【Bluetooth蓝牙开发】七、BLE协议之链路层
文章目录
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- 7.1 前言
- 7.2 状态（state）和角色（role）的定义
- 7.3 空中接口数据包
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- 7.3.1 Preamble字段
- 7.3.2 Access Address字段
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- 7.3.2.1 静态地址
- 7.3.2.2 私有地址
- 7.3.3 PDU字段
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- 7.3.3.1 Advertising Channel PDU
- 7.3.3.2 Data Channel PDU
- 7.3.4 CRC字段
- 7.4 总结
7.1 前言
经过Physical Layer的定义，通信所需的物理通道已经okay了，即40个RF Channel（后面统一使用Physical Channel指代）
此时Link Layer可以粉墨登场了，它主要的功能，就是在这些Physical Channel上收发数据，与此同时，不可避免的需要控制RF收发相关的参数。除此之外，还要做到：
Physical Layer仅仅提供了有限的40个Physical Channel，而BLE中参与通信的实体的数量，肯定不是这个数量级。Link Layer需要解决Physical Channel的共享问题- 通信是两个实体之间的事情，对这两个实体来说，它们希望看到一条为自己独享的传输通道（就是我们所熟悉的逻辑链路，
Logical Link）。这也是Link Layer需要解决的 Physical Channel是不可靠的，任何数据传输都可能由于干扰等问题而损毁、丢失，这对有些应用来说，是接受不了的。因此Link Layer需要提供校验、重传等机制，确保数据传输的可靠性；
7.2 状态（state）和角色（role）的定义
BLE协议在Link Layer层抽象出5种状态：
- Standby State：待机状态，不发送数据，也不接收数据。该状态可以由任何状态进入，也可以切换到除
Connection状态外的任意一种状态。 - Advertising State：广播状态，可以发送，监听，响应广播通道包，由Standby状态进入。
- Scanning State：扫描状态，能够监听广播设备发送的广播包，由Standby状态进入。
- Initiating State：初始化状态，监听指定设备的广播通道包，并且响应广播包，并发送连接请求，以便和广播设备建立连接。当连接成功后，
Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。该状态由Standby状态进入。 - Connection State：和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由
Initiating State或Advertising State进入。通道断开后，会重新回到Standby状态。
进入Connect State后，又定义了两种角色：
- Master Role：由
Initiating State进入的Connect State，连接成功后，变成了Master Role。 - Slave Role：由
Advertising State进入的Connect State，连接成功后，变成了Slave Role。
7.3 空中接口数据包
该章节官方文档定位：
Core5.0 P2562
状态和角色定义完成后，剩下的事情就简单了，主要包括两类：
- 提供某一状态下，和其它实体对应状态之间的数据交换机制；
- 根据上层实体的指令，以及当前的实际情况，负责状态之间的切换。
BLE协议中，这些事情是由一个叫做空中接口数据包（Air Interface Packets）的家伙负责。
Air Interface Packets定义了一种包的格式，主要用于描述LE Uncoded PHY、advertising channel和data channel的通信格式。
包的格式如下：
7.3.1 Preamble字段
Preamble前导码：是0和1的交替序列，当物理通道为LE 1M PHY时，前导码为1Byte；当前导码为LE 2M PHY时，前导码为2Byte。
格式如下：
7.3.2 Access Address字段
Access Address：对于所有在广播通道发送的数据包，其值都为0x8E89BED6。一旦链路层处于Initiating State状态时，会生成一个新的Access Address用于连接。该Access Address为一个4Byte的值。
蓝牙使用Access Address来标识不同的设备，Access Address可以是一个公共的地址，也可以是一个随机的地址，无论是哪一种类型的地址，均为48bits长度。
- 公共地址：官方定义的一些规范，通用的地址，这里不做解释。
- 随机地址：可能是静态地址，或者是私有地址。
7.3.2.1 静态地址
静态地址一般都是随机生成的，但是需要满足下面的几点规则：
- 地址的两个最高有效位应该等于1
- 随机地址部分，至少有一位为0
- 随机地址部分，至少有一位为1
大多数的设备（手机）都是在上电之后，初始化一次静态地址，一旦初始化后，静态地址就不变了；重新上电后，会生成新的静态地址。
7.3.2.2 私有地址
私有地址又分为：不可解析私有地址和可解析的私有地址。
① 不可解析的私有地址
不可解析私有地址，遵守以下生成规则：
- 地址的两个最高有效位应该等于0
- 随机地址部分，至少有一位为0
- 随机地址部分，至少有一位为1
- 不能与公共地址有冲突
② 可解析的私有地址
可解析的私有地址，说直白点就是带加密算法所生成的。设备需要有Local Identity Resolving Key (IRK) 或者the Peer Identity Resolving Key (IRK)这两个密钥，生成24bit的号码，
可解析的私有地址，遵守以下规则：
- 地址的两个最高有效位为0和1
- 随机地址部分，至少有一位为0
- 随机地址部分，至少有一位为1
总结：最高有效位的前两位，代表了设备地址的类型
7.3.3 PDU字段
Air Interface Packets整体的包结构我们已经熟知，下面主要分析以下PDU字段。
PDU：分为两种，广播通道上传输Advertising Channel PDU；数据通道上传输 Data Channel PDU，长度为2-257字节
7.3.3.1 Advertising Channel PDU
广播通道PDU，包括Advertising PDU、Scanning PDU、Initiating PDU三种类型。
广播通道的PDU，由16bit的数据头和1-255Byte的可变大小数据组成。
16bit数据头组成如下：
- PDU Type字段的类型有多种，如下：
PDU Type有多种，文章定位：
core 5.0 P2567，可自行查阅。
ChSel：该位为1，支持LE Channel Selection Algorithm，即LE通道选择算法，反之，不支持。TxAdd：该位为0，表明Payload的AdvA字段为公共的；该位为1，表明Payload的AdvA字段为随机的。Length：该字段表明了Payload的长度
官方文档定位：
core 5.0 P2569
常见的Advertising PDU有：
- ADV_IND：该PDU用于连接和扫描无定向的广播事件。
- ADV_DIRECT_IND：该PDU用于连接和扫描定向的广播事件。
- ADV_NONCONN_IND：该PDU用于不可连接和不可扫描的非定向广播事件
常见的Scaning PDU有：
- SCAN_REQ：该PDU为发送扫描请求
- SCAN_RSP：该PDU包括了广播者的地址和返回的扫描响应数据。
常见的Initiating PDU有：
- CONNECT_IND：该PDU用于建立连接
LLData域有对应了一些链路层参数的设置，可以详细看Core 5.0 P2578
每一种PDU Type，都会定义自己的Payload组成。
7.3.3.2 Data Channel PDU
数据通道PDU的格式，包括16bit的Header，可变大小的Payload，以及消息完整性检查MIC.
包的格式如下：
Header包括
LLID：该字段标识了这个包为LL Data PDU或者LL Control PDU
NESN：下次期望的序列号
根据LLID字段，Data Channel PDU又分为LL Data PDU 和 LL Control PDU两种类型。
- LL Data PDU：该PDU用于发送链路层的数据。
当LLID为01b时，并且Length=0时，表示一个 Empty PDU。
当LLID为10b时，则Length不能设置为0。
- LL Control PDU：该PDU用于控制链路层的连接。
Opcode操作码也有多种：
每一种操作码对应不同的数据长度。详细可见
core5.0 P2589
7.3.4 CRC字段
CRC字段：在链路层包的最后，校验所有的PDU数据，大小长度为3Byte。
如果PDU数据加密，则CRC将会计算加密后的PDU数据。
CRC算法采用多项式求和的形式进行，感兴趣的可以了解。Core 5.0 P2601
7.4 总结
本篇主要讲了BLE的Link Layer，包括链路层定义的角色和状态，空中接口数据包的通信格式以及各个字段的含义，方便我们去分析LOG和定位问题。
