BLE基础概念

ble 架构

• PHY, Physical Layer:
  物理层, 控制无线电信号的收发
• LL, Link Layer:
  链路层, 定义数据包结构, 包括状态信息和收发控制, 以及链路层的加密
• HCI, Host-Controller Interface:
  通过此标准接口, Host层和Controller层进行通讯
• L2CAP, Logical Link Control and Adaptation Protocol. 可以理解为一个协议多路复用和分配器(功能上类似于TCPIP的端口).
  一般而言, BLE应用层开发者无需了解L2CAP层的细节
• ATT, Attribute Protocol:
  该协议将单一的数值(信息)以Attribute(属性)的形式抽象出来，并提供一些方法，供远端设备读取和修改
• GATT, Generic Attribute Protocol:
  基于ATT提供的数值, 将有用的数值组打包好, 已服务(service)的方式开放给上层应用. 它相当于提供一套数据打包框架/规则.
• GAP, Generic Access Profile:
  通用访问服务, 是对LL层的广播,监听,建立连接功能的抽象, 便于开发人员来理解和开发
• SM, Security Manager
  负责BLE通信中有关安全的内容.

Physical Layer

物理层, 控制无线电信号的收发

一图胜千言. 如图所示:

• BLE占用的频段为 2402Mhz-2480Mhz, 划分为40个Channel(频道), 每个频段2Mhz
• 3个广播频段被放在了干扰冲突最少的频段, 并被命名为 37,38,39 频道
• 其余的频段用作数据通讯, 并会采用调频技术来避免干扰和冲突.
• BLE和wifi的重合频段还是比较严重的! 和 wifi 的 1,6,11 三个频道完全重合.

Link Layer

链路层, 定义数据包结构, 包括状态信息和收发控制, 以及链路层的加密

Link Layer 链路层有5个基本状态:

• Standby: 睡觉省电.
• Advertising: 广播模式, 周期性地发送数据, 使用的是 37-39的广播频道
• Scanning: 扫描模式, 扫描/接收广播数据；
• Initiating: 连接发起方，扫描带有“可连接”标志的广播数据,一旦发现,则发起连接请求.
• Connection: 建立点对点的通讯模式, 此后就开始使用 0-36频道开始通讯了!

设备的几种角色

• Advertiser: 广播者, 处于 Advertising 模式即广播者
• Scanner: 扫描者, 处于 Scanning 模式即扫描者
• Initiator: 扫描者, 处于 Initiating 模式的扫描, 用于准备建立连接
• Slave: 建立通讯后 (Connection 模式), 之前的广播者就变成了Slave从机
• Master: 建立通讯后 (Connection 模式), 之前的扫描者/发起者就变成了Master主机
• 混合模式: 一个设备可以同时是 Advertiser & Scanner 或者 Advertiser & Master 等等. 但需要供应商的软件支持!

关于蓝牙设备的角色名称问题, 无力吐槽, 各个分层都有一套自己的术语, 看的时候注意其对应的架构层次再来理解

Advertisement

参数	数值	说明
Advertisement interval	20 ms to 10240 ms	定义广播时间间隔
Advertisement channels	CH37-CH39	默认值, 不可修改. BLE5新增了第二广播频道
Discoverability mode	ADV_IND	可被连接的广播

            | ADV_DIRECT_IND | 可被连接的定向广播
            | ADV_NONCONN_IND | 不可连接的广播
            | ADV_SCAN_IND | 可接受SCAN_REQ请求的广播数据

Scanning

参数	数值	说明
Scan interval	2.5 ms to 10240 ms	定义扫描时间间隔
Scan window	2.5 ms to 10240 ms	定义扫描时间窗口
Scan mode	Active / Passive	主动扫描(会发送Scan Request)

上图:

Connections

• 建立通讯后, 设备的角色被分为 Master 和 Slave
• 发起建立通讯的设备, 即 Initiating 状态的扫描者, 为 Master
• 之前在广播状态的设备, 即 Advertising 状态的广播者, 为 Slave

参数	数值	说明
Minimum Connection Interval	7.5 ms	允许的最小连接间隔
Maximum Connection Interval	4000 ms	允许的最大连接间隔
Connection (slave) latency	0 to 500	Slaver允许的延迟次数
Supervision timeout	100 ms to 32000 ms	设置一个失败超时时间

对于 Connection latency, 就是Master会持续发送多个数据包来等待Slaver的回应.

BLE点对点连接的数据交换示意图, 也同时说明了频道的变化:

GAP

通用访问服务, 是对LL层的广播,监听,建立连接功能的抽象, 便于开发人员来理解和开发

GAP的主要作用:

• Broadcast mode and observation procedure，实现单向的、无连接的通信方式；
• Discovery modes and procedures，实现蓝牙设备的发现操作；
• Connection modes and procedures，实现蓝牙设备的连接操作；
• Bonding modes and procedures，实现蓝牙设备的配对操作.

GAP层的蓝牙设备角色:

• Broadcaster Role，设备正在发送广播；
• Observer Role，设备正在扫描广播；
• Peripheral Role， 对应Link Layer的slave角色, 可广播和被连接
• Central Role，对应Link Layer的master角色, 扫描和发起连接的一方

关于蓝牙设备的角色名称问题, 无力吐槽, 各个分层都有一套自己的术语, 看的时候注意其对应的架构层次再来理解

ATT

该协议将单一的数值(信息)以Attribute(属性)的形式抽象出来，并提供一些方法，供远端设备读取和修改

一个Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value组成

• Attribute Type用于标示Attribute的类型, 譬如温度/湿度等.
  Attribute Type使用 UUID (Universally Unique IDentifier)区分, 有 16-bit, 32-bit, 128-bit
• Attribute Handle是一个16-bit的数值, 简称 Handle. 用作唯一识别Attribute server上的所有Attribute
  Attribute Handle可理解为Attribute的地址, 有如下意义：
  • 一个server上可能存在多个相同类型的Attribute, 显然, client有区分这些Attribute的需要
  • 同一类型的多个Attribute, 可以组成一个Group, client可以通过这个Group中的起, 始handle访问所有的Attributes
• Attribute Value代表Attribute的值，可以是任何固定长度或者可变长度的octet array （理解为字节类型的数组即可）。
• Attribute Permission代表Attribute的权限. 是否可读写, 是否加密等等.

ATT设备角色, 采用client-server的形式.

• Server: 提供信息(即Attribute)的一方为服务方, 一般是传感器节点 (大多数情况是Advertiser / Slaver / Peripheral)
• Client: 访问信息(即Attribute)的一方为客户端, 一般是手机等终端 (大多数情况是Scanner / Master / Central)

关于蓝牙设备的角色名称问题, 无力吐槽, 各个分层都有一套自己的术语, 看的时候注意其对应的架构层次再来理解

GATT

基于ATT提供的数值, 将有用的数值组打包好, 已服务(service)的方式开放给上层应用. 它相当于提供一套数据打包框架/规则.

看框架图:

GATT profile的层次结构依次是： Profile—>Service—>characteristic

• Profile 是基于GATT所派生出的真正的Profile， 由一个或者多个和某一应用场景有关的 Service 组成
• Service 包含一个或者多个 Characteristic, 也可以通过Include的方式, 包含其它 Service
• Characteristic 则是GATT profile中最基本的数据单位, 由一个 Properties / Declaration, 一个 Value, 一个或者多个Descriptor组成
• Characteristic Properties / Declaration 定义了characteristic的Value如何被使用，以及characteristic的Descriptor如何被访问。
• Characteristic Value 是特征的实际值，例如一个温度特征，其Characteristic Value就是温度值就。
• Characteristic Descriptor 则保存了一些和Characteristic Value相关的信息

UUID 的分配

• GATT Services 官方标准
• GATT Characteristics 官方标准
• UUID Generation UUID 生成器

Security

负责BLE通信中有关安全的内容.

主要技术有:

• 配对, pairing
• 认证, authentication
• 加密, encryption

参考资料

• UG103.14: Application Development Fundamentals: Bluetooth® Smart Technology
• 蓝牙协议分析(1)_基本概念,
  简单介绍了标准蓝牙和低功耗蓝牙. 正如作者所说, 蓝牙的架构设计很不”美”, 给人一种拆拆补补, 各自为政的感觉. 但不可否认, 商业上, 蓝牙是成功的!
• 蓝牙协议分析(2)_协议架构
  从全局概念介绍了蓝牙架构的设计, 并对各个分层进行了简单的介绍.
• 蓝牙协议分析(3)_蓝牙低功耗(BLE)协议栈介绍
  对快速理解低功耗蓝牙(BLE) 非常有帮助! 也是从架构说起, 逐步深入细节的叙事风格
• 蓝牙协议分析(4)_IPv6 Over BLE介绍
  说明了加入IPv6协议的重大意义. 物联网大势所趋, 而IPv6必将成为数据传输的最终标准! (Zigbee也支持了IPv6, Thread天生就采用6LowPAN协议)
• 蓝牙协议分析(5)_BLE广播通信相关的技术分析
• 蓝牙协议分析(6)_BLE地址类型
• 蓝牙协议分析(7)_BLE连接有关的技术分析
• 蓝牙协议分析(8)_BLE安全机制之白名单
• 蓝牙协议分析(9)_BLE安全机制之LL Privacy
• 蓝牙协议分析(10)_BLE安全机制之LE Encryption
  渐渐就由浅入深, 探讨技术细节了.

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原创于 DRA&PHO