跳频算法用于数据连接时候，数据信道为37个，跳频公式如下： unmappedChannel = (lastUnmappedChannel + hopIncrement) mod 37
fn+1=(fn+hop) mod 37
hop是一个5~16的值，每次调频之后中心频率加hop值 mod 37。因为都是正整数，这个表达式在软件中非常容易实现，软件中通过求余运算便能完成运算，协议规定第一次连接事件中fn=0，fn+1=(0+hop) mod 37，也就是hop信道编号。
02
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连接事件
连接请求发出之后，开始进入连接状态，空中数据包如下所示，由绿色部分转变为黄色部分。
进入蓝牙连接状态，连接状态的数据包格式如下所示，PUD数据包包含两个部分，头字说明和数据包，头字说明里面有几种类型，分别在LLID里面详细规定，NESN和SN控制主从发送的数据包是否被正确接收。
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LLID：数据包类型格式
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NESN：下一个数据包序列
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SN：数据包序列
NESN和SN是配合使用，他们的作用是来标识主从是否正确交互。如主从交互所示，主发心跳包或者数据时，标记NESN和SN给从机，从机在接收到主机标识的NESN和SN之后，回传NESN和SN+1给主，主接收到和之前发送的相差1表示之前数据正确传输，如果主机接收到的回传值是非（NESN和SN+1），表示数据可能在空中存在都是，此时需要重传。
03
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数据交互
从机发起了MTU更新：
可以发现该LL Data出现橙黄色部分，抓包工具对数据进行的解析，橙黄部分表示从机要求更新MTU的大小，然后和主机相互约束一个MTU的值，后面数据包的格式及按照新约定的MTU大小来传输数据。
总结
用一张图作为总结，整个链路层的连接的流程图如下所示：
所以要想连接一个蓝牙设备，主设备只需要做几个动作，自身初始化，扫描周边设备，对特点设备发出连接请求，开始交换数据。
到此低功耗蓝牙就相互连接上了，后面应用层数据交互和加密解密就要交给GAP层和GATT层,SM层来完成，我们下次再讲解。
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