浅谈BLE协议栈

BLE 技术是 Bluetooth SIG 规定的一套通信协议，在协议变成具体的代码之前，都只存在文档中，TI、Nordic、CSR 等厂商，根据 SIG 发布的 BLE 技术协议，配合自身的芯片开发了一整套源码，并且这套源码经过了 SIG 的测试，服务 BLE 协议。这套源码就叫做协议栈，协议栈是协议的实现

BLE协议层

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层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。

LL层（Link Layer 链路层）。

链路层定义了协议栈中最为基础的状态机、数据包格式、广播和连接流程等问题

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，如何进行重传，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。

HCI（Host controller interface 主机控制器接口）。

HCI 层通信层，向 host 和 controller 提供一个标准化的接口。该层可以由软件api 实现或者使用硬件接口 uart、spi、usb 来控制。
HCI是可选的（具体请参考文章： 三种蓝牙架构实现方案（蓝牙协议栈方 案）），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信协议和通信命令等。

GAP层（Generic access profile 通用接入规范）。

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。

L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol 逻辑链路控制和适应协议） 。

L2CAP 层相当于快递，将数据打包，可以让客户点对点的通信。

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。

SMP（Secure manager protocol 安全管理协议）。

SM 层安全服务层，提供配对和密钥的分发，实现安全连接和数据交换。

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。

ATT（Attribute protocol 属性的协议）。

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。
ATT 层 ATT 环境中，允许设备向另外一个设备展示一块特定的数据，称之为“属性” ，展示“属性”的设备称为服务器，与之配对的设备称为客户端。链路层状态（主机和从机）与设备的 ATT 角色是相互独立的，也就是说，主机设备可以是 ATT 服务器，也可以是 ATT 客户端。从机也一样

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。

GATT（Generic attribute profile ）通用属性配置文件。

GATT 层 从名字就能看出，GATT 是在 ATT 上面的一层结构，定义了使用 ATT的服务框架，

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。

在BLE协议栈的层模型中，位于下部的物理层、链路层、DTM属于控制器，位于上部的L2Cap、ATT、GATT、GAP、SM层则属于主机，在主机之上用户自己的程序称为用户程序。因此BLE协议栈进一步可以抽象为三层：控制器、主机和用户程序。

在BLE协议中，广播通信相关的协议层次主要包括：
GAP——HCI——LL

GAP负责从应用程序的角度，抽象并封装LL提供的功能，以便让应用以比较傻瓜的方式进行广播通信。当然，这不是必须的，也就是说，我们可以在没有GAP参与的情况下，进行广播通信。

HCI负责将LL提供的所有功能，以Command/Event的形式抽象出来，供Host使用。

LL（Link Layer）位于最底层，负责广播通信有关功能的定义和实现，包括物理通道的选择、相关的链路状态的定义、PDU的定义、设备过滤（Device Filtering）机制的实现等。

低功耗蓝牙里面，焦点几乎都在 GAP 和 GATT 上，因此，必须学好这个

通用访问配置文件（GAP）

Ble 协议栈中的 GAP 层负责处理设备访问模式，包括设备发现、建立连接、终止连接、初始化安全管理和设备配置，所以在 ble 协议栈中有不少函数均是以 GAP 为前缀，这些函数会负责以上的内容。GAP 层总是作为下面四个钟角
色之一：
☆Broadcaster 广播者——不可以连接的一直在广播的设备；
☆Observer 观测者——可扫描广播设备，但不能发起建立连接的设备；
☆Peripheral 从机——可被连接的广播设备，可以在单个链路层连接中作从机。
☆Central 主机——可以扫描广播设备并发起连接，在单个链路层或多链路层中作为主机，在 TI 的 ble 协议栈中，一个主机可以连接三个从机。
在典型的蓝牙低功耗系统中，从机设备广播特定的数据， 以便让主机知道他是一个可以连接的设备，广播内容包括设备地址以及一些额外的数据，如设备名、服务等。主机收到广播数据后，会向从机发送扫描请求 Scan Request，然后从机将特定的数据回应给主机，称为扫描回应 Scan Response。主机收到扫描回应后，便知道这是一个可以建立连接的外部设备，这就是设备发现的全过程。此时，主机可以向从机发起建立连接的请求，连接请求包括下面一些参数。
△连接间隔——在两个 BLE 设备的连接中使用调频机制，两个设备使用特定的信道收发数据，然后过一段时间后再使用新的信道。（链路层处理信道切换） ，两设备在信道切换后收发数据称之为连接事件，即使没有应用数据的收发，两个设备任然会通过交换链路层数据来维持连接，连接间隔就是两个连接时间之间的时间间隔，连接间隔以 1.25ms 为单位，连接间隔的值为 6（7.5ms）~3200（4s）。
不同的应用可以要求不同的时间间隔，长的时间间隔的优势是显著的节省功耗，因为设备可以在连接事件之间有较长时间的休眠，坏处是当设备有应用数据需要发送时，必须要等到下一个连接事件。短的时间间隔优势是两设备连接频发，可以更快的收发数据，不利之处是设备因连接时间的到来而频繁的唤醒，会有较多的功耗。
△从机延时——这个参数的设置可以使从机跳过若干连接时间，这给了从机更多的灵活度，如果它没有数据发送时，可以选择跳过连接时间继续休眠，以节省功耗。
△管理超时——这是两个成功连接事件之间的最大允许的间隔，如果超过了这个时间而这个值的单位是 10ms，没有成功的连接时间，设备被认为丢失连接，返回到未连接状态，管理超时的范围是 100（100ms）~ 3200（32s） 另外，超时值必须大于有效的连接间隔[有效的连接间隔=连接间隔*（1+从机延时）]。
从机可以通过向主机发送“连接参数更新请求”来改变连接设置，主机接收到请求后，可以选择接受或者拒绝这些新的参数。连接可以被主机或者从机以任何原因主动终止。当一方发起终止链接时，另一方必须响应。然后两个设备才能退出
连接状态。
△安全管理——只有已认证的连接中，特定的数据数据才能被读写，一旦连接建立，两个设备进行配对，当配对完成后，形成加密连接的密钥，在典型的应用中，外设请求集中器提供密钥来完成配对工作。密钥是一个固定的值，如 000000，
也可以随机生成一个数据提供给使用者，当主机设备发送正确的密钥后，两设备交换安全密钥并加密认证链接。在许多情况下，同一对外设和主机会不时的连接和断开，ble 的安全机制中有一项特性，允许两个设备之间建立长久的安全密钥信息，这种特性称为绑定，他允许两设备连接时快速的完成加密认证，而不需要每次连接时执行配对的完整过程。

通用属性配置文件（GATT）

两个设备应用数据的通信是通过协议栈的 GATT 层实现， GATT 角度来看，当两个从设备建立连接后，他们处于下面两种角色之一；
△GATT 服务器——他是为 GATT 客户端提供数据服务的设备。
△GATT 客户端——他是从 GATT 服务器读写应用数据的设备。
需要特别注意的是，GATT 角色中的客户端和服务器的概念与链接中的主机和从机完全独立，主机可以是 GATT 客户端也可以是 GATT 服务器。
一个 GATT 服务器中可包含一个或者多个 GATT 服务，GATT 服务是完成特定功能的一些列数据的集合，△强制的 GAP 服务——这一服务包含了设备的访问信息，例如设备名、设备供应商和产品标识，他是协议栈的一部分，是 ble 规范对每一个 BLE 设备的要求，这部分源代码并没有提供，而是编译到协议栈库文件中了。
△强制的 GATT 服务——该服务包含了 GATT 服务器的信息，是协议栈的一部分，是ble 规范对每一个 ble 设备的要求，这部分也是在 ble 协议栈库文件中。
△SimpleBLEProfile 服务——这个服务包含应用数据的信息，与应用程序数据的传递密切相关，读者也可以按照特定的格式编写自己的 GATT 服务。
Characteristic 特征值是服务用到的值，以及其内容和配置信息，GATT 定义了在BLE 连接中发现、读取和写入属性的子过程。GATT 服务器上的特征值机器内容
和配置信息（称为描述符）存储于属性表中，属性表是一个数据库，包含了称为属性的小块数据，除了值本身，每个属性都包含下列属性。
△Handle 句柄——属性在表中的地址，每个属性有唯一的句柄。
△type 类型——表示数据代表的事务，通常是蓝牙技术联盟规定的或由用户自定义 UUID。
△权限——对顶了 GATT 客户端设备对属性的访问权限，包括是否能访问和怎样访问。GATT 定义了若干在 GATT 服务器和客户端之间的通信的子过程。下面是一些子过程：
△读特征值——客户端设备请求读取局并处的特征值，服务器将此值回应给客户端。
△使用特性的 UUID 读——客户端请求读基于一个特定类型的所有特性值，服务器将所有与制定类型匹配的特性的句柄和值回应给客户端设备。
△读多个特性值——客户端一次请求中读取几个句柄的特征值，服务器将这些特征值回应给客户端。
△读特性描述符——客户端请求读特定句柄处的特征描述符。服务器将特征描述符的值回应给客户设备。
使用 UUID 发现特征值——客户端通过发送特征的类型 UUID 来请求发现这个特征的句柄，服务器将这个特征的声明回应给客户端设备。
△写特征值——客户端设备请求向服务器特定的局并处写入特征描述符，服务器特性描述符是否写入成功的信息反馈给客户端。
△特性值通知——服务器将一个特性值通知给客户端，客户端设备不需要向服务器请求这个数据，当客户端收到这个数据时，也不需要回应服务器，但需要注意的是，想要使能服务通知，首先要配置好特征，profile 中定义了什么时候服务器应该发送这个数据。
每个 Profile 初始化其相应的服务并内在的通过设备的 GATT 服务器来注册服务，GATT 服务器将整个服务加到属性表中，并为每个属性分配唯一句柄。GATT属性表中有一些特殊的属性类型，其值是由蓝牙技术联盟（SIG）定义：
△GATT_PRIMARY_SERVICE_UUID——表示新服务的起始和提供的服务类型；
△GATT_CHARACTER_UUID——称为“特征声明”紧随其后的是 GATT 特征值；
△GATT_CLIENT_CHAR_CFG_UUID——这一属性代表特征描述符，它与属性表中它前面最近的特征值有关，他允许 GATT 客户端设备使能特征值通知。
△GATT_CHAR_USER_DESC_UUID——这一属性代表特征值描述符，他与属性表中他前面最近的句柄处的特征值相关，包含一个 ASCCI 字符串，是对相关的特征的描述。

报文是链路层的基石，是BLE通信的基础设施,它包含四个字段：序言、访问地址、协议数据单元（PDU）和循环冗余校验（CRC）。在广播、扫描或建立连接的过程中使用广播通道PDU 传输数据包。而用于与连接器件交换数据的数据包是通过数据通道PDU 传输的。链路层数据包的格式如图：

报文 = 前导字 + 访问地址 + PDU + CRC
前导字（Preamble）
只有两种选择：0x55(0b01010101)和0xAA(0b10101010)。假如访问地址的首位是1，则选择0xAA，反之则选择0x55，即让前9个bit是0、1交叉的序列。由于BLE信号功率强度可以从-90dBm ~ 10dBm，物理层的放大器需要去处理不同功率强度的信号，这样一串0、1序列可以帮助ADC调整增益参数，以适配不同功率的射频信号。