蓝牙的学习

A、BT和BLE概述

1、经典蓝牙（classic Bluetooth）和低功耗蓝牙（Bluetooth low energy，简称BLE或者LE）
2、蓝牙3.0规格书，经典蓝牙包括BR，EDR和HS(AMP)三种模式。
3、蓝牙技术联盟(SIG)，从蓝牙4.0之后，蓝牙才分经典蓝牙和低功耗蓝牙
4、在蓝牙4.0规格中，SIG定义了四种蓝牙controller技术：BR，EDR，AMP和LE，蓝牙4.0发布之初，SIG还特意将Bluetooth low engery对外宣传为Bluetooth smart，而“Bluetooth”继续用来指代经典蓝牙，Bluetooth smart ready则用来表示双模蓝牙
5、经典蓝牙和低功耗蓝牙两者物理层调制解调方式是不一样

B、蓝牙架构实现方案（蓝牙协议栈方案）

一般把整个蓝牙实现方案叫做蓝牙协议栈，蓝牙协议栈有哪些具体的架构方案？
架构1：host+controller双芯片标准架构
在蓝牙协议栈中，host是什么？controller是什么？HCI又是什么？
这个标准把蓝牙协议栈分成host和controller两部分，其中host跑在AP（大多数手机都含有两个处理器，操作系统，用户界面和应用程序都在Application Processor AP上执行，AP一般采用ARM的CPU；而手机射频通讯控制软件，则运行在另一个分开的CPU上，这个CPU称为Baseband Processor(BP/基带芯片)）上，controller跑在蓝牙模块上，两者之间通过HCI协议进行通信，而且host具体包含协议栈哪些部分，controller具体包含协议栈哪些部分，两者之间通信的HCI（host controller interface主机控制器接口）协议如何定义，这些在蓝牙核心规格中都有详细定义，因此我把它称为双芯片标准方案。
架构2：单芯片整体方案
手机周边设备功能简单，成本敏感，因此采用一颗芯片来实现整个蓝牙协议栈，即把蓝牙协议栈所有功能都放在一颗芯片上，host和controller都放在同一颗芯片上，host和controller之间直接通过API来交互，
架构3：自定义双芯片架构
还有一些蓝牙设备功能强大，它需要一颗功能非常强大的MCU来做主应用，而蓝牙SoC只是整个系统的一部分，这种情况下，大部分蓝牙协议栈功能或者整个蓝牙协议栈功能都是跑在蓝牙SoC中，而蓝牙应用则跑在主MCU中，主MCU和蓝牙SoC之间的通信协议由厂商自己定义，因此称为自定义双芯片架构方案。架构3里面有一种非常特殊的情况，即主MCU和蓝牙SoC之间采用了HCI接口进行通信

C、低功耗蓝牙（BLE）协议栈

BLE协议栈为什么要分层？怎么理解BLE“连接”？如果BLE协议只有ATT层没有GATT层会发生什么？
我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。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。BLE协议栈整体架构

如上图所示，需要一个支持BLE射频的芯片，还需要一个与此芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发应用。BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁，BLE协议栈主要用来对应用数据进行层层封包，生成一个满足BLE协议的空中数据包。BLE主要由以下几部分组成。
1、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层直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
2、LL层（Link Layer链路层）。LL层是整个BLE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，如何重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。
3、HCI(Host controller interface)是可选的，HCI主要用于2颗芯片(双芯片架构)实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。
4、GAP层（Generic access profile）。GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。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，扫描和发起连接等。
5、L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP对LL进行了一次简单封装，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。
6、SMP（Secure manager protocol）。SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，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。
7、ATT（Attribute protocol）。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。Attribute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。
8、GATT（Generic attribute profile ）。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，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。
举个栗子：设备A发给设备B设备电量为0x53
考虑：用哪个信道发送，发给谁。
调用send(0x53)，send(0x53)加信道频率调用send_LL(0x53,2402M)
广播方式-发送数据：
A叫advertiser(广播者)，设备B叫scanner或者observer(扫描者)
加扫描者的地址：send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)，因为B可以收很多设备的广播，加上设备A的地址确保收到设备A的广播。
加广播者的地址：send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6, 0xE1022AAB753B)
LL层还要检查数据的完整性，为此引入CRC24对数据包进行检验，假设是( 0xB2C78E)。同时为了调制解调电路更高效，每个数据需要加一个preamble前导帧，preamble一版是0x55或者0xAA，这样，整个空中包就变成（注：空中包用小端模式表示！）：AAD6BE898E3B75AB2A02E1538EC7B2
产生如下问题：
-没有对数据包进行分类组织，设备无法找到自己需要的数据0x53.为此access address再加上LL header和长度字节。LL header用来表示数据包的LL类型，长度字节用来指明payload的长度；
-设备B什么时候开启射频窗口以接收空中数据包？LL层还必须定义通信时序
-当设备B拿到数据0x53后，该如何解析这个数据呢？这个就是GAP层要做的工作，GAP层引入了LTV(Length-Type-Value)，eg:020105，02-长度，01-类型（表示广播flag，广播包必须包含该字段），05-值。由于广播包最大只能为31个字节，它能定义的数据类型有限，只能使用供应商自定义数据类型0xFF，即04FF590053，其中04表示长度，FF表示数据类型（自定义数据），0x0059是供应商ID（自定义数据中的强制字段），0x53就是我们的数据(设备双方约定0x53就是表示电量，而不是其他意思)。
最终空中包格式为：
AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
AA – 前导帧(preamble)
D6BE898E – 访问地址(access address)
60 – LL帧头字段(LL header)
0E – 有效数据包长度(payload length)
3B75AB2A02E1 – 广播者设备地址(advertiser address)
02010504FF590053 – 广播数据
8EC7B2 – CRC24值
有了PHY，LL和GAP，就可以发送广播包了，但广播包携带的信息极其有限，

而且还有如下几大限制：
无法进行一对一双向通信、由于不支持组包和拆包，故无法传输大数据、通信不可靠及效率低下，广播信道不能太多，否则将导致扫描端效率低下。为此，BLE只使用37(2402MHz) /38(2426MHz) /39(2480MHz)三个信道进行广播和扫描，因此广播不支持跳频。由于广播是一对多的，所以广播也无法支持ACK。这些都使广播通信变得不可靠。扫描端功耗高。由于扫描端不知道设备端何时广播，也不知道设备端选用哪个频道进行广播，扫描端只能拉长扫描窗口时间，并同时对37/38/39三个通道进行扫描，这样功耗就会比较高

而连接则可解决上面的问题。
连接方式-发送数据：
所谓设备A和设备B建立蓝牙连接，就是指设备A和设备B两者一对一“同步”成功，其具体包含以下几方面：
A和B对接下来要使用的物理信道达成一致
A和B双方建立一个共同的时间锚点,把双方的时间原点变成同一个点
A和B两者时钟同步成功,即双方都知道什么时候接收数据包发送数据包

连接成功后，我们把设备A称为Master或者Central，把设备B称为Slave或者Peripheral），设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔向设备B发送数据包，而设备B也周期性地以CI为间隔打开射频接收窗口以接收设备A的数据包。同时按照蓝牙spec要求，设备B收到设备A数据包150us后，设备B切换到发送状态，把自己的数据发给设备A；设备A则切换到接收状态，接收设备B发过来的数据。有计划地开和关，开的时间非常短，大大降低功耗并提高系统效率。
对开发者来说，很简单，他只需要调用send(0x53)
GATT层定义数据的类型和分组，方便起见，我们用0x0013表示电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（小端模式！）
ATT层用来选择具体的通信命令，比如读/写/notify/indicate等，这里选择notify命令0x1B，这样数据包变成了：1B130053
L2CAP用来指定connection interval（连接间隔），比如每10ms同步一次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表示ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包头，这样数据就变为：040004001B130053
LL层要做的工作很多，首先LL层需要指定用哪个物理信道进行传输（物理信道不体现在数据包中），然后再给此连接分配一个Access address（0x50655DAB）以标识此连接只为设备A和设备B直连服务，然后加上LL header(包类型)和payload length(包长度)字段，LL header标识此packet为date packet，而不是control packet等，payload length为整个L2CAP字段的长度，最后加上CRC24字段，以保证整个packet的数据完整性，所以数据包最后变成：
AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
AA – 前导帧(preamble)
0x50655DAB – 访问地址(access address)
1E – LL帧头字段(LL header)
08 – 有效数据包长度(payload length)
04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号
1B – notify command
0x0013 – 电量数据handle
0x53 – 真正要发送的电量数据
0xF650D5 – CRC24值
既满足了低功耗蓝牙通信的需求，又让API变得简单。
对很多开发者来说，他们也不关心BLE协议栈是如何实现的，他们更关心的是BLE协议栈的使用，即怎么开发一个BLE应用。

通信距离：路径损耗是指发射机天线到接收机天线的能量消耗，路径损耗与距离的关系：
Pathloss = 40 + 25log(d)
路径损耗 距离
50dB 2.5m
如果发射功率为-20dBm，接收机灵敏度为-70dBm，则允许的路径损耗为50dBm，对应于2.5m的通信距离。

D、蓝牙协议1

蓝牙4.1，是一个大杂烩：BR/EDR沿用旧的蓝牙规范；LE抄袭802.15.4；AMP直接使用802.11。而这一切的目的，就是以兼容性和易用性为基础，在功耗和传输速率之间左右为难。
蓝牙协议包括两种技术：经典蓝牙和低功耗蓝牙(都有搜索管理，连接管理等机制)，因此在硬件模组上又有单模蓝牙和双模蓝牙。
经典蓝牙：BR技术 、EDR技术 、AMP技术
诞生初使用的是BR技术，理论传输速率：721.2Kbps。科技变化，缝缝补补Enhanced Data Rate出现。理论传输速率：2.1Mbps。科技变化，借用WIFI的物理层和MAC层，也就是AMP(Alternate MAC and PHY layer extension),理论传输速率:54Mbps.不过由于物理层和AMP技术差异太明显，这次扩展只能是Alternate交替使用的，也就是说，有(BR/EDR)无(AMP)。
低功耗蓝牙：LE技术
经典蓝牙技术进化路线，速度越来越快，功耗也越来越大。有些场景关注功耗，这就是低功耗蓝牙产生的背景。
蓝牙技术系统的组成：
Bluetooth Application
Host
Bluetooth Core
Primary Multiple Secondary
Controller Controller
特点：
蓝牙协议规定了两个层次协议，分别为蓝牙核心协议(Bluetooth Core)和蓝牙应用层协议(Bluetooth Application)。蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范，它只提供基础的机制，并不关心如何使用这些机制；蓝牙应用层协议，是在蓝牙核心协议的基础上，根据具体的应用需求，百花齐放，定义出各种各样的策略，如FTP、文件传输、局域网等等。
在一个系统中，Host只有一个，但Controller可以一个，也可以有多个。如：单独的LE Controller；单独的BR/EDR Controller；单独的LE+BR/EDR Controller；在单独的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基础上，增加一个或多个额外的AMP Controller。

该图片是对Bluetooth Core的一个Overview，从RF的Physical Channel，到Baseband的Physical Link、Logical Link、LMP、L2CAP等概念，都有一些粗略的介绍。由该图片可以看出，BR/EDR、AMP、BLE等技术有如下的特点：
BR/EDR技术，过于侧重“点对点”通信，以至于虽然在协议的底层（如Logical Link）有提及多播（Unidirectional）和广播（Broadcast）的概念，但在上层的应用场景中，几乎不存在（也不可能存在）相应的应用。2）但随着物联网的发展，业界对简单的、不需要连接的多播或广播通信的需求越来越迫切，因此BLE技术在RF和Baseband的协议中，就做出了修改，以适应这种需求，即：修改原有的79个channel的跳频方式，将channel的个数减少为40个，并保留了不少于3个的固定channel，用于广播通信。为仅仅在剩下的37个data channel上跳频。3）正因为这种改变，原有的搜索/连接/配对等概念，在BLE上就不再存在了，取而代之的是Advertisor、Initiator等概念。但在之后的数据通信的层次上，尽量保持了一致。4）对于AMP来说，是基于BR/EDR的controller，在完成通常的点对点连接之后，两个蓝牙设备商议，是否需要将后续的数据通信，转移至AMP controller上。这就是Bluetooth 3.0引入的AMP技术。
因此BLE技术在RF和Baseband的协议中，就做出了修改，以适应这种需求，即：修改原有的79个channel的跳频方式，将channel的个数减少为40个，并保留了不少于3个的固定channel，用于广播通信。为仅仅在剩下的37个data channel上跳频。

F、蓝牙协议分析2—协议架构

架构：
从下层到上层，通过层层封装，每一层只需要关系特定的、独立的功能下层给上层提供服务，上层是下层的用户。
1 APP Layer Profiles
2 L2CAP Layer l2cap channels
3 Logical Logical Links
Layer Logical Transports
4 Physical Physical Links
Layer Physical Channel
蓝牙协议分为四个层次：物理层(Physical Layer)、逻辑层（Logical Layer）、L2CAP Layer和应用层（APP Layer）。
物理层：负责提供数据传输的物理通道(通常称为信道).通常情况下，一个通信系统中存在几种不同类型的信道，如控制信道、数据信道、语言信道等。
逻辑层：物理层基础上，提供两个或者多个设备之间、和物理无关的逻辑传输通道/逻辑链路。
L2CAP层：L2CAP是逻辑链路控制和适配协议的缩写，负责管理逻辑层提供的逻辑链路。基于该协议，不同Application可共享同一个逻辑链路。类似TCP/IP中端口（port）的概念。
APP层,理解蓝牙协议中的应用层，基于L2CAP提供的信道，实现应用功能。Profile是蓝牙协议的特有概念，为实现不同平台下不同设备互联互通，蓝牙协议不仅规定了核心规范，也为各种不同应用场景，定义各种Application规范，这些应用层规范称为蓝牙Profile.
以上四层中，蓝牙协议又将物理层和逻辑层分为了两个子层。
http://www.wowotech.net/bluetooth/bt_protocol_arch.html

G、低功耗蓝牙链路层数据包

链路层定义了两个设备如何利用无线电进行传输信息。包含报文广播信道的定义，也规定了发现其它设备的流程、广播的数据、连接的建立、连接的管理以及连接中的数据传输。
报文的基本结构适用于所有的报文，无论用途是什么。报文一开头是一小段训练序列，称为前导，占一个字节。之后是接入地址，接收机用它将报文和背景区分开来。接入地址之后是报头和长度字节。再之后是报文的净荷，以及用于确保净荷正确性的循环冗余校验码（CRC）。
低功耗蓝牙规范中，有两类报文：广播报文和数据报文。设备利用广播报文发现、连接其他设备。一旦连接建立之后，则开始使用数据报文。是广播报文还是数据报文由其传输所在的信道决定。
报文的内容就像个洋葱，一层套一层。最外层是通用的：前导（Preamble）、接入地址(Access Address)。而在接入地址与CRC之间的内容就是根据是广播报文还是数据报文来确定的。

H、低功耗蓝牙主机：属性、服务、特性和行为

服务是一种或多种的组合，特性则由一种或多种属性组成。
BLE对于服务上的概念来源于“面向对象编程(OOP)” 类 对象 属性 方法 继承 接口
BLE广播通信相关的技术分析
使用场景：
1、单一方向、无连接数据通信，数据发送者在广播信道上广播数据，数据接受者扫描、接收数据。
2、连接的建立
在BLE协议中，和广播通信相关的协议层次
GAP-----> HCI -----> LL
LL 最底层，负责广播通信有关功能定义和实现，包括物理通道选择、相关链路状态定义、PDU定义、设备过滤机制的实现。
HCI负责将LL提供的所有功能，以Command/Event形式抽象，供Host使用。
GAP负责从应用程序角度，抽象并封装LL提供的功能，以便让应用以傻瓜方式广播通信。我们也可以在没GAP参与情况下，进行广播通信。
PDU的定义
根据应用场景不同，不同状态的BLE设备，可发送不同类型PDU（Packet Data Unit）。
广播通信中，传输PDU如下格式：
Header（16bits） Payload (长度由Header中Length字段决定)
Header格式如下：
PDU Type(4bits) RFU(2bits) TxAdd(1bits) RxAdd(1bits) Length(6bits) RFU(2bits)
PDU类型
Advertising ADV_IND 可被连接，可被扫描
ADV_DIRECT_IND 可被指定设备连接，不可被扫描
ADV_NONCONN_IND 不可被连接，不可被扫描
ADV_SCAN_IND 不可被连接，可以被扫描
Scanning SCAN_REQ 接收到ADV_IND或者ADV_SCAN_IND类型广播数据，请发
SCAN_RSP 广播者收到SCAN_REQ请求，通过该PDU响应，把更多数传输
Initiating CONNECT_REQ 接收到ADV_IND或者ADV_DIRECT_IND类型广播，请连接
Advertising状态
RF Channel RF Center Frequency Advertising Channel Index
0 2402MHz 37
12 2426MHz 38
39 2480MHz 39
Advertising Event定义
Advertising Event是在所有被使用的物理Channel上，发送的Advertising PDU的组合。
Advertising Event Type
根据应用场景不同，BLE协议规定了不同类型的Advertising Event，包括四种组合
Connectable undirected event
Connectable Directed Event (包括Low Duty Cycle和High Duty Cycle);
Scannable Undirected Event
Non-connectable Undirected Event
Advertising 周期的设定
周期的设定关系到系统的功耗 和 通信的效率
Advertising周期主要由advInterval\advDelay两个参数决定

Scanning状态
Scanning状态扫描、接收广播数据的状态，该状态的扫描行为由scanWindow和scanInterval两个参数决定。
scanWindow是指一次扫描的时间（可理解为RF RX打开的时间），scaninterval指示两次扫描之间的间隔。如果这两个参数的值相同，表示连续不断的扫描。BLE协议规定，scanwindow和scanintercal最大不能超过10.24s,并且scanwindow不能大于scaninterval。
Passive Scanning和Active Scanning
Passive scanning这种扫描模式下，BLE设备只听不问，只接收ADV_DIRECT_IND\ADV_IND\ADV_SCAN_IND\ADV_NONCONN_IND等类型PDU，并不发送SCAN_REQ。
而Active Scanning，不只认真听，还勤于发问（SCAN_REQ），并接收后续SCAN_RSP。
最终结果，就是把接收到的数据（包括Advertiser地址、advertiser数据等）反馈给HOST。