BLE--协议基础

一个完整的单模蓝牙设备（single-mode BLE）被分为三个部分，控制器（controller）、主机（host）、应用（application）。

每一个协议栈的基本构件（basic building blocks）被分为多层提供需要操作的功能：

    Application：应用类似于操作系统，位于协议栈的最高层，包含逻辑、用户接口、数据处理。

    Host：主机包括以下几层：

•             Generic Access Profile（GAP）

•             Generic Attribute Profile（GATT）

•             Logic Link Control and Adaptation Protocol（L2CAP）

•             Attribute Protocol（ATT）

•             Security Manager（SM）

•             Host Controller Interface（HCI），Host side

    Controller：控制器包括以下几层：

•                 Host Controller Interface（HCI），Controller side

•                 Link Layer（LL）

•                 Physical Layer（PHY）

 

 

一、Physical Layer（物理层）

        物理层包括模拟通信电路（analog communication circuitry）、调制解调信号（modulating and demodulating analog signal）和数字信号转换。射频使用2.4GHz，从2.4000GHz到2.4835GHz分成 了40个信道，其中37个信道用于连接通信，剩下的3个（37、38、39）用于广播

这个标准使用的技术是调频扩频（frequency hopping spread spectrum），使用如下公式计算跳频的通道

其中hop的值是连接时协商得到的，因此每次连接时hop的值都不一样，这种技术避免了其他2.4GHz设备的干扰（WiFi和经典蓝牙）。调制器使用高斯频移键控（Gaussian Frequency Shift Keying GFSK）在空中对数据进行编码，调制速率最大为1Mbit/s（意味着最大能出书128KB/s，一毫秒能传输128个字节）

 

二、Link Layer

    Link Layer直接与PHY层相连，它实现了硬件与软件的结合，他是在蓝牙协议中唯一保证hard real-time的一层，

    自动化的功能都由开发商在硬件中实现了，用来减少蓝牙协议栈对于*处理器的开销，这些功能主要包括（由硬件实现）：

•         前导码，访问地址，空中协议框架

•         CRC生成器和验证

•         数据加密

•         随机数生成

•         AES加解密

 

    Link Layer定义了如下几个角色：

        Advertiser：发送广播包的设备

        Scanner：扫描广播包的设备

        Master：发起连接的设备

        Slave：接受连接的设备

    这些角色可以逻辑上分成两对：advertiser 和 scanner是不需要连接的，master和slave是需要连接的

    2.1、Bluetooth Device Address

        BLE使用48位的Mac地址用于标识蓝牙的身份，BLE支持两种类型的MAC地址：

•             Public device address：这是一个固定的和BR/EDR一样的有生产商编程的设备地址，这个地址必须向IEEE注册并且永远不会改变

•             Random device address：这个地址既可以动态编程，也可以在程序运行是动态生成。

 

    2.2、Advertising and Scanning 

        广播的目的是1不用建立连接就可以广播应用数据，2为了建立连接

        每一个广播包可以包含31给字节，其中包含基本的头信息。广播数据按照固定的频率发送，发送频率是20ms~10.24s之间。广播间隔越短，就越容易扫描到，但是对电量的消耗就会越大。

    因为广播是在37、38、39这三个信道上随机的，所以，只有扫描信道和广播信道随机重合，广播数据才能被收到。

    扫描间隔和扫描窗口定义了扫描的频率和扫描的持续时间，这些参数对功耗有很大的影响。

 

    蓝牙协议定义了两个基本的扫描方式：

        Passive Scanning（被动扫描）：扫描着已经接受到广播包，但广播着却不知道广播包已经被接收。

        Active Scanning（主动扫描）：扫描着收到广播包后，发起扫描请求，广播者收到扫描请求后发送扫描响应包。

 

    广播数据根据不同的属性可以进行分类

    第一种 根据可连接性可以分为以下几类：    

        Connectable：收到这种广播包后scanner可以发起连接请求

        Non-connectable：收到这种广播包后scanner不能发起连接请求（这种包只是用于广播）

    第二种 根据可扫描性分为：

        Scannable：收到这种广播包后scanner发起扫描请求

        Non-scannable：收到这种广播包后scanner不能发起扫描请求

    第三种 根据直连性分为：

        Directed：这种广播包包含广播者和目标扫描者的mac地址，没有用户数据。

        Undirected：这种广播包不针对任何特定的scanner，它包含用户数据