从BLE协议上分析速度

Bluetooth.png

Ble Packet

工具：WireShark、PacketLogger、Ellisys

设备： Apple Watch 、 OPPLE Enco Free2、 vivo WATCH2、HUAWEI-Watch2、vivo TWS 2e等

在数据通过BLE传输时，数据是以包(packet)的方式收发的，多个包可以在一个连接间隔内发送出去，每个包大小并不一定一样，但包有最大限制，因此又需要引入一个PDU(protocoldata unit)的概念。

最大PDU表示在一个连接间隔中能发送的最大数据能力。不同BLE协议栈中或者不同的芯片支持的值是不同的，例如下图芯片 的是BES2500YP俯视图。https://bbs.16rd.com/thread-579490-1-1.html

[图片上传失败...(image-cd9cf7-1657542297519)]

而BES恒玄型号BES2500BP，在小米watch Color2、华为Watch GT3/Runner、vivo WATCH2 上已使用，集显示、存储、音频、连接为一体；支持BT5.2双模蓝牙，可支持BLE数据传输、蓝牙通话和音乐播放功能；

BLE 包结构如下：

Preamble	Access Address	PDU	CRC
（1 Byte）	（4 Bytes）	x	（3 Bytes）

preamble（前导帧）为1个字节，根据Access Address第一个Bit，有两种取值情况：0x55或者0xAA（纯PHY层行为），如下所示：

Access Address用来标示接收者ID或者空中包身份，如前所示，BLE只有一种packet格式，根据Access Address的不同，又区分两种Packet类型：广播包和数据包：

广播包Access Address 固定为0x8E89BED6，广播包只能在广播信道（channel）上传输，即只能在37/38/39信道上传输（注：从蓝牙5.0开始广播包可以在其它信道上传输）。广播包发送给附近所有的observer（扫描者），属于一对多关系。

数据包Access Address 为一个32bit的随机值，由Initiator生成。数据包，其实是数据信道上的空中包的简称，数据包只在数据信道上传输，即除37/38/39之外的其余37信道（BLE总共占用40个信道）。每建立一次连接，重新生成一次Access address。数据包是给连接通信使用的，即用于master和slave之间通信。

CRC为24bit. 顾名思义，这里是数据完整性校验。

蓝牙协议栈

蓝牙功能结构.png

蓝牙协议层次.png

手机发送一段write without repsonse的packet数据流向：

ATT(HOST) -> L2CAP -> HCI(ACL/Conmand/Event/SCO) -> LL-> PHY

HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层

LL（link layer）：BLE的链路层

PHY：BLE的物理层

ATT.png

L2CAP

逻辑链路控制与适配协议通常简称为L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol），它向上连接应用层，向下连接控制器层，发挥主机与控制器之间的适配器的作用，使上层应用操作无需关心控制器的数据处理细节。

经典蓝牙的L2CAP层比较复杂，它实现了如下多个功能操作，使得主机能够支持LE和BR/EDR不同的控制器，实现音频数据流传输等高级功能。

- 协议/信道多路复用

- 片段和重组(Segmentation and reassembly)

- 分段和重组 (Fragmentation and Recombination)

- 每个 L2CAP 通道的流量控制(Flow control per L2CAP channel)

- 错误控制和重传(Error control and retransmissions)

- 支持流媒体(Support for Streaming)

- 服务质量

BLE的L2CAP层是经典蓝牙L2CAP层的简化版本，它在基础模式下，不执行分段和重组，不涉及流程控制和重传机制，仅使用固定信道进行通信，在LE令牌流程控制模式下，实现了流程控制，执行数据分段和重组，使用动态信道进行通信。

L2CAP.png

L2CAP层包括两个功能模块：资源管理器和信道管理器。

L2CAP层向下连接控制器的HCI接口，向上对应用层暴露数据收发接口。

应用层发送给L2CAP层的数据称为SDU（Service Data Unit），SDU可能是属性协议层的读写数据，也可能是链接配置命令，也可能是配对绑定数据。

SDU在资源管理器中添加L2CAP协议头信息，封装成L2CAP数据包，简称PDU（Protocol Data Unit）。PDU的Payload字段就包含了SDU或SDU的一部分。

通常HCI接口无法发送较长数据包，需要对PDU进行分解（Fragmentation），变成数据碎片（Fragment）再依次发送到控制器。PDU总是包含完整的L2CAP协议头，而数据碎片则不是完整的L2CAP数据包。

PDU（protocol data unit，协议数据单元）结构如下：

LL Header	Payload（MTU）	MIC
（2 Bytes）	（7+x）	（4 Bytes）

对于profile层的characteristic，其最大的长度是x字节。为什么是x呢？ 看下面

Payload：BLE底层的协议包格式，一般我们认为这里的Payload属于有效的数据，其类似PDU，也有自己的协议包格式。如下：

蓝牙协议层的MTU = L2CAP（4个Bytes）+ATT头（3个Bytes）+ ATT Data(业务数据)， ATT_MTU = ATT头+ATT Data， 这里和硬件侧的沟通需要注意的点， 硬件开发同事说的MUT 往往是蓝牙协议层的， 而我们业务开发，通过API获取到的MTU值，是仅ATT Data，所以沟通上要特别留意。

所以一个包，在业务侧实际可被使用的最大MTU是要减去协议开销-7个byte。

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol，即逻辑链路控制和适配协议），在BLE中 GAP,GATT,SMP 都使用L2CAP 通道将命令及数据打包送到链路层（Link Layer)。

L2CAP层有多种工作模式：

工作模式	适用范围
基础L2CAP模式	Classic, LE
流程控制模式	Classic
重传模式	Classic
增强型重传模式	Classic
数据流模式	Classic
LE令牌流程控制模式	LE

基础模式为默认工作模式，L2CAP层不执行流程控制，对数据不执行分段和重组操作，其他五种模式均使用了流程控制或重传机制，需要执行分段和重组操作。

在L2CAP层配置阶段，会设置参数是否使用流程控制和重传机制，如果不使用则使用基础模式，否则按参数配置情况使用其他模式。

B-Frame：B帧(Basic information frame)是用于 L2CAP 数据包的基本 L2CAP 模式中的 PDU。 它包含一个完整的 SDU 作为其有效载荷，由基本 L2CAP 标头封装。格式如下：

B-Frame.png

Length： 2个字节 ，Information payload的长度

Channel ID( CID): 2字节长度，对端的目的信道，BLE使用固定的通道编号，可见右表：

Information payload： 有效的数据，小端序，范围（0-65535 字节）,但实际上受限于ATT_MTU, 如蓝牙协议5.0中备注了，ATT_MTU最大为255个字节。

信道标识符	描述	是否支持BLE
0x0000	Null identityer(保留：不能使用)
0x0001	L2CAP Signaling Channel(经典蓝牙信令信道)
0x0002	Connectionless Channel(无连接信道)
0x0003	AMP Manager Protocol(AMP管理协议)
0x0004	Attitude Protocol(ATT协议)	BLE，固定信道
0x0005	LE L2CAP Signaling Channel (BLE信令信道)	BLE，固定信道
0x0006	Security Manager Protocol (安全管理协议)	BLE，固定信道
0x0007 ~ 0x001F	reserve (保留)
0x0020 ~ 0x003E	reserve (保留)	BLE，固定信道
0x003F	AMP Manager Test Protocol (AMP测试协议)
0x0040 ~ 0x007F	Connection-oriented Channel (面向连接信道)	BLE，动态信道
0x007F ~ 0xFFFF	Connection-oriented Channel (面向连接信道)

常规信道中，低功耗蓝牙一共使用了三条信道，0x0004、0x0005、0x0006。

分段与重组

PDU 的 分段与重组

分段是将 PDU 拆成更小的部分，以便从 L2CAP 传递到较低层。重组是从较低层传递的片段重新组装 PDU 的过程。分段和重组可以应用于任何 L2CAP PDU。

分段

L2CAP实现可以对任何L2CAP PDU进行分片，以便将其发送到较低层。如果L2CAP在没有HCI的情况下直接在Controller上运行，那么一个执行方发是将PDU分割成多个Controller数据包，以便通过空气进行传输。如果L2CAP运行在HCI之上，那么一个执行方法会向控制器发送HCI传输大小的片段。与一个L2CAP PDU相关联的所有L2CAP分片，在处理任何其他进行相同逻辑传输的L2CAP PDU之前，都应由控制器处理以进行传输。

BR/EDR链路控制器能够通过使用“开始”和“延续”指示在片段被转换成基带数据包时对PDU施加不同的片段。因此，L2CAP和BR/EDR Link Controller都使用相同的机制来控制分片的大小。

image-20220613113751731.png

重组

控制器将尝试按顺序传递数据包，并且不会出错。片段的重组可能发生在控制器中，但最终由 L2CAP 负责重组 PDU 和 SDU 并检查 SDU 的长度字段。当控制器接收到数据包片段时，它会在每个片段到达时向 L2CAP 层发送信号，或者在将数据包传递到 L2CAP 层之前累积多个片段（在接收缓冲区填满或计时器到期之前）。 L2CAP 应使用 L2CAP PDU 报头中的长度字段，作为一致性检查，并应丢弃任何未能匹配长度字段的 L2CAP PDU。

image-20220613113841108.png

例子

下面看来之网上的两个例子。

1. 如果BLE4.0，ATT_MTU最后client和server协商出来结果是23，那么发送20字节（ATT_payload）不需要拆包：

1字节前导码 + 4字节访问地址 + 2字节链路帧头（其中LLID = 10b，表示一个没有fragmentation的完整包） + 4字节L2CAP帧头 + 3字节ATT帧头 + 20字节的ATT_payload + 3字节CRC

2. 如果BLE4.0，ATT_MTU最后client和server协商出来假设是63，那么你发送60字节数据（ATT_payload），L2CAP会将它拆成3包（拆包的原因是因为BLE4.0链路层PDU的限制），最终从空中发出去的包长这样：

1）1字节前导码 + 4字节访问地址 + 2字节链路帧头（其中LLID = 10b，表示这是第一个连续包） + 4字节L2CAP帧头 + 3字节ATT帧头 + 20字节的ATT_payload + 3字节CRC

2）1字节前导码 + 4字节访问地址 + 2字节链路帧头（其中LLID = 01b，表示这是下一包连续包） + 27字节的ATT_payload + 3字节CRC

3）1字节前导码 + 4字节访问地址 + 2字节链路帧头（其中LLID = 01b，表示这是最后一个连续包） + 13字节的ATT_payload + 3字节CRC

上面10b、01b中的“b”表示二进制格式，中间的包和最后的包的LLID都是01b，对方怎么知道什么时候收完包呢？靠的是第一包的4字节L2CAP帧头，这里面会说明后面一共有多少数据待接收。

ATT

ATT 协议就在PDU的 Information payload里.

OptionCode	Handle	ATT Data
（1 Byte）	（2 Bytes）

ATT Commond格式如下：

属性	Size (octets)	描述
Attribute Opcode	1	0x52 = ATT_WRITE_CMD PDU
Attribute Handle	2	The handle of the attribute to be set
Attribute Value	0 to (ATT_MTU-3)	The value of be written to the attri- bute

Attribute handle，Attribute句柄，16-bit长度。Client要访问Server的Attribute，都是通过这个句柄来访问的，也就是说ATT PDU一般都包含handle的值。用户在软件代码添加characteristic的时候，系统会自动按顺序地为相关attribute生成句柄。

image-20220613114642431.png

在ATT中，比较重要的一个环节 MTU Exchange。

MTU 交换 是为了在主从双方设置一个PDU中最大能够交换的数据量， 通过MTU的交换和双方确认（注意这个MTU是不可以协商的，只是通知对方，双方在知道对方的极限后会选择一个较小的值作为以后的MTU，比如说，主设备发出一个150个字节的MTU请求，但是从设备回应MTU是23字节，那么今后双方要以较小的值23字节作为以后的MTU），主从双方约定每次在做数据传输时不超过这个最大数据单元。 如下图的交换：

image-20220613115045099.png

下面看一段vivo TWS 2e 耳机在连接过程中 MTU交换过程：

image-20220613115115530.png

image-20220613115120301.png

连接之后，host可以向controller发起mtu exchange procedure，即host告诉controller自己的最大接收能力ATT_MTU（client’s local att protocol channel MTU），controller也会告诉client自己的最大接收能力ATT_MTU（server’s local att protocol channel MTU），最后取两者的最小值为这条通道的ATT_MTU（actual att protocol channel MTU）。

PHY LAYER

作为软件开发者，对这物理层，基本都不会关心，或者说也不用太小，只需了解理论知识。

蓝牙工作频道：免许可的2.4GHz

范围： 2400MHz - 2483.5MHz，频段宽度为83.5MHz， BLE将这83.5MHz的宽度分成了0到39共40个通道，每一个通道宽度为2MHz。f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39

调制方式：BLE规范目前定义了两种调制速率1Mbit/s和2Mbps，BLE 5.0理论上最高可以支持到2Mbps

[图片上传失败...(image-2c9ced-1657542297519)]

上图为1M PHY和2M PHY在2404频点发送数据0b1010的对比图。

BLE的调制方式为GFSK，BLE定义在信道中传输的是二进制符号（波形），即1个符号（波形）表示1个比特，其中相对频点正偏代表数字基带信号1，相对频点负偏的代表数字基带信号0。

之所以速率提高了，本质应该是2M PHY的码长变小了，即发送一个符号（波形）所需的时间变小了。

可以看出：2M PHY的比特率是1M PHY的两倍，即2M PHY传输完0b1010的时间是1M PHY的一半

其中广播通道为37/38/39，对应的中心频率分别为2402MHz、2426MHz、2480MHz。BLE在广播的时候会轮流使用这3个通道进行广播。

蓝牙协议层，影响ble速度的相关点，上面都有涉及到了。

BLE 传输原理

image-20220613142356723.png

从上图看出BLE链路层传输速率的快慢主要由以下因素决定：

1. Connection Interval 的大小；
2. 每个 Connection Event 可以发送多少个 Link Layer Packet；
3. 每个 Link Layer Packet 可以负载多少用户数据；
4. 相邻 Link Layer Packet之间的时间间隔T_IFS（帧间空间 150μs）。

一旦BLE设备建立连接后，两个设备会以相等的时间间隔交换数据，这个间隔成为连接间隔（Connection Interval），间隔范围是7.5ms-4s。

其中iPhone最小间隔是11.25ms(带HID)，Android最小间隔是7.5ms，Android一个间隔最多传6包，iOS最多传4包，这个就是我们再空中抓包时看到的现象。

下图是iPhone手机上，不同应用上，Ellisys抓的两端空中包数据截图：

image-20220613144616217.png

image-20220613144619649.png

很明显，第二段的数据包非常漂亮。

总结：

不考虑以下的一些客观因素：

1. 射频环境, 如果主从设备之间的环境不好，蓝牙交互肯定会受影响，比如丢包了，Link layer层会尝试丢包重发，这样就会出现一个LL Packet发送多遍。
2. CPU任务时的响应速度。
3. 多链路复用场景，多个链路分时复用radio，吞吐量会被降低，治理只考虑单链路情况。

看下图：

image-20220613144716586.png

• 用write without response而不要用write characteristic value
• ATT_MTU尽可能大（这样可以减少L2CAP的帧头数量，通过Fragmentation来尽可能占据带宽，提高吞吐量）
• 减少连接间隔（connection interval），增大连接事件（connection event）
• 启用数据包扩展特性（link layer packet）
• 启用2M PHY特性（BLE5.0可选特性）

附录：

名词	描述
Basic L2CAP header	Minimum L2CAP protocol information that is present in the beginning of each PDU: a length field and a field containing the Channel Identi- fier (CID).
CID	Channel Identifiers, L2CAP通道ID
SDU	来自上层的数据，不包含任何L2CAP层协议字段
Segment or SDU segment	SDU 的一部分，由分割过程产生。 一个 SDU 可以分成一个或多个段
PDU or L2CAP PDU	(协议数据单元)Protocol Data Unit，协议数据单元：包含 L2CAP 协议信息字段、控制信息和/或上层信息数据的数据包。PDU 总是由基本 L2CAP 报头开始。 PDU 的类型有：B 帧、I 帧、S 帧、C 帧、G 帧和 LE 帧。
B-frame	B帧(Basic information frame)是用于 L2CAP 数据包的基本 L2CAP 模式中的 PDU。 它包含一个完整的 SDU 作为其有效载荷，由基本 L2CAP 标头封装。
I-frame	I帧(Information frame),I 帧是在增强重传模式、流模式、重传模式和流控制模式中使用的 PDU。 它包含一个 SDU 段和附加协议信息，由基本 L2CAP 头封装
S-frame	S帧(Supervisory frame), S 帧是在增强重传模式、重传模式和流控制模式中使用的 PDU。 它仅包含协议信息，由基本 L2CAP 头封装，不包含 SDU 数据。
C-frame	C帧(Control frame), C 帧是包含在两端 L2CAP 实体之间交换L2CAP 信令消息的 PDU。 C 帧专门用于 L2CAP 信令信道。
G-frame	G帧(Group frame), G 帧是专用于无连接 L2CAP 通道的 PDU。 它由基本 L2CAP 报头封装，包含 PSM，后跟完整的 SDU。 G 帧可用于通过 Active Broadcast 向活动从设备广播数据或将单播数据发送到单个远程设备
K-frame	K 帧是在基于 LE 的流量控制模式中使用的 PDU。 它包含一个 SDU 段和附加协议信息，由基本 L2CAP 报头封装。
Fragment	片段是PDU 的一部分，由分片操作产生。 片段仅用于与底层之间的数据传递。 它们不用于点对点传输。 片段可以是关于 L2CAP PDU 的开始或继续片段。 一个片段不包含PDU以外的任何协议信息； 起始片段和延续片段的区别是由底层协议规定来传输的。
Fragmentation	将L2CAP pdu拆分成更小的部分的过程，称为fragments，适合于传送到较低的传输层。尽管在L2CAP层中进行了描述，但碎片实际上可能发生在HCI主机驱动程序中，和/或控制器中，以适应L2CAP PDU传输到HCI数据包或控制器数据包的大小。pdu分片可以应用于所有L2CAP模式。
Recombination	与fragmentation相对应的反向过程，从碎片中重新建立一个L2CAP PDU。在接收路径中，全部或部分重组操作可能发生在控制器和/或主机上，重组的位置不一定对应于发送端发生分片的位置。
MTU	最大传输单元(Maximum Transmission Unit), 上层能够接受的有效载荷数据的最大大小（以字节单位），即 MTU 对应于最大 SDU 大小。
MPS	L2CAP可接受最大的payload大小(Maximum PDU payload Size)，对应于MTU，在没有分段的情况下，或在基本 L2CAP 模式下，最大传输单元与最大 PDU 有效载荷大小相同，两个配置参数应设置为相同的值。
MTU(sig)	L2CAP信令MTU大小

参考：

http://jdhblog.com/2020/01/02/%E6%B5%85%E8%B0%88BLE%E5%90%9E%E5%90%90%E9%87%8F/#33-att_mtu%E7%9A%84%E5%AE%9A%E4%B9%89