从物理层到应用层：蓝牙协议栈分层设计及BLE低功耗演进之路

目录

一、蓝牙协议架构（Bluetooth Protocol Stack）

1.物理层（PHY - Physical Layer）

2.链路层（LL - Link Layer）

3.逻辑链路控制与适配协议（L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol）

4.高层协议

4.1 通用访问协议（GAP - Generic Access Profile）

4.2 通用属性协议（GATT - Generic Attribute Profile）

4.3 属性协议（ATT - Attribute Protocol）

4.4 安全管理协议（SM - Security Manager）

5.应用层（Application Layer）

二、蓝牙协议架构对比（BLE vs. 经典蓝牙 BR/EDR）

总结

蓝牙协议架构采用 分层结构，从底层的物理通信到上层的应用数据传输，涵盖了多个协议组件。蓝牙协议栈适用于 经典蓝牙（BR/EDR） 和 低功耗蓝牙（BLE - Bluetooth Low Energy），它们的基本架构相似，但 BLE 针对低功耗优化，适用于 IoT 设备、智能家居、可穿戴设备等。

 

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一、蓝牙协议架构（Bluetooth Protocol Stack）

蓝牙协议分为以下 五层（从底层到高层）：

1.物理层（PHY - Physical Layer）

• 负责 无线电波传输，采用 2.4 GHz ISM 频段（工业、科学和医疗用途）。

• 调制方式：

  • 经典蓝牙（BR/EDR）：GFSK（1 Mbps）+ π/4 DQPSK、8DPSK（最高 3 Mbps）。

  • 低功耗蓝牙（BLE）：GFSK（1 Mbps / 2 Mbps，BLE 5.0 支持长距离模式 Coded PHY）。

• 信道划分：

  • BR/EDR：79 个信道（1 MHz 间隔）。

  • BLE：40 个信道（2 MHz 间隔，其中 3 个用于广播）。

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2.链路层（LL - Link Layer）

• 负责 设备发现、连接建立和维护，控制数据包的传输。

• BLE 主要通信模式：

  • 广播（Advertising）：从设备（Peripheral）发送广播包，主设备（Central）可监听和连接。

  • 扫描（Scanning）：主设备监听广播包，确定是否连接。

  • 连接（Connection）：主设备与从设备建立连接，开始数据交互。

  • 数据传输：采用主从模式，数据按连接间隔传输。

• BLE 低功耗特性：

  • 设备可以进入 睡眠模式，降低功耗。

  • BLE 5.0 以上支持 扩展广播（Extended Advertising） 和 周期性广播（Periodic Advertising），提高吞吐量和稳定性。

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3.逻辑链路控制与适配协议（L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol）

• 负责 数据多路复用、分片和重组，将数据从高层协议传输到底层链路层。

• 功能：

  • 协议多路复用（允许多个协议共享蓝牙链路）。

  • 数据分片（如果数据包大于 MTU，会拆分数据）。

  • 信道管理（控制主机之间的数据流）。

• 在 BLE 中的优化：

  • 只支持 LE 信道（固定的 信道 ID）。

  • 信用流控模式（Credit-Based Flow Control），提高吞吐量。

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4.高层协议

高层协议包括 GAP、GATT、ATT、SM、RFCOMM、SDP 等，其中 BLE 主要使用 GAP、GATT、ATT、SM。

4.1 通用访问协议（GAP - Generic Access Profile）

• 定义设备 角色、连接模式和发现方式。

• BLE 设备角色：

  • 主设备（Central）：负责扫描和连接 BLE 从设备（如智能锁、传感器）。

  • 从设备（Peripheral）：发送广播包，等待连接（如 BLE 传感器）。

  • 广播设备（Broadcaster）：仅发送广播数据，不接受连接（如 BLE 信标）。

  • 观察者（Observer）：仅扫描广播数据，不主动连接（如 BLE 监控设备）。

• GAP 主要功能：

  • 设备发现（Scanning & Advertising）。

  • 连接建立和终止。

  • 设备配对（Pairing）和加密（Security）。

4.2 通用属性协议（GATT - Generic Attribute Profile）

• BLE 核心数据交互协议，基于 ATT（Attribute Protocol） 进行数据传输。

• 采用客户端-服务器架构：

  • 服务器（Server）：存储数据，例如智能锁的状态信息。

  • 客户端（Client）：读取或写入数据，例如手机 App 读取智能锁状态。

• GATT 结构：

  • 服务（Service）：包含多个特征值（如“电池服务”）。

  • 特征值（Characteristic）：具体的数据项（如“电池电量”）。

  • 属性（Attribute）：存储 UUID、权限等信息。

  • 主要操作：

    • Read（读取）：客户端请求读取服务器数据。

    • Write（写入）：客户端向服务器发送数据。

    • Notify（通知）：服务器主动推送数据，无需客户端确认。

    • Indicate（指示）：类似 Notify，但需要客户端确认。

4.3 属性协议（ATT - Attribute Protocol）

• 定义 GATT 数据结构，规定数据存储方式和访问方式。

• 每个 BLE 设备的 GATT 服务器都由多个 ATT 组成：

  • 每个 ATT 由 UUID（唯一标识符）标识。

  • 允许数据进行读、写、通知（Notify）、指示（Indicate）。

4.4 安全管理协议（SM - Security Manager）

• 负责 设备配对、加密和密钥交换，确保数据安全性。

• 主要安全机制：

  • 设备配对（Pairing）：

    • Just Works（无认证，易受攻击）。

    • Passkey（输入 6 位 PIN 码）。

    • Out of Band（OOB，使用 NFC 交换密钥）。

    • LE Secure Connections（蓝牙 4.2+，使用 AES-CCM 加密）。

  • 数据加密：

    • 使用 AES-CCM 加密传输数据，防止窃听。

    • 配对后存储密钥（Bonding），下次自动连接。

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5.应用层（Application Layer）

• 具体应用程序实现：

  • BLE 智能锁：GATT 服务用于开锁/关锁。

  • BLE 传感器：定期发送温湿度数据。

  • BLE Mesh 网络：用于智能家居，实现多设备通信。

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二、蓝牙协议架构对比（BLE vs. 经典蓝牙 BR/EDR）

层级	BLE（低功耗蓝牙）	经典蓝牙（BR/EDR）
物理层	GFSK 调制，1 Mbps / 2 Mbps	GFSK，最大 3 Mbps
链路层	设备广播、低功耗连接	高速流数据传输
L2CAP	仅支持 LE 信道	支持 LE 和 BR/EDR 信道
GAP	低功耗连接、主从架构	点对点、主从/多点
GATT	适用于传感器、控制设备	仅限 BR/EDR，不适用
数据速率	最大 2 Mbps（BLE 5.0）	最大 3 Mbps
功耗	低，适用于电池供电设备	高，适用于持续传输
应用	智能锁、IoT 设备、健康设备	蓝牙音箱、鼠标、耳机

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总结

• 蓝牙协议架构分层清晰，低功耗蓝牙（BLE）更适用于物联网（IoT）和智能设备。

• BLE 设备的基本架构包括 硬件层、协议栈层、应用层。

• 协议栈层主要包含 PHY、LL、L2CAP、GAP、GATT、SM 等。

• GATT 和 ATT 负责 BLE 设备的数据传输，采用 UUID 标识服务和特征值。

• BLE 设备通信基于主从模式，Central 设备控制 Peripheral 设备。

• BLE 设备通信主要基于 GATT 交互，支持读、写、通知、指示。

扩展阅读：

从物理层到应用层：蓝牙协议栈分层设计及BLE低功耗演进之路	https://blog.csdn.net/moton2017/article/details/146873128
BLE设备完整工作流程详解：从初始化到数据交互的核心步骤与代码示例	https://blog.csdn.net/moton2017/article/details/146873377