BLE协议栈的学习笔记

BLE的协议可分为Bluetooth Application 和Bluetooth Core两大部分，而Bluetooth Core又包含BLE Controller和BLE Host两部分。

Physical Layer：任何一个通信系统，首先要确定的就是通信介质(物理通道,Physical Channel)，BLE也不例外.在BLE协议中，"通信介质"的定义是由Physical Layer(其它通信协议也类似)负责.

Physical Layer是这样描述BLE的通信介质的：

由于BLE属于无线通信，则其通信介质是一定频率范围下的频带资源(Frequency Band);

BLE的市场定位是个体和民用，因此使用免费的ISM频段(频率范围是2.400-2.4835 GHz)；

为了同时支持多个设备,将整个频带分为40份，每份的带宽为2MHz,称作RF Channel。

经过上面的定义之后，BLE的物理信道已经出来了，即"频点分别是'f=2402+k*2 MHz ,k=0,...,39'"，带宽为2MHz的40个RF Channel。

Link Layer:

Link Layer主要的功能就是在这些Physical Channel上收发数据，与此同时，不可避免的需要控制RF收发相关的参数。Link Layer需要解决

Physical Channel的共享问题；实体之间的独享的传输通道；校验，重传，数据传输的可靠性等问题。

1.怎么解决Physical Channel的共享问题？

BLE系统只有有限的40个Physical Channel，怎么容纳多个通信实体呢？

Link Layer将BLE的通信场景分为两类:

(1)数据量比较少，发送不频繁，对时延不是很敏感的场景

这种数据场景，BLE的Link Layer采取了一种比较懒的处理方式——广播通信：从40个Physical Channel中选取3个，作为广播通道，在广播通道上，任何参与者，爱发就发，爱收就收，随便；所有参与者，共享同一个逻辑传输通道(广播通道)

(2)数据量较大，发送频率较高，对时延较敏感的场景

BLE的Link Layer会从剩余的37个Physical Channel中，选取一个,为这种场景里面的通信双方建立单独的通道(data channel)。这就是连接(connection)的过程。同时，为了增加容量，增大抗干扰能力，连接不会长期使用一个固定的Physical Channel，而是在多个(如37个)之间

随机但有规律的切换，这就是BLE的跳频(Hopping)技术。

状态(state)和角色(role)的定义：

BLE协议在Link　Layer抽象出５种状态:

Standby State

Advertising State

Scanning State

Initiating State

Connection State

其状态转换如下图所示：

Standby状态是初始状态,即不发送数据，也不接收数据。根据上层实体的命令(如位于host软件中GAP)，可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态

Advertising状态是可以通过广播通道发送数据的状态，由Standby状态进入。它广播的数据可以由处于Scanning或者Initiating状态的实体接收。上层实体可通过命令将Advertising状态切换会Standby状态。另外，连接成功后，也可切换为Connection状态.

Scanning状态是可以通过广播通道接收数据的状态，由Standby状态进入。根据Advertiser所广播的数据的类型，有些Scanner还可以主动向Advertiser请求一些额外数据。上层实体可通过命令将Scanning状态切换回Standby状态.

Initiating状态和Scanning状态类似，不过是一种特殊的接收状态，由Standby状态进入，只能接收Advertiser广播的connectable的数据，并在接收到数据后，发送连接请求，以便和Advertiser建立连接。当连接成功后，Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。

Connection状态是和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由Initiating或者Advertising自动切换而来。通道断开后，会重新回到Standby状态。

通道建立后，处于Connection状态的双方，分别有两种角色Master和Slave：Initiater方称作Mater;Advertiser方称作Slave。

Air Interface Protocol

L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)

经过Linke Layer的抽象之后，两个BLE设备之间可存在两条逻辑上的数据通道：一条是无连接的广播通道，天高任鸟飞；另一条是基于连接的数据通道，是一个点对点(Master对Slave)的逻辑通道。

L2CAP是一个介于应用程序(Profile、Application等)和Link Layer之间的协议，它提供的功能主要包括：

Protocol/channel　mutiplexing,协议/通道的多路复用(分为基于通道的多路复用和基于协议的多路复用，基于通道的多路复用采用CID的方式，基于协议的多路复用采用PSM的方式,基于协议的多路复用只允许在BR/EDR controller中使用)；

Segmentation and reassembly，上层应用数据(L2CAP Service Data Units，SDUs)的分割(和重组),生成协议数据单元(L2CAP Packet Data Units,PDUs)，以满足用户数据传输对延时的要求，并便于后续的重传、流控等机制的实现；

Flow control per L2CAP　channel，基于L2CAP　Channel的流控机制

Error control and retransmissions,错误控制和重传机制;

Support for Streaming ,支持流式传输(如音频、视频等，不需要重传或者只需要有限重传);

Fragmentation and Recombination ,协议数据单元(PDUs)的分片(和重组),生成符合Link Layer传输要求的数据片(长度不超过251)

Quality of Service ,QoS的支持。

ATT(Attribute Protocol)

到目前为止，我们可以知道的是，在BLE协议栈中:Physical Layer负责提供一系列的Physical Channel；基于这些Physical　Channel，Link Layer可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel；而L2CAP则将这个Logical Channel划分为一个个的L2CAP　Channel，以便提供应用程序级别的通道复用。到此之后，基本协议栈已经构建完毕，应用程序已经可以基于L2CAP运行起来了。

ATT将信息以Attribute(属性)的形式抽象出来，并提供一些方法，供远端设备(remote device)读取，修改这些属性的值(Attribute value)。

Attribute Protocol的主要思路包括：

(1)基于L2CAP，使用固定的Channel ID(0x004)

(2)采用client-server的形式.提供信息(以后都称作Attribute)的一方称作ATT server(一般是那些传感器节点),访问信息的一方称作ATT client。

(3)一个Attribute由Attribute　Type、Attribute Handle和Attribute Value组成：

Attribute Type　用于标识Attribute的类型，类似于我们常说的"温度","湿度"等人类可识别的术语，不过与人类术语不同的是，Attribute　Type使用UUID(Universally Unique IDenifier，16-bit,32-bit或者128-bit的数值)区分.

Attribute Handle是一个16-bit的数值，用作唯一识别Attribute　server上的所有Attribute。Attribute　handle的存在有如下意义：

a.一个server上可能存在多个相同type的Attribute，显然，client有区分这些Attribute的需要。

b.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字节数组

Attribute可以定义一些权限(Permissions)，以便server控制client的访问行为，包括：
访问有关的权限(access permissions):Readable,Writeable以及Readable and writable。

加密有关的权限(encryption permissions)：Encryption required和 No encryption required

认证有关的权限(authentication permissions):Authentication Required和No Authentication Required

授权有关的权限(authorization permissions):Authorization Required和No Authorization Required

根据所定义的Attribute　PDU的不同，client可以对server有多种访问方式，包括：

Find Information，获取Attribute　type和Attribute Handle的对应关系

Reading Attributes,有Read by type,Read by handle,Read by blob（只读取部分信息）,Read　Multiple（读取多个handle的value）等方式

Writing Attributes:包括需要应答的writing,不需要应答的writing等

GATT(Generic Attribute Profile)

ATT之所以称作"protocol"，是因为它还比较抽象，仅仅定义了一套机制，允许client和server通过Attribute的形式共享信息.而具体共享哪些信息，ATT并不关心，这是GATT的主场。

GATT相对ATT只多了一个'G'，但含义却大不同，因为GATT是一个profile

在蓝牙协议中，profile一直是一个比较抽象的概念，我们可以将其理解为"应用场景、功能、使用方式"都被规定好的Application。传统的BR/EDR如此，BLE更甚。BLE很大一部分的应用场景是信息的共享，因此，BLE协议栈基于Attribute Protocol，定义了一个称作GATT的profile framework，用于提供通用的、信息的存储和共享等功能。

GATT　profile的层次结构依次是：profile->service->characteristic。

“Profile”是基于GATT所派生的真正的Profile，位于GATT Profile　hierarchy的最顶层,由一个或者多个和某一应用场景有关的Service组成。

一个Service 包含一个或多个Characteristic(特征),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,一个Value，一个或者多个Descriptor组成。

Characteristic　Properties定义了charactertistic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。

Characteristic　Descriptor则保存了一些和Characteristic　Value相关的信息.

以上除"Profile"外的每一个定义，Service，Characteristic，Characteristic Properties,Characteristic Value、Characteristic Descriptor等等，都是作为一个Attribute存在的，都具有Attribute的所有特征:Attribute Handle、Attribute　Types、Attribute Value 和Attribute　Permissions。

SM(Security Manager)

Security Manager负责BLE通信中有关安全的内容，包括配对、认证、加密等过程。

GAP(Generic Access Profile)

BLE协议栈定义了一个称作Generic Access（通用访问）的profile，以实现如下功能：

1）定义GAP层的蓝牙设备角色（role）

和5.3中的Link Layer的role类似，只不过GAP层的role更接近用户（可以等同于从用户的角度看到的蓝牙设备的role），包括：

Broadcaster Role，设备正在发送advertising events；

Observer Role，设备正在接收advertising events；

Peripheral Role，设备接受Link Layer连接（对应Link Layer的slave角色）；

Central Role，设备发起Link Layer连接（对应Link Layer的master角色）。

2）定义GAP层的、用于实现各种通信的操作模式（Operational Mode）和过程（Procedures），包括：

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。

3）定义User Interface有关的蓝牙参数，包括：

蓝牙地址（Bluetooth Device Address）；

蓝牙名称（Bluetooth Device Name）；

蓝牙的pincode（Bluetooth Passkey）；

蓝牙的class（Class of Device，和发射功率有关）；

等等。

该篇文章只是对于另一篇文章的摘录没有加入自己的理解，故定义为转载，原文地址为：http://www.wowotech.net/bluetooth/ble_stack_overview.html