Bluetooth 報文知識點

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• Bluetooth 報文結構

    一、 Bluetooth報文結構

　  1、 BLE報文結構如下，由下圖所示的各個域組成。因為有的域的長度超過了一個字節，所以在傳輸的過程中就涉及到多字節域中哪個字節先傳輸的問題，BLE報文傳輸時的字節序和比特序如下：

•  字節序：大多數多字節域是從低字節開始傳輸的。注意，並不是所有的多字節域都是從低字節開始傳輸的。

•  比特序：各個字節傳輸時，每個字節都是從低位開始。

       

      1.1 前導

　　前導是一個8比特的交替序列。它不是01010101就是10101010，取決於接入地址的第一個比特。

• 若接入地址的第一個比特為0：01010101
• 若接入地址的第一個比特為1：10101010

　　接收機可以根據前導的無線信號強度來配置自動增益控制。

       1.2 接入地址

　　接入地址有兩種類型：廣播接入地址和數據接入地址。

• 廣播接入地址：固定為0x8E89BED6，在廣播、掃描、發起連接時使用。

• 數據接入地址：隨機值，不同的連接有不同的值，在連接建立之后的兩個設備間使用。

　　   對於數據信道，數據接入地址是一個隨機值，但需要滿足下面幾點要求：

         1)  數據接入地址不能超過6個連續的“0”或“1”。

         2)  數據接入地址的值不能與廣播接入地址相同。

         3)  數據接入地址的4個字節的值必須互補相同。

         4)  數據接入地址不能有超24次的比特翻轉(比特0到1或1到0，稱為1次比特翻轉)。

         5)  數據接入地址的最后6個比特需要至少兩次的比特翻轉。

         6)  符合上面條件的有效隨機數據接入地址大概有231個。

      1.3 報頭

         1.3.1 廣播報文報頭

　　        報頭的內容取決於該報文是廣播報文還是數據報文。廣播報文的報頭如下圖所示：

                    

                                                            圖2：廣播報文報頭

 

         廣播報文的報頭包含4bit廣播報文類型、2bit保留位、1bit發送地址類型和1bit接收地址類型。

        1) 廣播報文類型

　　      Core_v4.2的2583頁描述了廣播報文類型，共有7種類型，如下圖所示。

         

                                                               圖3：廣播報文類型

       2) 發送地址類型和接收地址類型

　　發送地址類型和接收地址類型指示了設備使用公共地址(Public Address)還是隨機地址(Random Address)。公共地址和隨機地址的長度一樣，都包含6個字節共48位。BLE設備至少要擁有這兩種地址類型中的一種，當然也可以同時擁有這兩種地址類型。

•  公共地址(Public Address)

　　    公共地址由兩部分組成，如下圖。公共地址由制造商從IEEE申請，由IEEE注冊機構為該制造商分配的機構唯一標識符OUI(Organizationally Unique Identifier)。這個地址是獨一無二，不能修改的。Core_v4.2 P2576的1.3.1節描述了公共地址。

                         

                                                                                                           圖4：公共地址結構

•    隨機地址

　　      隨機地址有包含兩種：靜態地址（Static Device Address）和私有地址（PrivateDevice Address）。Core_v4.2 P2577的1.3.2.1節描述了靜態地址。

                       

                                                                                                                                      圖5：靜態地址格式

       靜態地址有如下要求：

           a) 靜態地址的最高2位有效位必須是1。

           b) 靜態地址最高2位有效位之外的其余部分不能全為0。

           c) 靜態地址最高2位有效位之外的其余部分不能全為1。

　   在私有地址的定義當中，又包含了兩個子類：不可解析私有地址（Non-resolvable Private Address）和可解析私有地址(Resolvable Private Address，RPA)。nRF51822使用的是靜態地址，芯片在出廠時已經設置好了48位地址，我們可以從下面兩個寄存器讀出地址類型和地址。

           a)  DEVICEADDRTYPE寄存器。

          DEVICEADDR[n]寄存器：包含DEVICEADDR[0]和DEVICEADDR[1]兩個寄存器。

        

 

                                                                                              圖6：地址類型寄存器

        

                                                                                                 圖7：地址寄存器

      1.4 長度

•   廣播報文：長度域包含6個比特，有效值的范圍是6~37。
•   數據報文：長度域包含5個比特，有效值的范圍是0~31。

　　    廣播報文和和數據報文的長度域有所不同，主要原因是：廣播報文除了最多31個字節的數據之外，還必須要包含6個字節的廣播設備地址。6+31=37，所以需要6比特的長度域。

　　    再次強調：廣播時必須要包含6個字節的廣播設備地址。

 

     1.5 數據(AdvData)

　　    廣播和掃面響應的數據格式如下圖所示，由有效數據部分和無效數據部分組成。

         

                                                                               圖8：廣播和掃描響應的數據格式

     1)  有效數據部分：包含N個AD Structure，每個AD Structure由Length，AD Type和AD Data組成。其中：

• Length：AD Type和AD Data的長度。
• AD Type：指示AD Data數據的含義。

     1.6 校驗 

　    　BLE采用的是24位CRC校驗。CRC對報頭、長度和數據進行計算。24位CRC的生成多項式如下：

      

 2.  廣播包解析

     2.1 捕獲廣播包

         

                                                                                   圖11：查看廣播包傳輸的數據

     2.2 分析廣播包

        為了方便分析，我們先取出這個廣播包實際傳輸的數據，如圖9中所示。心率計完整的廣播報文如下：

　　D6 BE 89 8E 40 21 60 BF 8A B9 CD C5 0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D 03 19 41 03 02 01 06 07 03 0D 18 0F 18 0A 18 EF A6 F0

      2.2.1  接入地址

　　     D6 BE 89 8E：接入地址，對廣播來說是固定值。注意一下這里的字節序，接入地址傳輸時是低字節在前的。

      2.2.2  PDU

            40：廣播報文報頭。

                    bit0~bit3是0000，說明廣播類型是ADV_IND，即通用廣播指示。

                    bit7(RxAdd)是0，bit7(TxAdd)是1，說明使用的是隨機地址(random address)。Core_V4.2 P2584的2.3.1有詳細的描述。

            21：長度，表示這個廣播的長度是33個字節。

            9A 3F 20 FB 74 C5：設備地址，這里使用的是隨機靜態地址。

            接下來就是廣播包最重要的部分了，稱之為AdvData，前面我們說過AdvData是N個AD Structure組層成，每個AD Structure的格式都是Length |AD Type|AD Data組成。

             0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D 03 19 41 03 02 01 06 07 03 0D 18 0F 18 0A 18

            第一個字節0B表示第一個AD Structure的長度是11個字節，即第一個AD Structure是由0B加上緊跟着0B后面的11個字節組成，因此，第一個AD Structure是：

            0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D

                                                                                                                                         表1：第1個AD Structure的意義

Length	AD Type	AD Data
0B	09	4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D
11字節	AD type為“完整的本地名稱”	程序中定義的為”Nordic_HRM”對應的十六進制就是4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D

              第2個AD Structure是：03 19 41 03

                                                                                                                                          表2：第2個AD Structure的意義

Length	AD Type	AD Data
03	19	41 03
3字節	AD type為“外觀特性”	外觀特性是一個16位的數值，由SIG定義，用來列舉設備的外觀樣式，指示設備是普通手機，手環什么的。

             第3個AD Structure是：02 01 06

                                                                                                                                           表3：第3個AD Structure的意義

Length	AD Type	AD Data
02	01	06
2字節	AD type為“Flag”	flag說明了物理連接功能，比如有限發現模式，不支持經典藍牙等。         bit 0: LE 有限發現模式。         bit 1: LE 普通發現模式。         bit 2: 不支持 BR/EDR。         bit 3: 對 Same Device Capable(Controller) 同時支持 BLE 和 BR/EDR。         bit 4: 對 Same Device Capable(Host) 同時支持 BLE 和 BR/EDR。 bit 5..7: 預留。

            第4個AD Structure是：07 03 0D 18 0F 18 0A 18

                                                                                                                                          表4：第4個AD Structure的意義

Length	AD Type	AD Data
07	03	0D 18 0F 18 0A 18
7字節	AD type為“16bit Service uuid列表”	該設備支持的完整的16bit Service uuid列表。       180D：Heart Rate service UUID(心率服務UUID)       180F：Battery service UUID(電池服務UUID)       180A：Device Information service UUID(設備信息服務UUID)

         16bit UUID：

        128位的UUID相當長，設備間為了識別數據的類型需要發送長達16字節的數據。為了提高傳輸效率，藍牙技術聯盟(SIG)定義了一個稱為“UUID基數”的128位通用唯一識別碼，結合一個較短的16位數使用。二者仍然遵循通用唯一識別碼的分配規則，只不過在設備間傳輸常用的UUID時，只發送較短的16位版本，接收方收到后補上藍牙UUID基數即可。

         藍牙UUID基數如下：

          00000000 – 0000 – 1000 – 8000 – 008059B34FB

          如要發送的16位UUID為0x2A01，完整的128的UUID便是：

         00002A01 – 0000 – 1000 – 8000 – 008059B34FB

          低功耗藍牙使用的那部分UUID被分為下列幾組：

          0x1800 ~ 0x26FF：用作服務類通用唯一識別碼。

          0x2700 ~ 0x27FF：用於標識計量單位。

          0x2800 ~ 0x28FF：用於區分屬性類型。

          0x2900 ~ 0x29FF：用作特性描述。

          0x2A00 ~ 0x7FFF：用於區分特性類型。

 

      2.2.3 校驗

　　  EF A6 F0：24位CRC。24位CRC的生成多項式如下，對CRC算法感興趣的朋友可以研究一下：