BLE入门04

蓝牙数据通道空中包（数据包）

蓝牙数据包是蓝牙数据信道空中包的简称，表示空中包只在蓝牙数据信道上传输，即除37/38/39之外的其他37信道。从格式上来说，蓝牙数据包又分空包（empty packet）和普通数据包（data packet）两种。

空包格式如下：

由图可见，空包整个payload为空，故名空包。

普通数据包格式如下：

Data header，即前述的LL header，在数据包中的定义如下所示：

LLID（2bits）

 link layer ID，对LL PDU进行分类：LL data PDU和LL control PDU。也就是说，普通的数据信道空中包包含LL数据包和LL控制包两种，具体定义如下所示。

请大家注意分清data channel packet（数据信道空中包）和LL data packet（LL数据包）的区别，如前所示data channel packet包含LL data packet和LL control packet，LL data packet只是data channel packet的一种。在不引起上下文歧义的时候，我们把他们统一称作“数据包”。

Link layer支持如下control PDU：

NESN/SN，NESN和SN各占1bit。

SN全称为sequence number，表示当前发送的packet编号。

NESN，next expected sequence number，用来告知对方下一个期待的packet的编号。

Link layer使用SN来告知对方这个packet是新数据包还是重传包，用NESN来告诉对方你之前发我的包已经收到了（相当于ACK的作用），我现在期待下一个新的数据包了，因此BLE没有专门的ACK包，它是通过NESN/SN来实现ACK和重传双重功能的。

请参考如下表格，仔细揣摩NESN和SN是如何编码的，以同时完成ACK和重传功能。

#3是master发给slave的，那么#3的NESN和SN是如何确定的呢？

其实#3的NESN和SN是通过比较#1和#2的NESN/SN的值来确定的，Master把#1传完之后，会把#1包的NESN和SN记录下来，即表格右边的NESNꞌ和SNꞌ。然后Master会拿SNꞌ跟#2的NESN相比，两者不等，说明slave已经收到了#1包，并期待master发一个新的包给它，此时Master会把SNꞌ增1，形成#3包的SN，表示这个数据包是一个新包，然后发出去；两者相等，说明slave没有收到#1包，此时master需要重传。

Master还会拿NESNꞌ跟#2的SN相比，两者相等，说明#2包为新包，然后Master会把NESNꞌ增1，形成#3包的NESN发出去，告诉slave我已经收到#2包了并期待你的下一个包；两者不等，说明#2包为重传包。

注意：大家可以从上述表格发现一个规律，就是同一方向相邻的两个数据包，他们的NESN和SN与另一个包的NESN和SN是相反的，比如#3 NESN = #1 ，#3 SN = #1 ，同样#2和#4 各自的NESN和SN是相互相反的。

我们可以用下面的流程图来描述上述过程。

MD（1bit），more data，用来指示对方我还有数据包要传，请继续打开射频窗口准备接收

比如Nordic nRF51822一个connection interval可以发6个包或者更多的包（也就是说，一个connection event包含多个数据包交互），用的就是MD来实现的。

以notify命令为例，设备（Server）notify第一个数据包并将MD置1，Client（比如手机）收到这个notify命令后，就知道Server还有数据包要传，此时手机可以继续发一个空包给设备，以让设备把第二个notify命令发过来，详情如下所示。

注：Master为手机（Client），Slave为设备（Server）。

Payload Length or Data Length

BT4.0/4.1定义如下所示，这就是蓝牙4.0/4.1一个包只能传20个字节的根源。

BT4.2之后，Payload length 8 bits全部用来表示长度，这样的话，payload size最大可达251字节（255 – MIC size）。

BLE连接建立之后，可以动态更改data length长度（默认为27字节），这个特性叫做Data Length Extension（DLE），DLE是通过Link layer命令：LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP来实现的。

L2CAPlength，2字节长度，表示后面information payload的长度

informationpayload最大长度除了受这个L2CAP length字段约束，同时还受MTU的限制。MTU，Maximum Transmission Unit，是ATT层与L2CAP层可以交互的最大数据长度，或者说是Client与Server可以交互的最大长度。

总结一下，蓝牙spec里面定义了3个长度字段：LL data length和L2CAP length，同时ATT层还定义了一个MTU，以限制ATT PDU最大长度。

LL data length可以通过LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP来动态改变，

MTU size则可以通过后面要讲到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response来改变

L2CAP length无法动态改变，也就是说不能超过65535

这个经典蓝牙和低功耗蓝牙应该是一样的

L2CAP CID，2字节长度

逻辑通道的ID，BLE使用固定的通道编号，也就是说虽然蓝牙spec里面也允许BLE使用connection oriented channel，但大部分BLE协议栈实现的时候都是使用固定的通道编号，通道编号定义如下所示：

BLE L2CAP Signaling Channel 支持的PDU命令只有三个：

- Command reject

- Connection parameter update request，更新连接参数，比如最小连接间隔，最大连接间隔，slave latency等

- Connection parameter update response，接受或者拒绝上面的请求

Security Manager Protocol（SMP）用来实现配对和密钥分发的

至此BLE空中包解析就告一段落了，再往上就是应用层数据解析了，这个就不是空中包的范畴，而是GATT和profile要定义的事情，我会另写文章来专门谈谈GATT层协议。

如下为一个完整的真实的数据包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。

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 – 应用数据handle

- 0x53 – 真正要发送的应用数据

- 0xF650D5 – CRC24值

参考：

https://mp.weixin.qq.com/s/yRsEDByooZA0aq5HySMG2A