1. 前言
本文是藍牙協議分析的第二篇文章，在“藍牙協議分析(1)_基本概念”的基礎上，從整體架構的角度，了解藍牙協議的組成，以便加深對藍牙的理解。
2. 協議層次
藍牙協議是通信協議的一種，為了把復雜問題簡單化，任何通信協議都具有層次性，特點如下：
從下到上分層，通過層層封裝，每一層只需要關心特定的、獨立的功能，易於實現和維護；
在通信實體內部，下層向上層提供服務，上層是下層的用戶；
在通信實體之間，協議僅針對每一層，實體之間的通信，就像每一層之間的通信一樣，這樣有利於交流、理解、標准化。
藍牙協議也不例外，其協議層次如下：
從OSI（Open System Interconnection）模型的角度看，藍牙是一個比較簡單的協議，它僅僅提供了物理層（Physical Layer）和數據鏈路層（Data Link Layer ）兩個OSI層次。但由於藍牙協議的特殊性、歷史演化因素等原因，其協議層次又顯的不簡單，甚至晦澀難懂（如上面圖片所示的Physical Link、Logical Transport等）。
藍牙協議分為四個層次：物理層（Physical Layer）、邏輯層（Logical Layer）、L2CAP Layer和應用層（APP Layer）。
物理層，負責提供數據傳輸的物理通道（通常稱為信道）。通常情況下，一個通信系統中存在幾種不同類型的信道，如控制信道、數據信道、語音信道等等。
邏輯層，在物理層的基礎上，提供兩個或多個設備之間、和物理無關的邏輯傳輸通道（也稱作邏輯鏈路）。
L2CAP層，L2CAP是邏輯鏈路控制和適配協議（Logical Link Control and Adaptation Protocol）的縮寫，負責管理邏輯層提供的邏輯鏈路。基於該協議，不同Application可共享同一個邏輯鏈路。類似TCP/IP中端口（port）的概念。
APP層，理解藍牙協議中的應用層，基於L2CAP提供的channel，實現各種各樣的應用功能。Profile是藍牙協議的特有概念，為了實現不同平台下的不同設備的互聯互通，藍牙協議不止規定了核心規范（稱作Bluetooth core），也為各種不同的應用場景，定義了各種Application規范，這些應用層規范稱作藍牙profile。
2.1 物理層
物理層負責提供數據傳輸的物理信道，藍牙的物理層分為Physical Channel和Physical Links兩個子層。我們先介紹Physical Channel。
2.1.1 Physical Channel（物理信道）
一個通信系統中通常存在多種類型的物理信道，藍牙也不例外。另外，由“藍牙協議分析(1)_基本概念”的介紹可知，藍牙存在BR/EDR、LE和AMP三種技術，這三種技術在物理層的實現就有很大的差異，下面讓我們一一介紹。
首先是相同點，BR/EDR、LE和AMP的RF都使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 頻段，頻率范圍是2.400-2.4835 GHz。
注1：不同國家和地區藍牙的頻率和信道分配情況是不同，本文所有的描述都以中國采用的“歐洲和美國”標准為准。
除了相同點，剩下的都是不同點了。
BR/EDR是傳統的藍牙技術，它這樣定義物理信道：
1）ISM頻率范圍內被分成79個channel，每一個channel占用1M的帶寬，在0 channel和78 channel之外設立guard band（保護帶寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。
2）采用跳頻技術（hopping），也就是說，某一個物理信道，並不是固定的占用79個channel中的某一個，而是以一定的規律在跳動（該規律在技術上叫做"偽隨機碼"，就是"假"的隨機碼）。因此藍牙的物理信道，也可以稱作跳頻信道（hopping channel）。
3）BR/EDR技術定義了5種物理信道（跳頻信道），BR/EDR Basic Piconet Physical Channel、BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel、BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel和BR/EDR Synchronization Scan Channel。
4）BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel用於藍牙設備的發現操作（discovery），即我們常用的搜索其它藍牙設備（discover）以及被其它藍牙設備搜索（discoverable）。
5）BR/EDR Page Scan Physical Channel用於藍牙設備的連接操作（connect），即我們常用的連接其它藍牙設備（connect）以及被其它藍牙設備連接（connectable）。
6）BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel主要用在處於連接狀態的藍牙設備之間的通信。它們的區別是，BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel使用較少的RF跳頻點。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79個跳頻點，而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根據當前的信道情況使用79個跳頻點中的子集，但是跳頻數目也不能少於20個。這個主要是因為藍牙使用ISM頻段，當藍牙和WIFI共存的時候，部分跳頻點被WIFI設備占用而使得藍牙設備在這些跳頻點上的通信總是失敗，因此，需要避過那些WIFI設備占用的頻點。
7）BR/EDR Synchronization Scan Channel可用於無連接的廣播通信，后續文章會詳細介紹。
8）同一時刻，BT 設備只能在其中一個物理信道上通信，為了支持多個並行的操作，藍牙系統采用時分方式，即不同的時間點采用不同的信道。
LE是為藍牙低功耗而生的技術，為了實現低功耗的目標，其物理信道的定義與BR/EDR有些差異：
1）ISM頻率范圍內被分成40個channel，每一個channel占用2M的帶寬，在0 channel和39 channel之外設立guard band（保護帶寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。
2）LE技術定義了2種物理信道，LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。
3）LE Piconet Channel用在處於連接狀態的藍牙設備之間的通信，和BR/EDR一樣，采用調頻技術。和BR/EDR不一樣的地方是，只會在40個頻率channel中的37個上面跳頻。
4）LE Advertisement Broadcast Channel用於在設備間進行無連接的廣播通信，這些廣播通信可用於藍牙的設備的發現、連接（和BR/EDR類似）操作，也可用於無連接的數據傳輸。
5）和BR/EDR一樣，同一時刻，BT 設備只能在其中一個物理信道上通信，為了支持多個並行的操作，藍牙系統采用時分方式，即不同的時間點采用不同的信道。
AMP是為高速數據傳輸設計的技術，其物理層規范直接采用802.11（WIFI）的PHY規范，主要有如下特點：
AMP物理信道只有一種，即AMP Physical Channel，主要用於已連接設備之間的數據通信，和BR/EDR技術中的BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel位於一個級別，可以互相切換使用。
2.1.2 Physical Links（物理鏈路）
由2.1.1的描述可知，藍牙協議為BR/EDR、LE和AMP三種技術定義了8種類型的物理信道，包括：
AMP physical channel
BR/EDR Basic Piconet Physical Channel
BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel
BR/EDR Page Scan Physical Channel
BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel
BR/EDR Synchronization Scan ChannelLE Piconet Channel
LE Advertisement Broadcast Channel
而物理鏈路，則是對這些物理信道（主要是BR/EDR技術中的Basic Piconet Physical Channel和Adapted Piconet Physical Channel）的進一步封裝，其主要特征是（可參考2.5中的圖片以輔助理解）：
1）Physical Link是一個虛擬概念，不對應協議中任何的實體，數據包封包/解包的過程中不被體現。
2）AMP Physical Channel、LE Piconet Channel、LE Advertisement Broadcast Channel均有一個一一對應的Physical Link，分別是AMP Physical Link、LE Active Physical Link、LE Advertising Physical Channel。
3）BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel、BR/EDR Synchronization Scan Channel只在特定時間段使用，且無法控制任何屬性，因此不需要再Physical Link中體現。
4）BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是BR/EDR技術中已連接設備之間進行數據通信的通道，且同一時刻只能根據應用場景選擇一種channel進行數據傳輸。因此這兩個channel被map到BR/EDR Active Physical Link、BR/EDR Parked Physical Link和BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link三個物理鏈路上。
5）BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有兩個方面的意義：
5-1）屏蔽底層的Basic/Adapted Piconet Physical Channel之間的差異，統一使用Physical Link取代。在需要的時候，可以通過上層的鏈路管理協議，指定使用哪一種physical channel（Basic or Adapted）。
5-2）可以通過Physical Link的抽象，控制Physical Channel的一些屬性（如發射功率、收發周期等），以達到節省功耗的目的。而上面的層次（如邏輯層）不需要對這些動作知情。
6）BR/EDR Active Physical Link定義了連接狀態的藍牙設備在鏈路處於active狀態時的物理鏈路，該物理鏈路對應的設備的發射功率是可修改的。
7）BR/EDR Parked Physical Link定義了連接狀態的藍牙設備在鏈路處於parked狀態時的物理鏈路。parked狀態是一種特殊的連接狀態，連接雙方沒有正在進行的數據傳輸，所有的鏈路消耗，都是為保持連接所做的事情。此時可以通過降低在物理信道上的收發頻率而降低功耗。該物理鏈路和BR/EDR Active Physical Link使用相同的物理信道。
8）BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link使用BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel，用於一點到多點的廣播通信。
2.2 邏輯層
邏輯層的主要功能，是在已連接（LE Advertisement Broadcast可以看做一類特殊的連接）的藍牙設備之間，基於物理鏈路，建立邏輯信道。所謂的邏輯信道，和城市道路上的車道類似：
一條城市道路可以看做一個物理鏈路（可能有兩個方向，我們只考慮其中一個即可），該物理鏈路根據行車用途，可以划分為多個邏輯信道，如直行車道、右轉車道、左轉車道、掉頭車道、快速車道、慢速車道等等。
這里的車道（邏輯信道），從物理角度看，並沒有什么分別，只是為了方便交通（數據傳輸），人為的抽象出來的。和車道類似，藍牙邏輯信道的划分依據是傳輸類型，主要包括下面3類（即Logical Link）：
1）用於管理底層物理鏈路的控制類傳輸，包括AMP-C、ACL-C、PSB-C、LE-C、ADVB-C。
2）傳輸用戶數據的用戶類傳輸，包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。
3）其它比較特殊的傳輸類型，包括流式傳輸（stream）、PBD（Profile Broadcast Data）。
以上每種Logic Link都會在下層對應一個Logical Transport，這些Logical Transport具有一些屬性值，如流控、應答/重傳機制等。如下：
AMP ACL（Asynchronous Connection-Oriented Link），基於AMP技術的、面前連接的、異步傳輸鏈路，為AMP-U提供服務。
BR/EDR ACL，基於BR/EDR技術的ACL鏈路，為ACL-C、ACL-U提供服務。
SCO/eSCO（Synchronous Connection-Oriented/Extended SCO），基於BR/EDR技術的、面向連接的、同步傳輸鏈路，為stream類型的Logical Link提供服務。
ASB（Active Slave Broadcast）、PSB（Parked Slave Broadcast），基於BR/EDR技術的、面向連接的廣播傳輸鏈路，為ACL-U、PSB-U、PSB-C提供服務。
CSB（Connectionless Slave Broadcast），基於BR/EDR技術的、無連接的廣播鏈路，為PBD提供服務。
LE ACL，基於LE技術的、面前連接的、異步傳輸鏈路，為LE-U、LE-C提供服務。
ADVB（Advertising Broadcast），基於LE技術的、廣告/廣播鏈路，為ADVB-U、ADVB-C提供服務。
注2：AMP-C沒有對應的Logical Transport，而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。
注3：藍牙邏輯層的抽象也是讓人醉了！還是那句話，不要逼自己去理解一個瘋子的行為，不然自己也會瘋的。
2.3 L2CAP Channels
L2CAP是Logical Link Control and Adaptation Protocol（邏輯鏈路控制和適配協議）的縮寫，藍牙協議到這個層次的時候，就清爽多了：
對下，它在用戶類XXX-U Logical Link的基礎上，抽象出和具體技術無關的數據傳輸通道（包括單播和廣播兩類），至此用戶就不再需要關心繁雜的藍牙技術細節。
對上，它以L2CAP channel endpoints的概念（類似TCP/IP中的端口），為具體的應用程序（profile）提供獨立的數據傳輸通道（當然，也是一個邏輯通道）。
2.4 Profiles
profile是藍牙Application的代指，也可以翻譯為服務，為了實現不同平台下的不同設備的互聯互通，藍牙協議為各種可能的、有通用意義的應用場景，都制定的了規范，如SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等等。
Profiles基於L2CAP提供的L2CAP channel endpoints實現，在它們對應的層次上進行數據通信，以完成所需功能。有關藍牙profile的介紹，會在后續文章中陸續給出，這里就不再詳細說明了。
2.5 總結
下面圖片包含上面各個層次（除了APP layer）中涉及到的一些實體、概念以及相互關系，供大家參考。
摘錄自：Core_v4.2.pdf---->Vol1: Architecture & Terminology Overview---->Part A: Architecture---->3 DATA TRANSPORT ARCHITECTURE---->3.2 TRANSPORT ARCHITECTURE ENTITIES
3. 藍牙核心框架
藍牙規范有兩類：一類是藍牙核心規范，由Bluetooth Core Specification定義，囊括到L2CAP層，以及相關的核心profile；另一類是藍牙Application規范，包含了各種各樣的profile規范（具體可參考“https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications”中的列表）。
藍牙核心規范所定義的框架如下：
經過第2章協議層次的介紹，藍牙核心框架已經比較容易理解了，這里對層次中各個模塊做一個簡單的說明，更為詳細的分析，請參考后續的文章。
1）BR/EDR Radio & LE Radio & AMP PHY
藍牙RF層（物理層），包括BR/EDR、LE以及AMP三種。負責在物理channel上收發藍牙packet。
對BR/EDR和LE RF來說，還會接收來自Baseband的控制命令來控制RF頻率的選擇和timing。
AMP PHY使用802.11（WIFI）的規范，本文不再詳細介紹，后續有關AMP的內容，也不過多涉及。
2）Link Controller & Baseband resource management
Link Controller和Baseband resource management組成了藍牙的基帶（baseband）。
Link Controller負責鏈路控制，主要是根據當前物理channel的參數、邏輯channel的參數、邏輯transport的參數將數據payload組裝成bluetooth packet。另外，通過Link Control Protocol（對LE來說是LL Layer Protocol），可以實現流控、ack、重傳等機制。
Baseband resource management，主要用於管理RF資源。
3）Link Manager
Link Manager主要負責創建、修改、釋放藍牙邏輯連接（Logical Link），同時也負責維護藍牙設備之間物理連接（Physical Link）的參數。它的功能主要是通過Link Management Protocol（LMP，for BR/EDR）和Link Layer Protocol（LL，for LE）完成。
4）Device Manager
Device Manager主要負責控制藍牙設備的通用行為（藍牙數據傳輸除外的行為），主要是：
搜索附近的藍牙設備
連接到其他的藍牙設備
使得本地的藍牙設備connectable和discoverable
控制本地藍牙設備的屬性（例如本地藍牙設備的名字、link key等）
5）HCI（Host Controller Interface）
我們在“藍牙協議分析(1)_基本概念”介紹過，藍牙系統分為Bluetooth Controller和Bluetooth Host兩個大的block。它們之間通過HCI接口以HCI協議進行通信。
6）L2CAP
L2CAP位於Bluetooth Host中，包括兩個子模塊：
Channel Manager主要負責創建、管理、釋放L2CAP channel。
L2CAP Resource Manager負責統一管理、調度L2CAP channel上傳遞的PDU（Packet Data Unit），以確保那些高QoS的packet可以獲得對物理信道的控制權。
7）SMP（Security Manager Protocol）
SMP是一個點對點的協議，基於專用的L2CAP channel，用於生成加密（encryption）和識別（identity）用的密匙（keys）。
8）SDP（Service Discover Protocol）
SDP也是一個點對點的協議，基於專用的L2CAP channel，用於發現其它藍牙設備能提供哪些profile以及這些profile有何特性。在了解清楚了其他藍牙設備的profile以及特性之后，本藍牙設備可以發起對自己感興趣的藍牙profile的連接動作。
9）AMP Manager
基於L2CAP channel，和對端的AMP manager交互，用於發現對方是否具備AMP功能，以及收集用於建立AMP物理鏈路的信息。
10）GAP（Generic Access Profile）
GAP是一個基礎的藍牙profile，用於提供藍牙設備的通用訪問功能，包括設備發現、連接、鑒權、服務發現等等。
GAP 是所有其它應用模型的基礎，它定義了在 Bluetooth 設備間建立基帶鏈路的通用方法。還定義了一些通用的操作，這些操作可供引用 GAP 的應用模型以及實施多個應用模型的設備使用。GAP 確保了兩個 藍牙設備（不管制造商和應用程序）可以通過 Bluetooth 技術交換信息，以發現彼此支持的應用程序。