蓝牙协议栈分层

一、分层

BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。 

BLE协议栈主要由如下几部分组成：

1、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。

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。

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

频段：2400MHz~2483.5MHz

通道：一共 40 个通道，37个自适应自动调频数据通道（0-36） ，3个广播通道：37 38 39

 为什么ch是这么分布呢？因为大部分设备是使用1,6,11 ch，ble使用37,38,39 ch和这几个ch没有耦合，有利于抗干扰。

通道带宽：　

2、LL层（Link Layer链路层）

此层为RF控制器，用于控制设备的射频状态，控制设备会处于5种状态之一:standby（准备）、advertising（广播）、scanning（监听/扫描）， initiating（发起连接）、connected（已连接） 。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。

3、HCI（Host controller interface）

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。

4、GAP层（Generic access profile）

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。

5、L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）逻辑链路控制及自适应协议层

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。

蓝牙协议到这个层次的时候，就清爽多了：

对下，它在用户类XXX-U Logical Link的基础上，抽象出和具体技术无关的数据传输通道（包括单播和广播两类），至此用户就不再需要关心繁杂的蓝牙技术细节。

对上，它以L2CAP channel endpoints的概念（类似TCP/IP中的端口），为具体的应用程序（profile）提供独立的数据传输通道（当然，也是一个逻辑通道）。

6、SMP（Secure manager protocol）

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。该层定义了配对和密钥分配方式。

7、ATT（Attribute protocol）属性协议层

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。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。

允许设备向其它设备展示一块特定的数据，称之为“属性(attribute)”。在ATT环境中，展示“属性”的设备称之为服务器，与之配对的设备称之为客户端。链路层状态(主机和从机)与设备的ATT角色是相互独立的。例如，主机设备既可以是ATT服务器，也可以是ATT客户端。从机设备可以是ATT客户端，也可以是ATT服务端。
 

8、GATT（Generic attribute profile ）通用属性配置文件层

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。

二、BLE链路层的状态机

standby（准备）、advertising（广播）、scanning（监听/扫描）， initiating（发起连接）、connected（已连接） 。

 

五种状态的切换描述为：

advertising（广播）不需要连接就可以发送数据（告诉所有人，我来了）；
scanning（监听/扫描）来自广播的数据；

initiator（发起人）将携带 connection request（连接请求）来响应广播者，如advertiser（广播者）同意该请求， 那么广播这和发起者都会进入已连接状态， 发起连接的设备变为 master（主机），接收连接请求的设备变为 slave（从机）。

Master：从Initiating state进入Connection state

Slave：从Advertising state进入Connection state

1. 广播和扫描

广播的目的：让别人能发现自己，对于一个不广播的设备，周围设备感觉不到其存在的，因此，要让别的设备能发现，则必须向外广播，在广播中可以带上丰富的数据，比如设备的能力，设备名字以及其他自定义的数据，这也就有了第二种可能：给不需要建立连接的应用发送数据。比如一个BLE温度计，其本身可以不接收任何连接，而可以选择通过广播将温度发送出去。检测者只要监听广播就能获取当前的温度。

扫描者只有在收到广播数据后，才能去与广播者建立连接。广播是周期性的将广播数据从广播通道上发送出去，这里有如下几个问题：

•  广播通道：广播数据是在37/38/39通道上将广播出去，设备可以选择广播在其中的任何一个，两个或全部三个通道
• 广播数据：即广播类型的PDU，广播所携带的信息。
• 周期性：即广播间隔(advertising interval)，为了改善设备的兼容性, 在两个广播时间间隔之间，还有加上一个随机的0-10ms的delay时间。
  Advertising event的周期= advertising interval +  delay
  
  advertising interval的范围：20ms – 10.24s，并且要求是0.625ms的整数倍。

一个广播包在37,38,39分别广播出去为一个广播事件(Advertising event), 

 

扫描是为了获取设备信息，发现周围设备，分两种情况：

被动扫描(Passive scan)：这种情况，扫描者不发送任何信息，只监听广播数据，扫描者能收到广播，广播者并不知道扫描设备的存在；

主动扫描：扫描者在接到广播数据(ADV_IND)后，主动发起扫描请求(SCAN_REQ)，广播者接到扫描请求回应扫描(SCAN_RSP)，扫描回应(SCAN_RSP)也可以携带广播者数据。但需要注意的是，扫描者发送SCAN_REQ请求无法携带有效用户数据(参考扫描类型的PDU Payload)，因此广播和扫描者之间是单向通信，扫描者能知道广播者信息，但广播者无法知道扫描者信息。

广播者只是在广播通道发送广播数据，并不知道任何scanner的存在，advertiser和 scanner之间也不存在任何同步方式，只有广播和扫描所在的通道随机重合时，广播包才能被扫描设备收到，因此，和广播设备一样，扫描设备也有一些时间参数要求。

扫描有两个重要的参数：scan interval 和scan window

Scan interval：定义多久发送一次扫描请求，取值范围是：2.5ms-10.24s

Scan window：定义扫描持续的时间是多长

 

2. 初始化连接(Initiating)

当接到广播数据后，scanner可以发起建立连接请求，建立连接请求的数据包(CONNECT_REQ)是在广播通道上发起的。如下所示：

CONNECT_REQ请求中会带上重要的连接参数，包括连接时间间隔，supervision timeout，以及和跳频相关的参数，并且在建立连接后，切换到数据通道上交互数据。

3. 连接

建立连接后，两个设备会在相等的连接间隔（Connection interval）之间交换数据，每一次的数据交换称之为连接事件（connection event），数据的发送和接收都是通过连接事件完成的，在连接事件之外，BLE设备处于休眠状态，因此进一步降低了功耗。

 

Connection  Interval：

• Connection interval = sleep + connection event
• master和slaver数据交换的间隔，当没有应用数据交互，两个设备链路层仍会交换数据(空PDU)来维持连接，当有应用数据时，数据通过连接间隔中的连接事件发送和接收.
• 连接间隔是1.25ms的整数倍，范围是 6 - 3200，即7.5ms– 4s

Slave  Latency:

• master每个tx数据，slave接到后都要回复，否则连接可能会被认为断开，Slave  latency则定义了slave在没有数据要发的情况下，可以跳过一定数目的连接事件(Connection events), 在这些连接事件中不必回复Master（主设备）的包（空包），而不会被认为连接断开
• 取值范围是 0 - ((connSupervisionTimeout /(connInterval*2)) - 1)，并且要小于500；

Connection supervision timeout：

• 如果双方设备在超过timeout时间后，没有数据交互，则连接被认为已断开。
• 常用于异常断开流程，由于链路异常，BLE设备之间没有了数据，则在timeout时间到后，连接被断开，而不会一直保持，
• 10ms的整数倍，取值范围是 10 – 3200，即100ms – 32s,并且要大于(1+ connSlaveLatency) * connInterval * 2

这几个参数是BLE连接中重要参数，直接决定了速率和异常情况的处理:

·       Connection interval决定了传输速率，越小，发送数据越快，但功耗也会越大

·       Slave Latency为0，数据发送速度回提高，增大，则会减小功耗

·       Timeout：异常情况时能否尽快断开。

对与IOS设备的BLE相连接时，对这几个参数的设置有明确的要求：

https://developer.apple.com/hardwaredrivers/BluetoothDesignGuidelines.pdf

 

ref：

蓝牙广播和扫描理解_老衲开心用飘柔的博客-CSDN博客_蓝牙广播

深入浅出低功耗蓝牙(BLE)协议栈 - iini - 博客园

蓝牙协议栈结构 - 简书

蓝牙协议分析(2)_协议架构

低功耗蓝牙BLE协议栈简介 - 简书

BLE蓝牙协议简介_哔哩哔哩_bilibili

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