蓝牙学习一（简介）

1.简介

        蓝牙分为经典蓝牙（BT-Bluetooth）和低功耗蓝牙（BLE-Bluetooth Low Energy），本次主要学习BLE。

        BLE分了很多个版本，现在用的比较多的就是4.2和5.X。那4.2到5.0之间有哪些升级呢？首先，4.2版本传输速度只有1Mbps，广播包最大长度为31字节。而5.0版本开始，传输速度就已经增加到2Mbps了，并且广播包的最大长度也增加为254字节。除此之外，5.X版本还增加了Mesh的功能，且通讯距离也增加至300米以上。

2.架构

        蓝牙里把蓝牙协议的实现代码称为协议栈(protocol stack)，BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。        

        每个厂商提供的SDK中包含的BLE协议栈都会有些许不同。这里主要以Nordic和RTL两个厂商来进行分析。

        先看Nordic的架构

         再看RTL的架构

        乍一看两者的区别很大。但是再定睛一看，区别还是很大。开玩笑，其实两者区别不大，只要搞懂底层基础的概念，这些东西就都是纸老虎。

        先看Nordic的架构，从上图可以看到。一个完整的BLE程序被分为了三层，分别是应用层、主协议层和控制层。这些层中分别还包含了各自的内容。其中的术语，这里大概解释一下。

        PHY层（Physical layer-物理层）。PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做的好不好，直接决定了整了BLE芯片的功耗、灵敏度等射频指标。

        LL层（Link Layer-链路层）。LL层是整个协议栈的核心。也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个Link连接，就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信。怎么识别空中数据包。具体在哪个时间点把数据包发送出去。怎么保证数据的完整性。ACK如何接收。如何进行重发。以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发送出去或者接收回来，对数据进行怎样的解析则由GAP或ATT来负责。

        HCI（Host controller interface）。HCI是可选择的。HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通讯协议和通信命令等。

        GAP层（Generic access profile-通用访问配置文件）。GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式的一种，而且也是最简单的一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接。

        L2CAP层（logic link control and adaptation protocol-逻辑链路控制和适配协议）.L2CAP对LL进行了一次简单的封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

        SMP（Secure manager protocol-加密管理协议）。SMP用来管理BLE连接的加密和安全。如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。

        ATT（Attribute protocol-属性协议）。简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据。比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attrubute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

        GATT（Generic attribute profile-通用属性配置文件）。GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑。但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了Zigbee等无线协议的兼容性困境，成为了出货量最大的2.4G无线通信产品。

        ATT和GATT的关系就像车辆和交通规则一样。ATT就是车辆，而GATT就是规范车辆该如何行驶的交通规则。只有GATT存在的时候，多个ATT见面才知道该如何形式，到底是拐弯让直行还是坐车道超车。

        从上边的名字可以看到，主要分为protocol和profile。其中L2CAP、SMP、ATT属于protocol，而GAP和GATT属于profile。

        profile和protocol有什么区别呢? 在蓝牙核心规范（Bluetooth Core Specification）中，profile的定义不同于protocol的定义。Protocol被定义为各层协议。而Profile从使用蓝牙核心规范中各层协议的角度，定义蓝牙应用互操作性的实现。Profile定义Protocol中的可用特性和功能，以及蓝牙设备互操作性的实现，使蓝牙协议栈适用于各种场景的应用开发。

        在蓝牙核心规范中，Profile和Protocol的关联如下图

         

        Profile由红色矩形框表示，包括GAP、Profile#1、Profile#2和Profile#3。蓝牙核心规范中的Profile分为两种类型：GAP，途中红色矩形框所示的GAP；基于GATT的Profile，图中红色矩形框所示的Profile#123。

        可能初学者看完上述之后还是云里雾里的。没有关系，我们在后续的文章中，会对这些进行单独讲解，也会再重复提到。只要跟着走，后续这些问题都会弄清楚的。加油！