BLE (低功耗蓝牙)协议入门-01

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本章介绍蓝牙协议(重点介绍：BLE)的基本特点、版本演进、协议的构成、等基础知识，本章重在了解，目的是对BLE协议有个大概的认知，即了解BLE协议栈的全貌。后续的章节会对每一部分单独进行详细的讲解。

00-蓝牙的历史

  • 蓝牙（英语：Bluetooth），一种无线通讯技术标准，用来让固定与移动设备，在短距离间交换资料，以形成个人局域网（PAN）。其使用短波特高频（UHF）无线电波，经由2.4至2.485 GHz的ISM频段来进行通信。1994年由电信商爱立信（Ericsson）发展出这个技术。它最初的设计，是希望创建一个RS-232数据线的无线通信替代版本。它能够链接多个设备，克服同步的问题。

  • 蓝牙技术目前由蓝牙技术联盟（SIG）来负责维护其技术标准，其成员已超过三万，分布在电信、电脑、网络与消费性电子产品等领域。IEEE曾经将蓝牙技术标准化为IEEE 802.15.1，但是这个标准已经不再继续使用。

  •  蓝牙技术联盟 （英语：Bluetooth Special Interest Group，缩写为SIG）拥有蓝牙的商标，负责制定蓝牙规范、认证制造厂商，授权他们使用蓝牙技术与蓝牙标志，但本身不负责蓝牙设备的设计、生产及贩售。

   
版本 主要功能
1.1 传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之间的类似通信产品干扰，影响通讯质量；单工
1.2 同样是只有748~810kb/s的传输率，但增加了抗干扰跳频功能；单工
2.0 2.0是1.2的改良提升版，传输率约在1.8M/s~2.1M/s，可以有(双工)的工作方式
2.1 为了改善蓝牙技术存在的问题，蓝牙SIG组织(Special InterestGroup)推出了Bluetooth 2.1+EDR版本的蓝牙技术。改善装置配对流程：以往在连接过程中，需要利用个人识别码来确保连接的安全性，而改进过后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接
3.0+HS 2009年4月21日，蓝牙高速版，传输速率可达24Mbps
4.0 支持低功耗；AES-128加密 将传统蓝牙技术、高速蓝牙技术和低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，简称BLE）技术集为一体
4.1 IoT相关的特性增强
4.2 2014年12月4日，支持：IPv6；隐私保护；加密算法升级；DLE支持
5.0 2016年6月16日在伦敦正式发布,为现阶段最高级的蓝牙协议标准； • 4 X Range • 2 X Speed • 800% Broadcast Capacity

​ 2019年1月，蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.1规范。

​ 2020年1月，蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.2规范。
  • 从上表演进史可以得出，4.0之前的版本演进主要在追求通信速度，3.0高速蓝牙达到了24Mbps；4.0及其之后的版本演进主要在追求低功耗/低成本等物联网IoT特性。
  • 我们常说的蓝牙4.0不等同于BLE，BLE只是蓝牙4.0的子集；蓝牙4.0是一个综合性协议规范。
  • 蓝牙4.0版本以后技术模式上分为低功耗蓝牙(BLE)和经典蓝牙(BR/EDR)两种、市场芯片多数为仅支持BLE的，也有两者都支持的（双模蓝牙芯片）。
  • 蓝牙芯片的三种功能配置：

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01-蓝牙协议栈

蓝牙协议栈由主机 + HCI(可选) + 控制器三大块组成，其中对于单芯片方案是没用HCI的。

  • 主机(Host) ：主机部分由核心协议层(L2CAP、SDP、SMP、ATT)和核心规范(GAP、GATT)构成；
  • 控制器(Controller)：此部分拆分为低功耗蓝牙（Vol 6: Low Energy Controller）和经典蓝牙（Vol 2: BR/EDR Controller）两个章节说明
  • HCI：此部分定义了主机和控制器之间通信的接口标准（Vol 4: Host Controller Interface），可以是UART、USB等通信方式。

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  • 上图中红色部分是BR/EDR经典蓝牙的必选项，绿色部分是LE低功耗蓝牙必选项，蓝色部分是公共部分；当然经典蓝牙也可以具备绿色部分特性。HCI接口根据芯片架构有关，是可选项。
  • BLE协议栈的实现方式采用分层的思想：
    • 控制器部分包括：物理层（PHY）、链路层（LL）、控制接口层（HCI）
    • 主机部分包括：裸机链路控制及自适应协议层（L2CAP）、安全管理层（SMP）、属性协议层（ATT）、通用访问配置文件层（GAP），通用属性配置文件层（GATT）
  • 下图为一个经典BLE系统框架图，尔其中的  Host 、 Controller 就是BLE协议栈。

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02-物理层

  • BLE的物理层定义了如何使用无线电发射器/接收器来编码和解码用于传输和接收的数字数据，以及应用的其他无线电相关参数和属性。[现阶段可以略过]
  • 主要了解下Frequency Band
    • BLE在2400Mhz至2483.5 MHz的2.4GHz免授权频段内工作。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固定为广播信道，其余为数据信道。 undefined

03-链路层（LL）

  • 低功耗蓝牙参考 《Core_v5.3.pdf》中 Part B: Link Layer Specification 章节部分，LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。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。
  • 报文是链路层的基石，是BLE通信的基础设施,它包含四个字段：前导码、访问地址、协议数据单元(PDU)和循环冗余校验(CRC)。在广播、扫描或建立连接的过程中使用广播通道PDU 传输广播包。而用于与连接器件交换数据的数据包是通过数据通道PDU 传输的。链路层数据包的格式如图： undefined
  • 广播包的报头与数据包的报头内容不同
    •  广播包 的报头，包含了：PDU Type(4bit) 广播报文类型、RFU(1bit) 未使用、ChSel(1bit) 未使用、TxAdd(1bit) 发送地址类型、RxAdd(1bit) 接收地址类型、length(8bit) payload长度。
    •  数据包 的包头，包含了：LLID(2bit)逻辑链路标识符、NESN(1bit)下一个预期序列号、SN(1bit)序列号、MD(1bit)更多数据、RFU(3bit)保留、length(8bit)长度。

04-HCI层

  • HCI (Host Controller interface)， 为Host访问Controller提供一组标准的接口
  • 主要完成3个任务：
    • Host通过HCI发送命令给Controller
    • Controller通过HCI将事件发送给Host
    • 传递ACL Data(面向连接，在连接通道上进行数据传输)
  • 这里所说的接口既包括两个设备之间的物理接口，也包括逻辑接口。逻辑接口定义了命令、事件和数据的封包格式。而物理接口定义了主机和控制器之前如何传输这些数据。蓝牙规范定义了4种物理接口，3线 串口 、4线串口、HID、SDIO。这里不做过多介绍。

05-L2CAP层

  • L2CAP是个复用层，可以让低功耗蓝牙复用三条不同的信道。它也支持数据的分割和重组功能，使得较大的报文可以在底层无线电中传输。
  • 主要功能：屏蔽了控制器传输协议中的许多特性，方便高层协议的开发；报文分片和重组(SAR)；流控、重传、报文完整性校验等。 undefined

06-SMP层

  • SMP（Secure manager protocol）。定义了蓝牙设备配对、认证、解密等行为的安全操作，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。

07-ATT层

  • ATT（属性协议）：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。
  • ATT数据格式（本章简单了解即可） undefined

08-GATT层

  • GATT(Generic Attribute Profile, 通用属性规范)，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，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。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题。

09-GAP层

  • GAP(Generic Access Profile, 通用访问规范)：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（用于区分设备是手机还是电脑）。 其他详情可参考《Core_v5.3.pdf》中 Part C: Generic Access Profile 章节部分。

参考：

 蓝牙协议学习入门 - SeeDeer的博客 

蓝牙技术联盟核心规范： http://www.bluetooth.com

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