蓝牙mesh协议栈

蓝牙mesh协议栈

协议栈：

那么协议栈是什么呢？协议栈是指网络中各层协议的总和,其形象的反映了一个网络中文件传输的过程:由上层协议到底层协议,再由底层协议到上层协议.

使用最广泛的是英特网协议栈,由上到下的协议分别是:应用层（HTTP,TELNET,DNS,EMAIL等）,运输层（TCP,UDP）,网络层（IP）,链路层（WI-FI,以太网,令牌环,FDDI等）,物理层.–奇怪的网站

协议栈（英语：Protocol stack），又称协议堆叠，是计算机网络协议套件的一个具体的软件实现。协议套件中的一个协议通常是只为一个目的而设计的，这样可以使得设计更容易。因为每个协议模块通常都要和上下两个其他协议模块通信，它们通常可以想象成是协议栈中的层。最低级的协议总是描述与硬件的物理交互。–百度百科

• 了解比较经典的网络协议：TCP/IP 协议 ，因特网协议

分为两部分

从蓝牙mesh的网络拓扑中得知，一个蓝牙mesh设备分为配网前和配网后，配网前我们称为未配网设备，配网后成为已配网设备（手动狗头 ，事实上大家都称他为节点（node).

从未配网到节点这个过程我们成为配网流程，配网流程使用的是一套mesh协议栈，称作配网协议。

​ 上图是配网协议的结构图

图中显而易见结构被分为3层。

首先最底下的是承载层（bearer)
承载层定义网络消息如何在节点之间传输。定义了两种承担者，广告承担者和关贸总协定承担者。将来可能会定义更多的承担者。
基本是以BLE广播、GATT连接实现的数据交互

GATT：

GATT 的全名是 Generic Attribute Profile（姑且翻译成：普通属性协议）。

BLE技术是基于GATT进行通信的，GATT是一种属性传输协议，简单的讲可以认为是一种属性传输的应用层协议。
GATT 是一个在蓝牙连接之上的发送和接收很短的数据段的通用规范，这些很短的数据段被称为属性（Attribute）。

详细介绍 GATT 之前，需要了解 GAP（Generic Access Profile），它在用来控制设备连接和广播。GAP 使你的设备被其他设备可见，并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。例如 Beacon （信标）设备就只是向外广播，不支持连接，小米手环等设备就可以与中心设备连接。

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GAP：

1. 设备角色
   GAP 给设备定义了若干角色，其中主要的两个是：外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。

· 外围设备：这一般就是非常小或者简单的低功耗设备，用来提供数据，并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。

· 中心设备：中心设备相对比较强大，用来连接其他外围设备。例如手机等。

2. 广播数据
   在 GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据： Advertising Data Payload（广播数据）和 Scan Response Data Payload（扫描回复），每种数据最长可以包含 31 byte。这里广播数据是必需的，因为外设必需不停的向外广播，让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的，中心设备可以向外设请求扫描回复，这里包含一些设备额外的信息，例如设备的名字。

• GAP广播数据格式
• [ ]

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它定义两个 BLE 设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信。GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）协议，ATT 协议把 Service, Characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中，次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。

• ATT协议

GATT 连接，必需先经过 GAP 协议。蓝牙芯片发起连接，总是先扫描设备，扫描到了才会发起连接。我们在 Android 开发中，可以直接使用设备的 MAC 地址，发起连接，可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 GAP。

GATT 连接是独占的、私有的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接，它就会马上停止广播。

一个外设只能连接一个中心设备，而一个中心设备可以连接多个外设。GAP 通信是单向的。如果你要让两个设备外设能通信，就只能通过中心设备中转。

GATT 通信事务

GATT的通信模型

一、GATT 通信的双方是 C/S 关系。外设作为 GATT 服务端（Server），它维持了 ATT 的查找表以及 service 和 characteristic 的定义。中心设备是 GATT 客户端（Client），它向 Server 发起请求。需要注意的是，所有的通信事件，都是由客户端（也叫主设备，Master）发起，并且接收服务端（也叫从设备，Slave）的响应。

一旦连接建立，外设将会给中心设备建议一个连接间隔（Connection Interval）,这样，中心设备就会在每个连接间隔尝试去重新连接，检查是否有新的数据。但是，这个连接间隔只是一个建议，你的中心设备可能并不会严格按照这个间隔来执行，例如你的中心设备正在忙于连接其他的外设，或者中心设备资源太忙。
二、
GATT C/S
对GATT有了初步的了解，我们知道GATT是一种典型的C/S模式，既然是C/S那么我们就有必要对Server和client进行区分。

** GATT server ** vs. ** GATT client **。这两种角色存在的阶段则是建立连接之后，根据对话地位的不同进行区分的，很容易理解的是，保有数据的那一方我们称之为GATT server，访问数据的那一方我们称之为GATT client。

这和我们之前提到的设备角色是不同层面的概念，有必要加以区分，我们还是用一个简单的例子进行说明：

以手机和手表的例子来进行说明，手机和手机建立连接之前，我们都是用手机的蓝牙搜索功能去搜索手表的蓝牙设备，这个过程中很明显手表在进行BLE广播以便其他设备知道自己的存在，它在这个过程中就是peripheral的角色，而手机负责扫描的任务，自然扮演的就是Center了；两者建立了GATT连接后，当手机需要从手表中读取步数等传感器数据时，两者交互的数据是保存在手表中的，因此此时手表就是GATT server的角色，自然手机就作为GATT client；而当手表想要从手机读取短信电话等信息室，数据的保有者又变成了手机，所以此时手机就是server ，而手表则是client。

GATT 结构

GATT 事务是建立在嵌套的Profiles, Services 和 Characteristics之上的。

profiles可以看作是services的集合 而Services又是Characteristics的逻辑集合

Characteristic是最小的数据逻辑单元，value、descriptor中存储数据的解析由Server的工程师决定，并无规范，双发按照约定开发。

第二张图可能没那么准确（缺少了profiles），但又补充了value、Descriptor的概念

每个GATT由完成不同功能的Service组成；
每个Service由不同的Characteristic组成；
每个Characteristic由一个value和一个或者多个Descriptor组成；
Service、Characteristic相当于标签（Service相当于他的类别，Characteristic相当于它的名字），而value才真正的包含数据，Descriptor是对这个value进行的说明和描述，当然我们可以从不同角度来描述和说明，因此可以有多个Descriptor.

Service/Characteristic均有一个唯一的UUID标识，UUID既有16位的也有128位的，我们需要了解的是16位的UUID是经过蓝牙组织认证的，是需要购买的，当然也有一些通用的16位UUID。

下面我们来举一个简单的例子进行说明：

常见的小米手环是一个BLE设备，（假设）它包含三个Service,分别是提供设备信息的Service、提供步数的Service、检测心率的Service;
而设备信息的service中包含的characteristic包括厂商信息、硬件信息、版本信息等；而心率Service则包括心率characteristic等，而心率characteristic中的value则真正的包含心率的数据，而descriptor则是对该value的描述说明，比如value的单位啊，描述啊，权限啊等。

实际上，和 BLE 外设打交道，主要是通过 Characteristic。你可以从 Characteristic 读取数据，也可以往 Characteristic 写数据。这样就实现了双向的通信。所以你可以自己实现一个类似串口（UART）的 Sevice，这个 Service 中包含两个 Characteristic，一个被配置只读的通道（RX），另一个配置为只写的通道（TX）。

有很多官方（指蓝牙SIG）的Profiles, Services 和 Characteristics，当然这些也能自创。

0223总结：
蓝牙mesh网的协议栈的学习内容很多，涉及很多专业名词
目前已经将mesh协议栈的第一部分：配网协议中的承载层的相关信息收集完毕。
学习了GATT连接的拓扑、通信模型、结构，还有一些特性。
以上文章在理解的基础上做各个参考文章的摘抄，概念很多，逻辑不算分层很明确和条理清晰
需要后期翻看、熟悉概念以及相关逻辑。

• 后期翻看、熟悉概念以及相关逻辑

下一次的学习计划：、

• 不要纠结于配网协议的每一层，简略了解传输层和协议层
• 重点了解、理解配网协议的工作流程，完成了什么工作
• 最后就是关于设备配网之后蓝牙mesh协议栈的第二部分： mesh七层网络结构

未完待续…

参考文章：
[简书蓝牙mesh协议栈]:https://www.jianshu.com/p/e9cc18e52f30
[csdn讲解GATT]:https://blog.csdn.net/gmq_syy/article/details/70231047
[简书讲解GATT]:https://www.jianshu.com/p/5cd5c6d4a7d2