BLE——協議層次結構

未完待續……

 

BLE協議	Bluetooth Application		Applications
			GATT-Based Profiles/Services
	Bluetooth Core （Stack）	BLE Host	ATT、GATT、SM
			GAP
			L2CAP
		HCI（對藍牙協議無影響）
		BLE Controller	Link Layer
			Physical Layer

1  Bluetooth Core（Stack） 

　　藍牙核心協議，關注藍牙核心技術的描述和規范，只提供基礎的機制。

　　藍牙核心協議由Controller和Host兩部分組成，在一個系統中，Host只有一個，但Controller可以有多個，如：單獨的LE Controller；單獨的BR/EDR Controller；單獨的LE+BR/EDR Controller；在單獨的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基礎上，增加一個或多個額外的AMP Controller。

1.1  Controller

　　Controller實現射頻相關的模擬和數字部分，完成最基本的數據發送和接收，Controller對外接口是天線，對內接口是主機控制器接口HCI（Hostcontroller interface）；控制器包含物理層PHY（physicallayer），鏈路層LL（linker layer），直接測試模式DTM（Direct Test mode）以及主機控制器接口HCI。

1.1.1  Physical Layer

　　頻率選擇（2402-2480MHz） + 信道選擇（40） + 信道間隔（2MHz） + 調制方式（GFSK） + 數據傳輸速率（1Mbps）+ 接收靈敏度 + 發射功率 + 雜散輻射 + 射頻容差

1、信道選擇

物理信道（Physical Channel）為： F=2402+k*2MHz ，k=0,…,39，共40個信道。

Physical Channel = RF Channel

1.1.2.  Link Layer

信道分類（3+37） + 廣播信道定義（37、38、39） + 數據通道分發（跳頻） + 狀態角色定義和切換 + 數據包校驗重傳

 

LL – Link Layer – Logic Link

　　1、廣播信道定義

37ch —— 2402MHz

38ch —— 2426MHz

39ch —— 2480MHz

之所以選定3個廣播信道是一種權衡，少了可能會被阻塞，多了會增加功耗。3個廣播信道剛好避開了WiFi的1ch，6ch，11ch，所以BLE廣播的時候，不會被WiFi影響。（PS：可以人為阻塞這三個通道）

 

　　2、數據信道切換

BLE匹配之后，LL由廣播信道切換到數據信道，具體使用哪個數據信道在匹配時約定，且連接不會長期使用一個固定通道，會通過跳頻技術隨機有規律切換。

　　3、定義狀態和角色

 

圖 2 Link Layer狀態機

Standby狀態是初始狀態，即不發送數據，也不接收數據。根據上層實體的命令（如位於host軟件中GAP），可由其它任何一種狀態進入，也可以切換到除Connection狀態外的任意一種狀態。

Advertising狀態是可以通過廣播通道發送數據的狀態，由Standby狀態進入。它廣播的數據可以由處於Scanning或者Initiating狀態的實體接收。上層實體可通過命令將Advertising狀態切換回Standby狀態。另外，連接成功后，也可切換為Connection狀態。

Scanning狀態是可以通過廣播通道接收數據的狀態，由Standby狀態進入。根據Advertiser所廣播的數據的類型，有些Scanner還可以主動向Advertiser請求一些額外數據。上層實體可通過命令將Scanning狀態切換回Standby狀態。

Initiating狀態和Scanning狀態類似，不過是一種特殊的接收狀態，由Standby狀態進入，只能接收Advertiser廣播的connectable的數據，並在接收到數據后，發送連接請求，以便和Advertiser建立連接。當連接成功后，Initiater和對應的Advertiser都會切換到Connection狀態。

Connection狀態是和某個實體建立了單獨通道的狀態，在通道建立之后，由Initiating或者Advertising自動切換而來。通道斷開后，會重新回到Standby狀態。

通道建立后（通常說“已連接”），處於Connection狀態的雙方，分別有兩種角色Master和Slave：

Initiater方稱作Master

Advertiser方稱作Slave

 

　　4、Air Interface Protocol

解決兩個問題：不同實體間在對應狀態下的數據交換，根據上層實體的指令以及實際情況負責狀態之間的切換。

 

定義Physical Channel上收發的數據包格式：

Preamble（1 octet） Access Address（4 octets） PDU（2 to 257 octets） CRC（3 octets）

 

定義不同類型的PDU及其格式：

Advertising channel中Advertising有關的PDU

Advertising channel中Scanning有關的PDU

Advertising channel中Initialing有關的PDU

Data channel中LL data有關的PDU

Data channel中LL control有關的PDU

 

針對廣播通道以白名單（White List）的形式定義Link Layer的數據過濾機制

 

執行廣播通道上實際的packet收發操作

 

定義連接建立的方式及過之后的應答、流控等機制

 

　　5、Link Layer Control

抽象出來一個鏈路控制協議（Link Layer Control），用於管理、控制兩個Link Layer實體之間所建立的這個Connection，主要功能包括：

更新Connection相關的參數，如transmitWindowSize、transmitWindowOffset、connInterval等等（具體意義這里不再詳述）；

更新該連接所使用的跳頻圖譜（使用哪些Physical Channels）；

執行鏈路加密（Encryption）有關的過程。

1.2.  HCI

1. 1. HCI作用圖解

 

圖 3 HCI作用圖解

定義Host和Controller（通常是兩顆IC）之間的通信協議，對理解藍牙協議來說，是無關緊要的。向上為主機提供軟件應用程序接口（API）。

1. 1. HCI內容

HCI邏輯上定義一系列的命令，事件；

物理上有UART，SDIO，USB，SPI接口；

實際可能包含里面的任意1種或幾種。常見RF測試時，我們常使用UART發送標准的HCI指令控制Controller。

1.3.  Host

主機host是藍牙協議棧的核心部分，GAP層負責制定設備工作的角色，SS層負責指定安全連接，Logic Link層功能非常強大，官方作用為協議/通道的多路復用，負責上層應用數據（L2CAPService Data Units，SDUs）的分割（和重組），生成協議數據單元（L2CAP Packet Data Units，PDUs），以滿足用戶數據傳輸對延時的要求，並便於后續的重傳、流控等機制的實現。

1.3.1  L2CAP

提供數據封裝服務，將LL提供的Logical Channel換分為一個個的L2CAP Channel，以便提供應用程序級別的通道復用。

 

邏輯連接控制和適配協議，Logic Link Control and Adaptation Protocol

Protocol/channel multiplexing，協議/通道的多路復用；

Segmentation and reassembly，上層應用數據（L2CAP Service Data Units，SDUs）的分割（和重組），生成協議數據單元（L2CAP Packet Data Units，PDUs），以滿足用戶數據傳輸對延時的要求，並便於后續的重傳、流控等機制的實現；

Flow control per L2CAP channel，基於L2CAP Channel的流控機制；

Error control and retransmissions，錯誤控制和重傳機制；

Support for Streaming，支持流式傳輸（如音頻、視頻等，不需要重傳或者只需要有限重傳）；

Fragmentation and Recombination，協議數據單元（PDUs）的分片（和重組），生成符合Link Layer傳輸要求的數據片（長度不超過251，具體可參考5.4.1中有關的介紹）；

Quality of Service，QoS的支持。

 

Protocol/channel multiplexing

channel multiplexing（基於通道的多路復用）—— CID，Channel ID

Protocol multiplexing（基於協議的多路復用）——只允許在BR/EDR controller中使用

1.3.2  ATT（Attribute Protocol）

負責數據檢索

對上文的總結：Physical Layer負責提供一系列的Physical Channel；基於這些Physical Channel，Link Layer可在兩個設備之間建立用於點對點通信的Logical Channel；而L2CAP則將這個Logical Channel換分為一個個的L2CAP Channel，以便提供應用程序級別的通道復用。到此之后，基本協議棧已經構建完畢，應用程序已經可以基於L2CAP歡快的run起來了。

 

1. 1. 特點

基於L2CAP，使用固定的Channel ID（0x004）

采用client-server的形式。提供信息（以后都稱作Attribute）的一方稱作ATT server（一般是那些傳感器節點），訪問信息的一方稱作ATT client。

一個Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value組成。

Attribute可以定義一些權限（Permissions），以便server控制client的訪問行為

根據所定義的Attribute PDU的不同，client可以對server有多種訪問方式

 

1.3.3  GATT（Generic Attribute Profile）

ATT之所以稱作“protocol”，是因為它還比較抽象，僅僅定義了一套機制，允許client和server通過Attribute的形式共享信息。

 

GATT是一個profile（更准確的說是profile framework）

在藍牙協議中，profile一直是一個比較抽象的概念，我們可以將其理解為“應用場景、功能、使用方式”都被規定好的Application。傳統的BR/EDR如此，BLE更甚。上面我們講過，BLE很大一部分的應用場景是信息（Attribute）的共享，因此，BLE協議棧基於Attribute Protocol，定義了一個稱作GATT（Generic Attribute）的profile framework（它本身也是一個profile），用於提供通用的、信息的存儲和共享等功能。

 

圖 4 GATT Profile層次結構

 

1.3.4  SM（Security Manager）

 

1.3.5  GAP（Generic Access Profile）

通用訪問配置文件，實現功能如下：

 

1. 1. 定義GAP層的藍牙設備角色

Broadcaster Role，設備正在發送advertising events；

Observer Role，設備正在接收advertising events；

Peripheral Role，設備接受Link Layer連接（對應Link Layer的slave角色）；

Central Role，設備發起Link Layer連接（對應Link Layer的master角色）。

1. 1. 定義GAP層的、用於實現各種通信的操作模式和過程

Broadcast mode and observation procedure，實現單向的、無連接的通信方式；

Discovery modes and procedures，實現藍牙設備的發現操作；

Connection modes and procedures，實現藍牙設備的連接操作；

Bonding modes and procedures，實現藍牙設備的配對操作。

1. 1. 定義User Interface有關的藍牙參數

藍牙地址（Bluetooth Device Address）；

藍牙名稱（Bluetooth Device Name）；

藍牙的pincode（Bluetooth Passkey）；

藍牙的class（Class of Device，和發射功率有關）；

等等。

1. 1. Security有關的定義

 

2.  Application

藍牙應用層協議，在藍牙核心協議的基礎上，根據具體的應用需求，定義出各種各樣的策略，如FTP、文件傳輸、局域網等。

Profile是Application的代指，翻譯為服務，具體有：SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等。