BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包,以生成一个满足BLE协议的空中数据包,也就是说,把应用数据包裹在一系列的帧头(header)和帧尾(tail)中。
BLE协议栈主要由如下几部分组成:
PHY层用来指定BLE所用的无线频段,调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好,直接决定整个BLE芯片的功耗,灵敏度以及selectivity等射频指标。
BLE的调制方式为GFSK,BLE定义在信道中传输的是二进制符号(波形),即1个符号(波形)表示1个比特,其中相对频点正偏代表数字基带信号1,相对频点负偏的代表数字基带信号0。
1M PHY和2M PHY在2404频点发送数据0b1010的对比图
频段:2400MHz~2483.5MHz
通道:一共 40 个通道,37个自适应自动调频数据通道(0-36) ,3个广播通道:37 38 39
为什么ch是这么分布呢?因为大部分设备是使用1,6,11 ch,ble使用37,38,39 ch和这几个ch没有耦合,有利于抗干扰。
通道带宽:
此层为RF控制器,用于控制设备的射频状态,控制设备会处于5种状态之一:standby(准备)、advertising(广播)、scanning(监听/扫描), initiating(发起连接)、connected(已连接) 。LL层要做的事情非常多,比如具体选择哪个射频通道进行通信,怎么识别空中数据包,具体在哪个时间点把数据包发送出去,怎么保证数据的完整性,ACK如何接收,如何进行重传,以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来,对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。
HCI是可选的(具体请参考文章: 三种蓝牙架构实现方案(蓝牙协议栈方案)),HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合,用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。
GAP是对LL层payload(有效数据包)如何进行解析的两种方式中的一种,而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义,因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播,扫描和发起连接等。
L2CAP对LL进行了一次简单封装,LL只关心传输的数据本身,L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道,同时还要对连接间隔进行管理。
蓝牙协议到这个层次的时候,就清爽多了:
对下,它在用户类XXX-U Logical Link的基础上,抽象出和具体技术无关的数据传输通道(包括单播和广播两类),至此用户就不再需要关心繁杂的蓝牙技术细节。
对上,它以L2CAP channel endpoints的概念(类似TCP/IP中的端口),为具体的应用程序(profile)提供独立的数据传输通道(当然,也是一个逻辑通道)。
SMP用来管理BLE连接的加密和安全的,如何保证连接的安全性,同时不影响用户的体验,这些都是SMP要考虑的工作。该层定义了配对和密钥分配方式。
简单来说,ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据,比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中,开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念,用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据,同时定义该数据可以使用的ATT命令,因此这一层被称为ATT层。
允许设备向其它设备展示一块特定的数据,称之为“属性(attribute)”。在ATT环境中,展示“属性”的设备称之为服务器,与之配对的设备称之为客户端。链路层状态(主机和从机)与设备的ATT角色是相互独立的。例如,主机设备既可以是ATT服务器,也可以是ATT客户端。从机设备可以是ATT客户端,也可以是ATT服务端。
GATT用来规范attribute中的数据内容,并运用group(分组)的概念对attribute进行分类管理。没有GATT,BLE协议栈也能跑,但互联互通就会出问题,也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile,BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境,成了出货量最大的2.4G无线通信产品。
standby(准备)、advertising(广播)、scanning(监听/扫描), initiating(发起连接)、connected(已连接) 。
五种状态的切换描述为:
advertising(广播)不需要连接就可以发送数据(告诉所有人,我来了);
scanning(监听/扫描)来自广播的数据;
initiator(发起人)将携带 connection request(连接请求)来响应广播者,如advertiser(广播者)同意该请求, 那么广播这和发起者都会进入已连接状态, 发起连接的设备变为 master(主机),接收连接请求的设备变为 slave(从机)。
Master:从Initiating state进入Connection state
Slave:从Advertising state进入Connection state
广播的目的:让别人能发现自己,对于一个不广播的设备,周围设备感觉不到其存在的,因此,要让别的设备能发现,则必须向外广播,在广播中可以带上丰富的数据,比如设备的能力,设备名字以及其他自定义的数据,这也就有了第二种可能:给不需要建立连接的应用发送数据。比如一个BLE温度计,其本身可以不接收任何连接,而可以选择通过广播将温度发送出去。检测者只要监听广播就能获取当前的温度。
扫描者只有在收到广播数据后,才能去与广播者建立连接。广播是周期性的将广播数据从广播通道上发送出去,这里有如下几个问题:
一个广播包在37,38,39分别广播出去为一个广播事件(Advertising event),
扫描是为了获取设备信息,发现周围设备,分两种情况:
被动扫描(Passive scan):这种情况,扫描者不发送任何信息,只监听广播数据,扫描者能收到广播,广播者并不知道扫描设备的存在;
主动扫描:扫描者在接到广播数据(ADV_IND)后,主动发起扫描请求(SCAN_REQ),广播者接到扫描请求回应扫描(SCAN_RSP),扫描回应(SCAN_RSP)也可以携带广播者数据。但需要注意的是,扫描者发送SCAN_REQ请求无法携带有效用户数据(参考扫描类型的PDU Payload),因此广播和扫描者之间是单向通信,扫描者能知道广播者信息,但广播者无法知道扫描者信息。
广播者只是在广播通道发送广播数据,并不知道任何scanner的存在,advertiser和 scanner之间也不存在任何同步方式,只有广播和扫描所在的通道随机重合时,广播包才能被扫描设备收到,因此,和广播设备一样,扫描设备也有一些时间参数要求。
扫描有两个重要的参数:scan interval 和scan window
Scan interval:定义多久发送一次扫描请求,取值范围是:2.5ms-10.24s
Scan window:定义扫描持续的时间是多长
当接到广播数据后,scanner可以发起建立连接请求,建立连接请求的数据包(CONNECT_REQ)是在广播通道上发起的。如下所示:
CONNECT_REQ请求中会带上重要的连接参数,包括连接时间间隔,supervision timeout,以及和跳频相关的参数,并且在建立连接后,切换到数据通道上交互数据。
建立连接后,两个设备会在相等的连接间隔(Connection interval)之间交换数据,每一次的数据交换称之为连接事件(connection event),数据的发送和接收都是通过连接事件完成的,在连接事件之外,BLE设备处于休眠状态,因此进一步降低了功耗。
Connection Interval:
Slave Latency:
Connection supervision timeout:
这几个参数是BLE连接中重要参数,直接决定了速率和异常情况的处理:
· Connection interval决定了传输速率,越小,发送数据越快,但功耗也会越大
· Slave Latency为0,数据发送速度回提高,增大,则会减小功耗
· Timeout:异常情况时能否尽快断开。
对与IOS设备的BLE相连接时,对这几个参数的设置有明确的要求:
https://developer.apple.com/hardwaredrivers/BluetoothDesignGuidelines.pdf
ref:
蓝牙广播和扫描理解_老衲开心用飘柔的博客-CSDN博客_蓝牙广播
深入浅出低功耗蓝牙(BLE)协议栈 - iini - 博客园
蓝牙传输速率(BR/EDR, LE 1M, LE 2M, LE Coded) - 知乎