蓝牙(Bluetooth) IEEE 802.15.1 协议学习

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1. 蓝牙概念
2. 配对和连接
3. 机密安全性
4. 蓝牙协议分类
5. 蓝牙协议栈

 

1. 蓝牙概念

蓝牙(Bluetooth)是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4~2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制，当时是作为RS232数据线(短程串口)的替代方案。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题
如今蓝牙由蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group，简称SIG)管理。蓝牙技术联盟在全球拥有超过25000家成员公司，它们分布在电信、计算机、网络、和消费电子等多重领域。IEEE将蓝牙技术列为IEEE 802.15.1，但如今已不再维持该标准。蓝牙技术联盟负责监督蓝牙规范的开发，管理认证项目，并维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以"蓝牙设备"的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络，可发放给符合标准的设备

蓝牙的波段为2400–2483.5MHz(包括防护频带)。这是全球范围内无需取得执照(但并非无管制的)的工业、科学和医疗用(ISM)波段的2.4 GHz短距离无线电频段
蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为1 MHz。蓝牙4.0使用2 MHz 间距，可容纳40个频道。第一个频道始于2402 MHz，每1 MHz一个频道，至2480 MHz。有了适配跳频(Adaptive Frequency-Hopping，简称AFH)功能，通常每秒跳1600次
最初，高斯频移键控(Gaussian frequency-shift keying，简称GFSK)调制是唯一可用的调制方案。然而蓝牙2.0+EDR 使得 π/4-DQPSK和 8DPSK 调制在兼容设备中的使用变为可能。运行GFSK的设备可以以基础速率(Basic Rate，简称BR)运行，瞬时速率可达1Mbit/s。增强数据率(Enhanced Data Rate，简称EDR)一词用于描述π/4-DPSK 和 8DPSK 方案, 分别可达2 和 3Mbit/s。在蓝牙无线电技术中，两种模式(BR和EDR)的结合统称为"BR/EDR射频"
蓝牙是基于数据包、有着"主从架构"的协议。一个主设备至多可和同一网域中的七个从设备通讯。所有设备共享主设备的时钟。分组交换基于主设备定义的、以312.5µs为间隔运行的基础时钟。两个时钟周期构成一个625µs的槽，两个时间隙就构成了一个1250µs的缝隙对。在单槽封包的简单情况下，主设备在双数槽发送信息、单数槽接受信息。而从设备则正好相反。封包容量可长达1、3、或5个时间隙，但无论是哪种情况，主设备都会从双数槽开始传输，从设备从单数槽开始传输

0x1: 功率射程

类别	最大功率容量		射程范围 （ m）
	（mW）	（ dBm）
1	100	20	~100
2	2.5	4	~10
3	1	0	~1

蓝牙是一个标准的无线通讯协议，基于设备低成本的收发器芯片，传输距离近、低功耗。由于设备使用无线电(广播)通讯系统，他们并非是以实际可见的线相连，然而准光学无线路径则必须是可行的。射程范围取决于功率和类别，但是有效射程范围在实际应用中会各有差异

0x2: 数据吞吐量

版本	数据率	最大应用吞吐量
1.2	1Mbit/s	>80 kbit/s
2.0 + EDR	3 Mbit/s	>80 kbit/s
3.0 + HS	24 Mbit/s	请参考3.0 + HS
4.0	24 Mbit/s	请参考4.0 LE

有效射程因传输条件、材料覆盖、生产样本的变化、天线配置和电池状态有关。多数蓝牙应用是为室内环境而设计的，由于墙的衰减和信号反射造成的信号衰落会使得射程远小于蓝牙产品规定的射程范围。多数蓝牙应用是由电池供电的2类设备，无论对方设备是1类或2类，射程差异均不明显，因为射程范围通常取决于低功率的设备(木桶效应)。某些情况下，当2类设备连接到一个敏感度和发射功率都高于典型的2类设备的1类收发器上时，数据链的有效射程可被延长。然而多数情况下，1类设备与2类设备的敏感度是相近的。
两个敏感度和发射功率都较高的1类设备相连接，射程可远高于一般水平的100m，取决于应用所需要的吞吐量。有些设备在开放的环境中的射程能够高达1km甚至更高
蓝牙核心规范规定了最小射程，但是技术上的射程是由应用决定、且是无限的。制造商可根据实际的用例调整射程

0x3: 应用场景

要使用蓝牙无线技术，设备必须能够解译某些蓝牙配置文件，蓝牙配置文件定义了可能的应用，并规定了蓝牙设备之间通信的一般行为。这些配置文件包括对通信参数和控制的最初设定。配置文件能够节约在双向链路起效之前重新发送参数的时间。广泛的蓝牙配置文件描述很多不同种类的应用或设备用例

1. 移动电话和免提耳机之间的无线控制和通信(便携式蓝牙耳机)
2. 移动电话与兼容蓝牙的汽车音响系统之间的无线控制和通信(车载蓝牙耳机)
3. 对搭载IOS或Android的平板电脑和音箱等设备进行无线控制和通信
4. 无线蓝牙耳机和对讲机。耳机有时被简称为"一个蓝牙"
5. 输送至耳机的无线音频流、无通信功能
6. 有限空间内对带宽要求不高的PC之间的无线网络
7. 电脑与输入输出设备间的无线连接，常见的有鼠标、键盘、打印机
8. 在可进行对象交换的设备之间传输文件、详细通讯录信息、日历安排、备忘录等(例如QQ和PC同步文件)
9. 取代早前在测试设备、GPS接收器、医疗设备、条形码扫描器、交通管制设备上的有线RS-232串行通信
10. 用于之前使用红外线的控制
11. 无需更高的USB带宽、需要无线连接的低带宽应用
12. 从采用蓝牙的广告版向其他可被发现的蓝牙设备发送小型广告
13. 两个工业以太网(如PROFINET)网络之间的无线网桥
14. 第七代和第八代游戏机，任天堂的Wii和索尼的Pla