藍牙 BLE 協議學習： 001-BLE協議棧整體架構

背景

在深入BLE協議幀之前，我們先看一下BLE協議棧整體架構。

轉載自：《深入淺出低功耗藍牙(BLE)協議棧》

架構

如上圖所述，要實現一個BLE應用，首先需要一個支持BLE射頻的芯片，然后還需要提供一個與此芯片配套的BLE協議棧，最后在協議棧上開發自己的應用。可以看出BLE協議棧是連接芯片和應用的橋梁，是實現整個BLE應用的關鍵。那BLE協議棧具體包含哪些功能呢？簡單來說，BLE協議棧主要用來對你的應用數據進行層層封包，以生成一個滿足BLE協議的空中數據包，也就是說，把應用數據包裹在一系列的幀頭（header）和幀尾（tail）中。具體來說，BLE協議棧主要由如下幾部分組成：

• PHY****層（Physical layer物理層）。PHY層用來指定BLE所用的無線頻段，調制解調方式和方法等。PHY層做得好不好，直接決定整個BLE芯片的功耗，靈敏度以及selectivity等射頻指標。物理層具體是1Mbps自適應跳頻的GFSK射頻，工作於免許可證的2.4GHz ISM（工業、科學與醫療）頻段。
• LL****層（Link Layer鏈路層）。LL層是整個BLE協議棧的核心，也是BLE協議棧的難點和重點。像Nordic的BLE協議棧能同時支持20個link（連接），就是LL層的功勞。LL層要做的事情非常多，比如具體選擇哪個射頻通道進行通信，怎么識別空中數據包，具體在哪個時間點把數據包發送出去，怎么保證數據的完整性，ACK如何接收，如何進行重傳，以及如何對鏈路進行管理和控制等等。LL層只負責把數據發出去或者收回來，對數據進行怎樣的解析則交給上面的GAP或者GATT。用於控制設備的射頻狀態，設備將處於五種狀態之一：等待、廣告、掃描、初始化、連接。廣播設備不需要建立連接就可以發送數據，而掃描設備接收廣播設備發送的數據；發起連接的設備通過發送連接請求來回應廣播設備，如果廣播設備接受連接請求，那么廣播設備與發起連接的設備將會進入連接狀態。發起連接的設備稱為主機，接受連接請求的設備稱為從機。
• HCI（Host controller interface）。HCI是可選的（具體請參考文章： 三種藍牙架構實現方案（藍牙協議棧方案）），HCI主要用於2顆芯片實現BLE協議棧的場合，用來規范兩者之間的通信協議和通信命令等。這一層可以是軟件或者硬件接口，如UART、SPI、USB等。
• GAP****層（Generic access profile）。GAP是對LL層payload（有效數據包）如何進行解析的兩種方式中的一種，而且是最簡單的那一種。GAP簡單的對LL payload進行一些規范和定義，因此GAP能實現的功能極其有限。GAP目前主要用來進行廣播，掃描和發起連接等。
• L2CAP****層（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP對LL進行了一次簡單封裝，LL只關心傳輸的數據本身，L2CAP就要區分是加密通道還是普通通道，同時還要對連接間隔進行管理。
• SMP（Secure manager protocol）。SMP用來管理BLE連接的加密和安全的，如何保證連接的安全性，同時不影響用戶的體驗，這些都是SMP要考慮的工作。
• ATT（Attribute protocol）。簡單來說，ATT層用來定義用戶命令及命令操作的數據，比如讀取某個數據或者寫某個數據。BLE協議棧中，開發者接觸最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用來描述一條一條的數據。Attribute除了定義數據，同時定義該數據可以使用的ATT命令，因此這一層被稱為ATT層。
• GATT（Generic attribute profile ）。GATT用來規范attribute中的數據內容，並運用group（分組）的概念對attribute進行分類管理，GATT規定配置文件（profile）的結構。沒有GATT，BLE協議棧也能跑，但互聯互通就會出問題，也正是因為有了GATT和各種各樣的應用profile，BLE擺脫了ZigBee等無線協議的兼容性困境，成了出貨量最大的2.4G無線通信產品。GATT定義了使用ATT的服務框架。在BLE中，所有被profile或者服務用到的數據塊稱為“特性”，兩個建立連接的設備之間的所有數據通信都是通過GATT子程序處理。GATT層用於已連接的藍牙設備之間的數據通信，應用程序和profile直接使用GATT層。當兩個設備建立連接之后，它們就處於下面兩種角色之一：GATT服務器：為GATT客戶端提供數據服務的設備。GATT客戶端：從GATT服務器讀寫應用數據的設備。

我相信很多人看了上面的介紹，還是不懂BLE協議棧的工作原理，以及每一層具體干什么的，為什么要這么分層。下面我以如何發送一個數據包為例來講解BLE協議棧各層是如何緊密配合，以完成發送任務的。

如何通過無線發送一個數據包

假設有設備A和設備B，設備A要把自己目前的電量狀態83%（十六進制表示為0x53）發給設備B，該怎么做呢？作為一個開發者，他希望越簡單越好，對他而言，他希望調用一個簡單的API就能完成這件事，比如send(0x53)，實際上我們的BLE協議棧就是這樣設計的，開發者只需調用send(0x53)就可以把數據發送出去了，其余的事情BLE協議棧幫你搞定。很多人會想，BLE協議棧是不是直接在物理層就把0x53發出去，就如下圖所示：

這種方式初看起來挺美的，但由於很多細節沒有考慮到，實際是不可行的。首先，它沒有考慮用哪一個射頻信道來進行傳輸，在不更改API的情況下，我們只能對協議棧進行分層，為此引入LL層，開發者還是調用send(0x53)，send(0x53)再調用send_LL(0x53,2402M)（注：2402M為信道頻率）。這里還有一個問題，設備B怎么知道這個數據包是發給自己的還是其他人的，為此BLE引入access address****概念，用來指明接收者身份，其中，0x8E89BED6這個access address比較特殊，它表示要發給周邊所有設備，即廣播。如果你要一對一的進行通信（BLE協議將其稱為連接），即設備A的數據包只能設備B接收，同樣設備B的數據包只能設備A接收，那么就必須生成一個獨特的隨機access address以標識設備A和設備B兩者之間的連接。

廣播方式

我們先來看一下簡單的廣播情況，這種情況下，我們把設備A叫advertiser（廣播者），設備B叫scanner或者observer（掃描者）。廣播狀態下設備A的LL層API將變成send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)。由於設備B可以同時接收到很多設備的廣播，因此數據包還必須包含設備A的device address（0xE1022AAB753B）以確認該廣播包來自設備A，為此send_LL參數需要變成(0x53,2402M, 0x8E89BED6, 0xE1022AAB753B)。LL層還要檢查數據的完整性，即數據在傳輸過程中有沒有發生竄改，為此引入CRC24對數據包進行檢驗 (假設為0xB2C78E) 。同時為了調制解調電路工作更高效，每一個數據包的最前面會加上1個字節的preamble（前導幀），preamble一般為0x55或者0xAA。這樣，整個空中包就變成（注：空中包用小端模式表示！）：

上面這個數據包還有如下問題：

1. 沒有對數據包進行分類組織，設備B無法找到自己想要的數據0x53。為此我們需要在access address之后加入兩個字段：LL header和長度字節。LL header用來表示數據包的LL類型，長度字節用來指明payload的長度
2. 設備B什么時候開啟射頻窗口以接收空中數據包？如上圖case1所示，當設備A的數據包在空中傳輸的時候，設備B把接收窗口關閉，此時通信將失敗；同樣對case2來說，當設備A沒有在空中發送數據包時，設備B把接收窗口打開，此時通信也將失敗。只有case3的情況，通信才能成功，即設備A的數據包在空中傳輸時，設備B正好打開射頻接收窗口，此時通信才能成功，換句話說，LL****層還必須定義通信時序。
3. 當設備B拿到數據0x53后，該如何解析這個數據呢？它到底表示濕度還是電量，還是別的意思？這個就是GAP層要做的工作，GAP層引入了LTV（Length-Type-Value）結構來定義數據，比如020105，02-長度，01-類型（強制字段，表示廣播flag，廣播包必須包含該字段），05-值。由於廣播包最大只能為31個字節，它能定義的數據類型極其有限，像這里說的電量，GAP就沒有定義，因此要通過廣播方式把電量數據發出去，只能使用供應商自定義數據類型0xFF，即04FF590053，其中04表示長度，FF表示數據類型（自定義數據），0x0059是供應商ID（自定義數據中的強制字段），0x53就是我們的數據(設備雙方約定0x53就是表示電量，而不是其他意思)。

最終空中傳輸的數據包將變成：AA D6BE898E 60 0E 3B75AB2A02E1 02010504FF5900 53 8EC7B2

• AA – 前導幀(preamble)
• D6BE898E – 訪問地址(access address)
• 60 – LL幀頭字段(LL header)
• 0E – 有效數據包長度(payload length)
• 3B75AB2A02E1 – 廣播者設備地址(advertiser address)
• 02010504FF590053 – 廣播數據
• 8EC7B2 – CRC24值

有了PHY，LL和GAP，就可以發送廣播包了，但廣播包攜帶的信息極其有限，而且還有如下幾大限制：

1. 無法進行一對一雙向通信 （廣播是一對多通信，而且是單方向的通信）
2. 由於不支持組包和拆包，因此無法傳輸大數據
3. 通信不可靠及效率低下。廣播信道不能太多，否則將導致掃描端效率低下。為此，BLE只使用37(2402MHz) /38(2426MHz) /39(2480MHz)三個信道進行廣播和掃描，因此廣播不支持跳頻。由於廣播是一對多的，所以廣播也無法支持ACK。這些都使廣播通信變得不可靠。
4. 掃描端功耗高。由於掃描端不知道設備端何時廣播，也不知道設備端選用哪個頻道進行廣播，掃描端只能拉長掃描窗口時間，並同時對37/38/39三個通道進行掃描，這樣功耗就會比較高。

而連接則可以很好解決上述問題，下面我們就來看看連接是如何將0x53發送出去的。

連接方式

到底什么叫連接(connection)？像有線UART，很容易理解，就是用線（Rx和Tx等）把設備A和設備B相連，即為連接。用“線”把兩個設備相連，實際是讓2個設備有共同的通信媒介，並讓兩者時鍾同步起來。藍牙連接有何嘗不是這個道理，所謂設備A和設備B建立藍牙連接，就是指設備A和設備B****兩者一對一“同步”成功，其具體包含以下幾方面：

• 設備A和設備B對接下來要使用的物理信道達成一致
• 設備A和設備B雙方建立一個共同的時間錨點，也就是說，把雙方的時間原點變成同一個點
• 設備A和設備B兩者時鍾同步成功，即雙方都知道對方什么時候發送數據包什么時候接收數據包
• 連接成功后，設備A和設備B通信流程如下所示：

如上圖所示，一旦設備A和設備B連接成功（此種情況下，我們把設備A稱為Master或者Central，把設備B稱為Slave或者Peripheral），設備A將周期性以CI（connection interval）為間隔向設備B發送數據包，而設備B也周期性地以CI為間隔打開射頻接收窗口以接收設備A的數據包。同時按照藍牙spec要求，設備B收到設備A數據包150us****后，設備B切換到發送狀態，把自己的數據發給設備A；設備A則切換到接收狀態，接收設備B發過來的數據。由此可見，連接狀態下，設備A和設備B的射頻發送和接收窗口都是周期性地有計划地開和關，而且開的時間非常短，從而大大降低系統功耗並大大提高系統效率。

現在我們看看連接狀態下是如何把數據0x53發送出去的，從中大家可以體會到藍牙協議棧分層的妙處。

• 對開發者來說，很簡單，他只需要調用send(0x53)
• GATT層定義數據的類型和分組，方便起見，我們用0x0013表示電量這種數據類型，這樣GATT層把數據打包成130053（小端模式！）
• ATT層用來選擇具體的通信命令，比如讀/寫/notify/indicate等，這里選擇notify命令0x1B，這樣數據包變成了：1B130053
• L2CAP用來指定connection interval（連接間隔），比如每10ms同步一次（CI不體現在數據包中），同時指定邏輯通道編號0004（表示ATT命令），最后把ATT數據長度0x0004加在包頭，這樣數據就變為：040004001B130053
• LL層要做的工作很多，首先LL層需要指定用哪個物理信道進行傳輸（物理信道不體現在數據包中），然后再給此連接分配一個Access address（0x50655DAB）以標識此連接只為設備A和設備B直連服務，然后加上LL header和payload length字段，LL header標識此packet為數據packet，而不是control packet等，payload length為整個L2CAP字段的長度，最后加上CRC24字段，以保證整個packet的數據完整性，所以數據包最后變成：
  • AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
    • AA – 前導幀(preamble)
    • 0x50655DAB – 訪問地址(access address)
    • 1E – LL幀頭字段(LL header)
    • 08 – 有效數據包長度(payload length)
    • 04000400 – ATT數據長度，以及L2CAP通道編號
    • 1B – notify command
    • 0x0013 – 電量數據handle
    • 0x53 – 真正要發送的電量數據
    • 0xF650D5 – CRC24值
    • 雖然開發者只調用了 send(0x53)，但由於低功耗藍牙協議棧層層打包，最后空中實際傳輸的數據將變成下圖所示的模樣，這就既滿足了低功耗藍牙通信的需求，又讓用戶API變得簡單，可謂一箭雙雕！

上面只是對BLE協議棧實現原理做了一個簡單概述，即便如此，由於都是關於BLE協議棧底層的東西，很多開發者還是會覺得比較枯燥和晦澀，而且對很多開發者來說，他們也不關心BLE協議棧是如何實現的，他們更關心的是BLE協議棧的使用，即怎么開發一個BLE應用。BLE應用是實打實的東西，不能像上面講述協議棧一樣泛泛而談，必須結合具體的藍牙芯片和藍牙協議棧來講解，為此后面將以Nordic芯片及協議棧作為范例，來具體講解如何開發BLE應用，以及如何通過代碼去理解BLE協議中定義的一些概念和術語。