第三周工作总结——IBeacon协议分析

1. 总述

这周的主要工作是使用已有的BLE USB Dongle和iphone跑通基本的ibeacon原理，进一步分析IBeacon协议，以便于接下来编写生成IBeacon信号的Matlab代码。

2. IBeacon协议分析

2.1 前人工作及声明

许多研究者已经对IBeacon的Packet的格式进行了细致的分析，并尝试自己搭建IBeacon协议栈，如电子工程世界论坛的southwolf1813进行了协议分析和基站搭建，stackoverflow的davidyoung也给出了包格式分析（不过后者提供的实例数据中的CRC貌似是错的）。

作为一个电子方面的小白，这里要特别感谢southwolf1813，他帮助我解决了BLE USB Dongle烧录固件的问题，此外还向我介绍了许多IBeacon方面的知识，令我受益匪浅。同时要感谢帮我联系southwolf1813的两位导师，以及无偿帮我焊电路板的电子工艺实习基地的老师。

2.2 设备准备

2.2.1 IBeacon发射机

所有支持Bluetooth4.0协议的苹果设备都可以成为IBeacon，具体而言，iphone是4s及以上，ipad是3及以上。我们使用iphone作为发射端的IBeacon，在AppStore中下载安装应用AirBeacon，我们就可以用iphone发送IBeacon数据包：

在接收端，我们使用BLE USB Dongle抓取IBeacon数据包：

上图中右侧设备是BLE USB Dongle，左侧是购买时赠送的仿真器转接板，该转接板可用于连接USB Dongle和CC Debugger，从而为前者烧录制定的固件。在本实验中，我们烧录了Packet Sniffer的固件，不过还是推荐让店家帮忙烧录，这样比较省事。

2.3 抓包过程

抓包过程如下：

1. 将BLE USB Dongle插入PC USB接口，打开Packet Sniffer软件，开始监听。

2. 打开AirBeacon软件，新建一个Beacon Profile，示例见下图：

3. 点击应用中的Advertise Beacon按键，AirBeacon开始广播数据包，同时PC端的Packet Sniffer软件会显示抓取的数据包。

2.4 结果分析

在设置为上图中Beacon Profile的情况下，Packet Sniffer抓到的数据包如下图所示：

从该示例中，我们可以清楚的看到IBeacon Packet的各层信息。

1. BLE Link Layer Packet从4byte的Access Address开始，对于Advertising类型的数据包而言，其Access Address均为0x8E89BED6。

2. Access Address之后就是PDU了，BLE协议规定PDU的长度为2~39字节，其中前两个字节是PDU的Header，剩余字节为PDU的Payload。

2.1 首先看Header，IBeacon使用的Adv PDU的类型是固定的，即ADV_IND，其对应于Header中的Type域值为0，TxAdd指示了IBeacon Mac Address的类型，1表示Random Address，0表示Public Address。RxAdd与TxAdd相似，指示了接收设备的地址类型，但是在IBeacon的Payload中并没有接收端的地址数据，因此这一位是不用的，根据协议应将其设为0，与其它RFU位相同。PDU-Length域长6bit，指示了Payload的字节数，由图可知IBeacon的Payload有36个字节。

2.2 其次看Payload，IBeacon使用的ADV_IND类型的PDU的Payload由两部分组成，一部分是IBeacon的Mac地址，即AdvA，其长度为6byte；另一部分即IBeacon的数据域AdvData，其长度为30byte，下文会对AdvData中的各个域进行详细的分析。

3. PDU之后就是Packet的最后一个域——CRC，CRC根据PDU的内容计算得到，个人感觉Packet Sniffer把CRC的大小端搞反了，因此显示的是将正确的CRC颠倒过来的值。

4. 我们就进一步看AdvData部分的结构。第二周的报告提到AdvData是由多个AD Structure组成的，IBeacon的AdvData也不例外，它包含了两个AD Structure。第一个为02 01 1A，第二个为1A FF 4C 00 02 15 ... 00 02 C5。对于第一个AD Structure，其第一个字节02表示了其剩余部分的长度，第二个字节01表示了该Structure的类型为Flag，而1A就是相应的flags的值了。对于第二个AD Structure，其第一个字节1A表示了其剩余部分的长度，第二个字节FF表示了该Structure的类型为Manufacturer Specific Data，即由制造商规定的数据，BLE协议规定该类型的Structure的开始两个byte为制造商标识，这里是4C 00，即苹果公司标识。到这里，BLE协议的约束范围才真正结束，第二个Structure中剩余的部分则是由IBeacon协议定义的数据。

5. 对照AirBeacon的发射数据，我们可以知道IBeacon协议定义的数据结构。首先，02 15是IBeacon Header，02应该是flags，15是payload的长度。剩余的21个byte是IBeacon的Payload，其中开始的16byte（83 27 85 0F 2F A2 46 19 BA 4A 7E 33 9C DF 9E 55）是UUID，之后的2byte（00 01）是Major，之后的2byte（00 02）是Minor，最后的1byte（C5）是RSSI，RSSI是用补码表示的，这里的值是-59。

知道了IBeacon Packet的具体结构，我们就可以用Matlab生成IBeacon信号，并通过SDR平台向外发射自己的IBeacon信号了。