蓝牙BLE学习-概述

1. 简介

1.1 蓝牙发展历程

      蓝牙，直接来自于一位国王的名字--King Harald ‘Bluetooth' Gromsson。这位国王因两件事留名于史，其一是在公园958年统一了丹麦和挪威，其二是在其死后，其牙齿呈现出暗蓝色的颜色，因而得名蓝牙为绰号。而蓝牙联盟之所以选择它作为联盟的名字，则是看中了King Harald在统一丹麦和挪威上的贡献。联盟希望，该技术能够像他一样，将PC和无线产业用短距离无线传输连接在一起。

      人们日常使用的蓝牙，是在1996年由英特尔、爱立信和诺基亚共同发起而成立的联盟，意在为短距离无线传输制定标准，低功耗、低成本的无线通信连接的方法，以支持不同产品和行业之间的连通与协作

• 第一代蓝牙主要是指90年代的V1.0～V1.2版本，是关于段距离通信的早期探索，此时还存在许多问题，应用不是特别广泛
• 第二代蓝牙主要是00年中V2.0～V2.1版本，新增了EDR(Enhanced Data Rate)技术提高传输速率，以及体验及安全
• 第三代蓝牙主要是00年末V3.0版本，新增了802.11 WiFi协议，引入了AMP(Generic Alternate MAC/PHY)交替射频技术，极大的提高了传输速率并降低功耗
• 第四代蓝牙是10年以来的V4.0～V4.2版本，主推LE(Low Energy)低功耗，大约仅消耗十分之一，将三种规格，包括经典蓝牙、高速蓝牙、和蓝牙低功耗，集中在一起形成一套综合协议规范
• 第五代蓝牙是16年开始提出的V5.0版本，主要是为了支持物联网，在功耗、传输速率、有效传输距离、数据包容量方面都做了极大的提升

1.2 蓝牙技术概述

      蓝牙分为经典蓝牙（BT-Bluetooth）和低功耗蓝牙（BLE-Bluetooth Low Energy）。这两套原理和实现都不一样，也无法实现互通。

Basic Rate（BR）/AMP

       最初的蓝牙技术，包括可选的EDR（Enhanced Data Rate）技术和交替使用的MAC层和PHY层扩展 AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）【优化传输速度的过程】

       蓝牙诞生之初使用的BR技术，传输速率很低，随着发展而变得无法支持，所以引入了EDR，这时还没有修改软硬件架构，但是之后又落伍了，所以直接引入了WiFi的底层协议，也就是MAC/PHY扩展，但这部分的实现就无法直接更替，所以BR/EDR只能与AMP交替使用。

       经典蓝牙主要用于数据量较大的传输，如蓝牙耳机/音箱等

Low Energy（LE）

      蓝牙低功耗，则不关心传输速率，而是从降低功耗的角度实现的另一套技术，跟前面的协议没有丝毫关系。

      BLE分了很多个版本，现在用的比较多的就是4.2和5.X。那4.2到5.0之间有哪些升级呢？首先，4.2版本传输速度只有1Mbps，广播包最大长度为31字节。而5.0版本开始，传输速度就已经增加到2Mbps了，并且广播包的最大长度也增加为254字节。除此之外，5.X版本还增加了Mesh的功能，且通讯距离也增加至300米以上。

2. 蓝牙架构

       蓝牙协议将蓝牙整体分成了两层架构，底层是核心协议，描述了蓝牙核心技术的基础和规范，应用层协议则基于具体需求，使用核心协议提供的机制，实现不同的功能策略

       核心协议包含两部分，Host和Controller，这两部分在不同的蓝牙协议版本中略有区别，但大致上是，Controller完成硬件侧的规范制订，包括信号调制解调，会抽象出用于通信的逻辑链路，可能存在一个或多个，如LE Controller、BR/EDR Controller；Host则在逻辑链路的基础上完成更友好的封装，屏蔽掉技术细节，方便应用层对数据的使用。

2.1 蓝牙协议

2.1.1 应用层

应用层（App Layer）为不同场景定义规范，提出Profile(一项服务)的概念，实现各种应用功能

2.1.2 主协议层

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol Layer）

      L2CAP对LL进行了一次简单的封装，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。

• 逻辑链路控制和适配协议，负责管理逻辑链路，使得不同应用可共享一个逻辑链路，类似端口的实现
• 在逻辑链路的基础上，抽象出与具体技术无关的数据传输信道，如单/广播，然后对上以L2CAP channel endpoints的概念，为不同应用程序提供独立的传输通道
• 逻辑控制和适配协议的工作就是实现逻辑信道的多路复用（multiplexing），对上层数据进行分割和重组，以及后续的流控、错误控制和重传等
• 多路复用思想：将要发送的数据分割成一个个数据包（Packet Data Unit，PDU），添加包含特定ID的头部，接收方解析头部ID进行重组
• 多路复用实现
• 基于连接：L2CAP会为每个逻辑信道分配一个编号（Channel ID，CID），有些CID会有固定用途.

GAP层（Generic access profile-通用访问配置文件）

       GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式的一种，而且也是最简单的一种。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。

• 通用访问配置文件，定义了蓝牙设备的通用的访问功能，与GATT的数据通信过程对应，处理无连接及连接建立过程的通信，也就是为广播、扫描、发起连接这些过程定义统一规范
• 定义了用户接口的基本参数，包括蓝牙地址、名称、pincode、class等概念
• 定义了设备的角色：

1. Broadcaster Role：正在发送advertising events的设备
2. Observer Role：正在接收advertising events的设备
3. Peripheral Role：接受Link Layer连接的设备（对应Link Layer的slave角色）
4. Central Role，发起Link Layer连接的设备（对应Link Layer的master角色）

• 定义了通信的过程和操作模式：

1. Broadcast mode and observation procedure：实现单向的、无连接的通信
2. Discovery modes and procedures：实现蓝牙设备的发现操作
3. Connection modes and procedures：实现蓝牙设备的连接操作
4. Bonding modes and procedures：实现蓝牙设备的配对操作

SMP（Secure manager protocol-加密管理协议）

       SMP用来管理BLE连接的加密和安全。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。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attrubute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。

• 属性协议主要是针对物联网场景，核心思想就是将采集的信息或控制的命令以属性的形式抽象出来，提供接口供远端设备读写
• 采用C/S形式，信息提供方为ATT Server，如传感器，访问方为ATT Client
• 为每个Attribute定义了三个属性

1. Type，即Attribute的类型，使用UUID区分
2. Handle，服务端用来唯一标识Attribute的16-bit数值
3. Value，Attribute的值

• 为每个Attribute定义了一系列权限，方便服务端控制客户端的行为，包括访问/加密/认证/授权
• 对于不同的Attribute，客户端对服务端的访问方式也不一样，包括Find/Read/Write
• 传输过程是在L2CAP的基础上，使用基于通道的多路复用，CID为0x0004

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

      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，成为了出货量最大的2.4G无线通信产品。

• 通用属性配置文件，Attribute只是将信息（或者说通信数据）做一下抽象，但是真正对抽象的信息做分类管理则是GATT来完成，形成profile的概念（解决了很多无线协议的兼容问题），profile可以理解成应用场景或者使用方式
• GATT提供了这样一种通用的、信息存储与共享的profile framework，实现BLE双向通信
• GATT的层次结构

• Profile位于最顶层，不是真正存在的配置文件，而是一个或多个场景相关的service的抽象集合
• Service（服务）是一种行为的抽象，具有唯一标识UUID，每个service包含一个或多个Characteristic，也可以通过include的方式包含其他service
• Characteristic（特征）可以理解成一个属性，是真正与设备通信相关的，数据发送和接收的最基本单位，通过对特征的读写实现蓝牙双向通信，它由一个Propertities（定义Value的使用规范和Descriptor的访问规范）、一个Value（特征的实际取值）和一个或多个Descriptor（Value相关的描述信息）组成，每个特征也具有自己的唯一标识，但是有三种形式：

1. 16-bit是官方认证，收费，Bluetooth_Base_UUID 为 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB
2. 16-bit转128-bit，格式为 0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
3. 32-bit转128-bit，格式为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

• 事实上，目前几乎所有的BLE应用都基于GATT实现通信
• GATT通信基于C/S模型，外围设备作为Server端，维护ATT结构及产出数据，中心设备作为client端，请求连接获取数据
• GATT连接对外围设备是独占的，即一个外围设备同时与一个中心设备建立连接，一个中心设备可同时与多个外围设备建立连接.

2.1.3 控制层

物理层（Physical Layer）

     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层做的好不好，直接决定了BLE芯片的功耗、灵敏度等射频指标。

• 负责提供数据传输的物理通道
• 物理链路（Physical Link）：对物理信道的进一步封装
• 物理信道（Physical channel）：三种蓝牙技术都使用相同的频段和频率范围，但是具体实现都不一样
• Advertisement Broadcast Channel：用于设备间无连接广播通信，包括发现/连接操作
• Piconet channel：用于连接状态下通信
• Inquiry Scan Physical Channel：用于发现操作，即搜索/被搜索
• Page Scan Physical Channel：用于连接操作，即连接/被连接
• Basic Piconet Physical Channel：用于连接状态下通信，使用79个跳频点
• Adapted Piconet Physical Channel：用于连接状态下通信，使用较少RF跳频点
• Synchronization Scan Channel：用于无连接的广播通信
• BR/EDR频段分成了79个channel，每个占1M带宽；采用跳频技术（Hopping），即物理信道随机占用某一channel；定义了五种物理信道，每次只能在一种物理信道上通信，采用时分方式
• AMP直接使用WIFI的物理层规范，只有一个物理信道，用于已连接设备之间的高速数据通信
• LE频段分成了40个channel，每个占2M带宽；有两种物理信道，每次只能在一种物理信道上通信，采用时分方式

LL层（Link Layer-链路层）

       LL层是整个协议栈的核心。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。如何进行重发。以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发送出去或者接收回来，对数据进行怎样的解析则由GAP或ATT来负责。

• 解决在有限物理信道上传输远多实际信道数量的数据，即信道共享，然后为通信实体创建看似独享的逻辑信道，以及解决传输过程中的校验、重传等问题
• LL中的信道设计：BLE系统基于通信场景，在40个物理信道中选取三个作为广播信道，处理数据量小、发送不频繁、时延不敏感的场景，存在的问题就是不可靠、效率低、不安全；另外的场景则在剩下的37个信道中选取一个为双方建立单独信道，并且为了抗干扰采用跳频技术
• 为此，LL为通信双方实体定义了以下状态及切换条件

  - Standby：初始状态，不收发数据，接受上层协议命令与其他状态切换
  - Advertising：通过广播发送数据的状态，建立连接后可进入Connection
  - Scanning：接收广播的数据的状态
  - Initiating：特殊的接收状态，类似Scanning，接收Advertiser广播的连接数据，建立连接后进入Connection
  - Connection：建立连接后拥有单独的通道

• 这里会使用空中接口协议（Air Interface Protocol，AIP）来负责实体之间的数据交换和状态切换

HCI（Host controller interface）

      HCI是可选择的。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讯协议和通信命令等。 

 说明：

      ATT和GATT的关系就像车辆和交通规则一样。ATT就是车辆，而GATT就是规范车辆该如何行驶的交通规则。只有GATT存在的时候，多个ATT见面才知道该如何行驶，到底是拐弯让直行还是坐车道超车。

      从上边的名字可以看到，主要分为protocol和profile。其中L2CAP、SMP、ATT属于protocol，而GAP和GATT属于profile。

      profile和protocol有什么区别呢? 在蓝牙核心规范（Bluetooth Core Specification）中，profile的定义不同于protocol的定义。Protocol被定义为各层协议。而Profile从使用蓝牙核心规范中各层协议的角度，定义蓝牙应用互操作性的实现。Profile定义Protocol中的可用特性和功能，以及蓝牙设备互操作性的实现，使蓝牙协议栈适用于各种场景的应用开发。

      在蓝牙核心规范中，Profile和Protocol的关联如下图

      Profile由红色矩形框表示，包括GAP、Profile#1、Profile#2和Profile#3。蓝牙核心规范中的Profile分为两种类型：GAP，途中红色矩形框所示的GAP；基于GATT的Profile，图中红色矩形框所示的Profile#123。

3. 连接和通信

       蓝牙的通信是双向的，为了创建和维护一个BLE通信连接，在蓝牙中引入了“角色”这一概念，一个BLE设备不是主机（集中器）就是从机（外围设备）角色，这是根据是谁发起这个连接来确定的。主机（集中器）设备总是连接的发起者，而从机（外围设备）总是被连接者。整个访问与连接过程都是在GAP（Generic Access Profile-通用访问规范）进行实现的。

3.1 BLE 蓝牙数据包

3.1.1 信道

     BLE的物理通道即“频道，分别是‘f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39’，带宽为2MHz”的40个RF Channel。其中，有3个信道是advertising channel（广播通道），分别是37、38、39，用于发现设备（Scanning devices）、初始化连接（initiating a connection）和广播数据（broadcasting date）；其他的37个信道为data channel（数据通道），用于两个连接的设备间的通讯。

3.1.2 数据包格式

       在低功耗蓝牙规范中，数据包格式分广播报文和数据报文两种。

       广播报文：设备发现、连接建立、传输广播

       数据报文：自适应跳频以及设备间数据传输

      设备利用广播报文发现、连接其它设备，而在连接建立之后，便开始使用数据报文。无论是广播报文还是数据报文，链路层只使用一种数据包格式。

     它由“前导码”（preamble）、“访问码”（access code）、”有效载荷“和”循环冗余校验“（Cyclical Redundancy Check，CRC）校验码组成。其中，”访问码“又称为”访问地址/接入地址“（access address）。

 

      前导码：1个字节长度，接收中用于频率同步、数据速率同步、自动增益控制调整。前导是一个8比特的交替序列。对于在LE 1M物理层上发送的数据包前导码为8比特；对于在LE 2M物理层上发送的数据包前导码为16比特。不是01010101就是10101010，取决于接入地址的第一个比特。
若接入地址的第一个比特为0：01010101
若接入地址的第一个比特为1：10101010

      访问地址：4个字节长度，访问地址有两种类型（广播访问地址和数据访问地址）
广播访问地址：固定为0x8E89BED6，在广播、扫描、发起连接时使用。
数据访问地址：随机值地址，不同的连接有不同的值。在连接建立之后的两个设备间使用。

     PDU(Protocol Data Unit): 数据载荷

     CRC:数据循环冗余校验

 3.2 BLE广播

3.2.1 使用场景

• 单向、无连接的数据通信，发送者使用广播信道发送数据，接受者扫描接收数据
• 连接建立阶段

3.2.2 协议层次

GAP：以应用程序角度进行功能封装，提供一套统一的、通用的广播规范

HCI：将LL提供的功能抽象成Command/Events的形式，供上层使用

LL：负责广播通信相关功能的定义和实现，包括信道选择、链路状态定义、PDU定义、设备过滤机制等

3.2.3 LL

• 信道选择。BLE将蓝牙频段分成了40个物理信道，综合考虑（抗干扰等）后将其中三个作为广播信道，频段为0/12/39，编号是37-39
• 链路状态。参与广播的BLE设备，总是处于这三种状态之一

Advertising：广播状态，周期性地广播，数据发送方

Scanning：扫描状态，扫描并接受广播数据，数据接收方

Initiating：初始化状态，扫描到可连接的广播时，发起连接请求，连接发起方

广播PDU

        Type是指PDU的类型，如不同的状态下也有不同的消息类型，TxAdd和RxAdd都是地址类型flag，针对不同的type有不同的含义，RFU都是保留字段，Length标明payload的长度.

PDU type	PDU name	Description	Physical  Channel	Permitted PHYs
				LE 1M	LE 2M	LE coded
0000b	ADV_IND	常规广播，可连接可扫描 【后续建立点对点连接，监听CONNECT_REQ请求】	Primary	●
0001b	ADV_DIRECT_IND	点对点连接，已知双方蓝牙地址，无广播数据，可被指定设备连接不可扫描 【快速建立连接，不关心广播数据，监听CONNECT_REQ请求】	Primary	●
0010b	ADV_NONCONN_IND	同ADV_IND，不可连接不可扫描 【用于定时传输简单数据】	Primary	●
0011b	SCAN_REQ	接收ADV_IND/ADV_SCAN_IND后，请求更多信息 【接收广播数据后请求更多信息】	Primary	●
	AUX_SCAN_REQ		Secondary	●	●	●
0100b	SCAN_RSP	SCAN_REQ的响应，返回更多信息	Primary	●
0101b	CONNECT_REQ	接收ADV_IND/ADV_DIRECT_IND后，请求建立连接 【请求建立连接】	Primary	●
	AUX_CONNECT_REQ		Secondary	●	●	●
0110b	ADV_SCAN_IND	同ADV_IND，不可连接可扫描 【用于传输额外数据，监SCAN_REQ请求】	Primary	●
0111b	ADV_EXT_IND		Primary	●		●
	AUX_ADV_REQ		Secondary	●	●	●
	AUX_SCAN_RSP		Secondary	●	●	●
	AUX_SYN_IND		Secondary	●	●	●
	AUX_Chain_IND		Secondary	●	●	●
1000b	AUX_CONNECT_RSP		Secondary	●	●	●

Payload

ADV_IND

      这个比较经典和常用的 ADV PDU 了，它代表了咱们发出去的这个 ADV 包，是一个可连接的，并且可扫描的广播包。什么是可连接呢？意思是，我发出去这个包，别人想连接我，OK，没问题。可扫描指的是，有人处于 Scanning 状态，收到我的这个 ADV_IND 后，对端发起 SCAN_REQ，咱们回复他 SCAN_RSP。

       AdvA：本机地址 48bits

      AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

ADV_DIRECT_IND 

       顾名思义，咱们可以知道这种类型的数据包，是可连接的并且带指向性的（不可扫描），什么叫指向性呢，也就是，我指着对端的鼻子说，我这个包是专门给你准备的（来连接我啊）。所以这个包携带了本机地址和指着的那个地址。同时不允许携带数据： 

      AdvA：本机地址 48bits

     TargetA：对端地址 48bit

ADV_NONCONN_IND

        这种类型的 ADV PDU，属于不可连接，不可扫描，不定向的 ADV 包，包含了本机地址和数据（类似于，在空中散布谣言类型）

    AdvA：本机地址 48bits

    AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

ADV_SCAN_IND

    这种类型的 ADV PDU 是只能扫描的不定向的，不连接的 ADV

    AdvA：本机地址 48bits

   AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

BLE设备地址类型：

     TxAdd：发送地址字段

     RxAdd：接收地址字段

      发送地址字段和接收地址字段指示了设备使用公共地址(Public Address)还是随机地址(Random Address)。公共地址和随机地址的长度一样，都包含6个字节共48位。BLE设备至少要拥有这两种地址类型中的一种，当然也可以同时拥有这两种地址类型。

       1. 公共地址(Public Address)

       公共地址由两部分组成，如下图。公共地址由制造商从IEEE申请，由IEEE注册机构为该制造商分配的机构唯一标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)。这个地址是独一无二，不能修改的。

       2. 随机地址

      随机地址有包含两种：静态地址（Static Device Address）和私有地址（PrivateDevice Address）。

        静态地址有如下要求：

       a)静态地址的最高2位有效位必须是1。

       b)静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为0和1。

      在私有地址的定义当中，又包含了两个子类：不可解析私有地址（Non-resolvable Private Address）和可解析私有地址(Resolvable Private Address，RPA)。CH57x使用的是静态地址，芯片在出厂时自带全球唯一的48位MAC地址。在提供的driver代码中，有获取MAC的接口，可以直接调用。

   总结：

• Static Device Address：上电生成，46-bit的random+11，断电后可变

• Private Device Address：进一步提供定时更新和地址加密提高可靠行和安全性

• Non-resolvable Private Address：按周期定时更新，46-bit的random+00

• Resolvable Private Address：通过随机数和IRK（Identity Resolving Key）生成，24-bit的hash+22-bit的random+10

• Public Device Address：IEEE分配，24-bit的company_id+24-bit的company_assigned，类似MAC

• Random Device Address：随机生成，解决费用和维护、设备身份绑定的问题

Payload 长度

        广播报文：长度域包含6个比特，有效值的范围是6~37。

        数据报文：长度域包含5个比特，有效值的范围是0~31。

        广播报文和和数据报文的长度域有所不同，主要原因是：广播报文除了最多31个字节的数据之外，还必须要包含6个字节的广播设备地址。6+31=37，所以需要6比特的长度域。

       再次强调：广播时必须要包含6个字节的广播设备地址。

3.2.4 HCI

• 将Link Layer提供的功能封装成Command/Event组

• Command格式

        OCF（Opcode Command Field）表示特定的HCI命令，OGF（Opcode Group Field）表示该HCI命令所属组别，他们共同组成16位操作码；

       Parameter Total Length表示所有参数总长度

       所有BLE相关的HCI Command的OGF都是0x08

• Event格式

• 这些Command/Event包括广播、扫描、连接建立的相关操作，这些都可以通过hcitool命令进行测试

3.2.5 GAP

• 会从应用程序角度对各种状态和操作再一次进行封装，包括设备角色，通信的模式和操作的定义

• 与GAP广播通信相关的是广播和发现模式

  • Broadcast mode and observation procedure，广播模式及对应的解析过程，对应状态下的角色双方就是Broadcaster和Observer

  • Discovery modes and procedures，发现模式及对应的发现过程，对应的角色就是Peripheral和Central

广播数据格式

         广播/扫描应答数据，包含有意义部分和无意义部分（补齐为0），有意义部分是由一个个广播块（AD Structure）组成，每个广播块包含1字节长度（指示数据部分长度）和剩下的数据部分，数据部分又分为数据类型和数据内容，数据类型会指示真实Data部分的内容，例如0x01表示Data内容是描述设备物理连接状态，再例如0x08表示Data内容是设备名称，更多可以参考generic-access-profile.

        蓝牙广播包的最大长度是37个字节，其中设备地址占用了6个字节，只有31个字节是可用的。31个可用的字节又按照一定的格式来组织，被分割为n个AD Structure。如下图所示：

每个AD Structure包含又包含三部分：Length(1字节)，AD Type(1字节)，AD Data(n字节)

其中Length = AD Type 长度 + AD Data 长度

例如广播数据：

0x05,0x09,0x31,0x32,0x33,0x34,0x02,0x0A,0x08,0x06,0xFF,0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45

分割后如下所示

0x05,0x09,0x31,0x32,0x33,0x34

0x02,0x0A,0x08

0x06,0xFF,0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45

一共可以分割成三个AD Structure：

第一个AD Structure的长度为0x05，类型为0x09(完成的设备名称)，那么余下的数据含义就是完整的设备名称，0x31,0x32,0x33,0x34 按照UTF-8编码，就是1234。

第二个AD Structure的长度为0x02，类型为0x0A(发射功率)，那么后面的数据0x08表示的就是发射功率。

第三个AD Structure 的长度为 0x06，类型为0xFF(厂商自定义数据)，余下的数据0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45就是厂商自定义的内容。

 

 3.2.6 从机广播

       从机要被主机连接，那么它就必须先被主机发现。这个时候，从机设备把自身信息通过广播的形式发射出去。

       比如设备A需要先进行广播，即设备A（Advertiser）不断发送广播信号，t 为广播间隔。每发送一次广播包，我们称为一次广播事件（advertising event），因此 t 也称为广播事件间隔。广播事件时间是一段一段的，每次都会持续一段时间，蓝牙芯片也只有在广播事件期间才会打开射频模块发射广播，这个时间功耗比较高（几十毫安），其余时间蓝牙芯片都处于idle待机状态，因此平均功耗就非常低（几微安）。

       当广播发出的时候，每个广播事件包含了三个广播包，分别在37/38/39三个广播信道上进行发送。广播的内容是相同的。下图observer为主机观察者，advertiser就是从机广播者。

3.2.7 主机扫描

        设备A不断发送广播给主机（Observer），如果主机不开启扫描窗口，是收不到设备A的广播的。主机不但要开启射频接收窗口，而且主机的射频接收窗口要跟从机的广播发送窗口匹配才行。由于这种配对成功时一个概率事件，所以主机扫到设备A也是一个概率事件。也就是说，从机（Advertiser）可能很快就被主机（Observer）发现，也有可能从机（Advertiser）要很久才能被主机（Observer）发现。

       下图表示了主机主动扫描广播的过程：

        主机设置自身的扫描参数，设置成功后，控制器根据设置参数开启扫描窗口。当控制器收到扫描数据包后，向主机发送给一个广播报告事件（adv_report），该事件同样包括了链路层数据包的广播类型。因此，主机能够判断对端设备是否可以连接或扫描，并且区分出广播数据包和扫描响应数据包。

3.2.8 被动扫描

        既然有主动扫描，当然也就有被动扫描。在被动扫描中，扫描者设备应该仅仅去监听广播包，而不向广播者设备发送任何数据。

        一旦上面的扫描参数设置完毕，主机就可以启动扫描。如果控制器接收到的符合过滤策略和其他规划的广播数据包，则发送一个Advertising Report事件给主机。除了广播者的设备地址外，报告事件还包括广播数据包中的数据，以及接收广播数据包时的信号接收强度。可以利用该信号强度以及位于广播数据包中的发射功率，共同确定信号的路径损失，从而给出大致的范围，这个应用就是防丢器和蓝牙定位。被动扫描不需要向主机发送任何数据。

 

3.3 建立连接

      经典蓝牙中保持连接非常耗费资源，但是每次连接建立效率又非常低，为了优化体验，BLE简化了连接过程（毫秒级），极大的降低了面向连接通信的代价

      蓝牙通信系统中，对于连接的定义是：在约定的时间段内，双方都到一个指定的物理Channel上通信。

• 角色定义。BLE为处于连接状态的两个设备定义了两个角色，Master和Slave。Master作为连接发起方，定义和连接相关的参数，Slave是连接的接收方，请求连接参数。

3.3.1 PDU格式

      面向连接的通信使用特定的PDU，称为Data channel PDU

LLID（逻辑链路ID）：指示Data Channel传输的PDU类型，传输数据是LL Data PDU，传输控制信息是LL Control PDU，0x01表示该数据包是一个帧的延续内容，或者这是一个空的“逻辑链路控制及适配协议”数据包；0x02表示一个“逻辑链路控制及适配协议”数据包的开始；0x03表示这是一个“逻辑链路控制”数据包的内容

NESN：下一个期望的序列号，用于对接收到的数据包进行确认，NESN（Next Expected Sequence Number）和SN（Sequence Number）用于数据传输过程中的应答和流控

MD：更多数据字段，主要是为了说明发送方是否还有要发给接收者的数据，用于关闭连接。

RFU ：保留位

Length：用以表示包含“信息完整性校验码”（Message Integrity Check，MIC）在内的“有效载荷数据”的长度，包括Payload和MIC。

数据PDU数据
同广播报文PDU数据

校验码：3个字节长度，“循环冗余校验”（Cyclical Redundancy Check，CRC），可检查数据的正确性。

3.3.2 建立连接

1. 可连接状态的设备（Advertiser）按照一定周期广播可连接数据包

2. 主动连接的设备（Initiator）收到广播包后回应一个连接请求（约定时间点、物理信道等）

3. Initiator发送完毕后进入连接状态，成为Master

4. Advertiser接收到连接请求后也进入连接状态，成为Slave

5. 双方按照参数约定，定时切换到某一物理信道，开始依次收发数据，直至连接断开

     主机在收到A1广播包ADV_IND后，以此为初始点，T_IFS时间后，给Advertiser（从机）发送一个connection request命令，即A2数据包，告诉advertiser（从机）将要进行连接，做好准备。Advertiser（从机）根据connect_req命令信息做好接收准备。connect_req其实就是告诉advertiser手机（主机）将在Transmit Window期间发送第一个同步包（P1），请advertiser（从机）在这段时间内打开接收窗口。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给手机（主机）回复数据包P2。一旦手机（主机）收到数据包P2，连接即认为建立成功。后续手机（主机）将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送Packet。

HCI 

• 封装Link Layer的功能，主要包括连接的建立、关闭、参数设置和管理，以及数据封装和转发

GAP

• 定义设备具有的能力和操作

 3.4 发送和接收数据

       连接成功后，主机和从机在每一个connection interval开始的时候，都必须交互一次，即主机给从机发一个包，从机再给主机发一个包。整个交互过程被称为一个connection event。蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开，此时功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都处于idle状态，因此平均功耗非常低。

       主机不可能时时刻刻都有数据给从机，所以主机大部分时间都是发的空包（empty packet）给从机。同样从机也不是时时刻刻都有数据给主机。因此从机回复给主机的包，大部分也是空包。另外，一个connection event期间，主机可以发多个包给从机，以提高吞吐率（IOS一个连接间隔最多交互4次，安卓一个连接间隔最多交互6次）。综上所述，连接成功后的通信时序图如下：

       图中，主从数据发送的数据包TX和RX表示方向性的数据通道，也就是蓝牙的空中属性，空中操作时间都是采用蓝牙操作句柄来进行的。因为句柄能够唯一表示各个属性。空中特性的性质包括：

       从机->主机方向：

通知：从机端上报数据给主机，不需要主机回复一个响应

指示：从机端上报数据给主机，需要主机端回复一个确认

通知和指示之间不同之处在于指示有应用层上的确认，而通知没有。

       主机->从机方向：

写

没有回应的写

读