BLE协议—协议栈基础

BLE协议栈基础

蓝牙BLE协议栈包含三部分：主机、主机接口层和控制器。
主机：逻辑链路控制及自适应协议层（L2CAP），安全管理层（SM），属性协议层（ATT），通用访问配置文件（GAP），通用属性配置文件层（GATT）
主机接口层：主机控制接口（HCI）
控制器：物理层（PHY）、链路层（LL）

控制器（Controller）

• 物理层（Physical Layer，PHY）：BLE在2400Mhz至2483.5 MHz的2.4GHz免授权频段（ISM）内工作。采用自适应跳频的高斯频移键控（GFSK）。BLE采用40个信道，每个信道间隔为2MHz，分为数据信道和广播信道；广播信道占用3个，用于发现设备、建立连接、广播数据；数据信道占用37个，用于已建立连接设备间的数据通信。建立连接的两个设备，必须同一时间处于同一信道上才能通信。
  其中37/38/39为固定广播信道，其余为数据信道。

• 链路层（Link Layer，LL），控制设备的射频状态，让设备处于五种状态：
  Standby：默认状态，不进行收发。
  Advertising：广播状态，在3个广播信道广播数据包，同时监听和回复扫描者发送的扫描数据包。
  Scanning：扫描状态，在3个广播信息监听广播数据包，同时发送扫描数据包。
  Initiating：初始化状态，在广播信道监听广播数据包，从而发起连接。
  Connection：连接状态。发起连接的设备通过发送连接请求来回应广播设备，如果广播设备接受连接请求，那么广播设备与发起连接的设备将会进入连接状态。发起连接的设备称为主机（Client），接受连接请求的设备称为从机（Server）。

主机控制接口（Host Controller Interface）
主机控制接口（Host-Controller Interface，HCI）：为Host访问Controller提供一组标准的接口。
HCI主要完成3个任务：

1. Host通过HCI发送命令给Controller
2. Controller通过HCI将事件发送给Host
3. 传递ACL Data(面向连接，在连接通道上进行数据传输)

该接口层的实现可以是软件接口，也可以是标准硬件接口，比如UART、SPI、USB。

主机（Host）

• 逻辑链路控制和适配器协议（Logical Link Control and Adaption Protocol，L2CAP）：为上层提供了多路复用、数据分段与重组服务，并且支持逻辑端对端的数据通信。

• 安全管理层（Security Manager，SM）：定义了配对和密钥分发的方法，并为其他层提供了与对端设备进行安全连接和数据交换的功能。

• 属性协议层（Attribute Protocol，ATT）：定义了访问对端设备上数据的一组规则，是GATT规范的基础，也是低功耗蓝牙的基石。定义了Host端属性报文格式和报文类型。这一层的关键词是Attribute(属性)。一个属性其实就是一条数据，属性是BLE数据提供单元，也是蓝牙空中传播数据的最上层，BLE开发过程中接触最多的就是这一层。
  Attribute协议下文详解

• 通用属性配置文件层（Generic Attribute Profile，GATT）：自己本身不提供数据，而是将ATT层提供的属性组合起来构成的服务。通过ATT层可以读写对端设备的属性值，各个属性之间有什么联系各个属性之间怎么组合起来的，是由GATT层负责。服务是GATT层的关键字，服务由属性组成。
  一个BLE设备可以由多个服务组成（使用UUID进行区分），一个服务可以包含多个特征(characteristic)，一个特征可以包含多个属性。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。

• 通用访问配置文件层（Generic Access Profile，GAP）：定义了所有蓝牙设备的基础功能，设备间发现、连接、配对绑定的流程；蓝牙设备中四种角色；广播和扫描响应报文的格式；还有一些通用蓝牙参数定义，比如设备地址、名称、配对秘钥和设备的外观特征值，用于区分是什么设备，手机还是电脑；明确了作为一个低功耗蓝牙设备的基本需求，包含哪些层级以及如何协同工作的。 规范了一些通用的蓝牙参数：蓝牙设备地址、设备名称、配对秘钥、外观特征值。

通用访问配置文件层（Generic Access Profile，GAP）

GAP角色

GAP层定义了4种BLE角色：

• 外围设备（Peripheral）：可以发送广播并接受连接的设备（在链路层中作为从机）。
• 中央设备（Central）：可以扫描广播并发起连接的设备（在链路层中作为主机）。
• 播报设备（Broadcaster）：可以发送广播，但不可接受连接的设备。
• 观察设备（Observer）：可以扫描广播，但不可发起连接的设备。
  链路层可以同时支持多个状态机， GAP层也支持一个设备同时作为多个GAP角色，所以一个BLE设备通常可以同时充当主机和从机（多主多从）。

设备配置

GAP定义了4个设备配置参数：

• 设备地址：设备地址在协议栈内部指BD_ADDR，小端数据格式。设备地址可以随机，也可以固定。
• 设备名称：设备名称一般用于区分BLE设备，最长可达248个字节，支持UTF-8编码。
• 设备外观：设备外观是用于用户识别设备功能，长度为两个字节。
• 连接PIN码：PIN码用于两个设备之间配对时使用，为6位十进制整形数，因此它的有效范围为000000-999999（0x00000000 – 0x000F423F）。使用时必须显示全部6位数字，包括前导0。

模式和规程

GAP定义5套模式和规程，设备通常运行在这5套模式和规程中：

• Broadcast mode and Observation procedure， 广播模式和观察规程
• Discovery modes and procedures，发现模式和规程
• Connection modes and procedures，连接模式和规程
• Bonding modes and procedures， 绑定模式和规程
• Periodic advertising modes and procedure，周期性的广播模式和规程

安全模式

GAP定义了2种安全模式以及4种安全规程：

• 安全模式1（LE Security mode 1）：使用认证信息保证安全。
• 安全模式2（LE Security mode 2）：使用数字签名保证安全。

规程	描述	安全模式
认证规程（Authentication procedure）	执行认证和加密操作	安全模式1
授权规程（Authorization procedure）	确认是否为某个操作提供授权	安全模式1
连接数据签名规程 （Connection data signing procedure）	连接数据签名规程，在未加密的连接中传输认证的数据。	安全模式2
认证已签名的数据规程 （Authenticate signed data procedure）	认证已签名的数据规程，校验带有前面的数据是否有效	安全模式2

广播和扫描

广播和扫描在无线通信中是非常重要的一个技术点。在BLE中，扫描和广播是通信的基础，用户可以直接用扫描和广播进行数据的传输，也可以在广播和扫描的基础上进行连接后点对点通信。
由于广播和扫描内容篇幅较长，具体可以移步链接
BLE协议—广播和扫描

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