• 【Bluetooth蓝牙开发】七、BLE协议之链路层


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    7.1 前言

    ble_stack

    经过Physical Layer的定义,通信所需的物理通道已经okay了,即40个RF Channel(后面统一使用Physical Channel指代)

    此时Link Layer可以粉墨登场了,它主要的功能,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。除此之外,还要做到:

    • Physical Layer仅仅提供了有限的40个Physical Channel,而BLE中参与通信的实体的数量,肯定不是这个数量级。Link Layer需要解决Physical Channel的共享问题
    • 通信是两个实体之间的事情,对这两个实体来说,它们希望看到一条为自己独享的传输通道(就是我们所熟悉的逻辑链路Logical Link)。这也是Link Layer需要解决的
    • Physical Channel是不可靠的,任何数据传输都可能由于干扰等问题而损毁、丢失,这对有些应用来说,是接受不了的。因此Link Layer需要提供校验、重传等机制,确保数据传输的可靠性;
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    7.2 状态(state)和角色(role)的定义

    BLE协议在Link Layer层抽象出5种状态:

    • Standby State:待机状态,不发送数据,也不接收数据。该状态可以由任何状态进入,也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态。
    • Advertising State:广播状态,可以发送,监听,响应广播通道包,由Standby状态进入。
    • Scanning State:扫描状态,能够监听广播设备发送的广播包,由Standby状态进入。
    • Initiating State:初始化状态,监听指定设备的广播通道包,并且响应广播包,并发送连接请求,以便和广播设备建立连接。当连接成功后,Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。该状态由Standby状态进入。
    • Connection State:和某个实体建立了单独通道的状态,在通道建立之后,由 Initiating StateAdvertising State进入。通道断开后,会重新回到Standby状态。

    image-20220614154315747

    进入Connect State后,又定义了两种角色:

    • Master Role:由 Initiating State进入的Connect State,连接成功后,变成了Master Role
    • Slave Role:由 Advertising State进入的Connect State,连接成功后,变成了Slave Role

     

    7.3 空中接口数据包

    该章节官方文档定位:Core5.0 P2562

    状态和角色定义完成后,剩下的事情就简单了,主要包括两类:

    • 提供某一状态下,和其它实体对应状态之间的数据交换机制;
    • 根据上层实体的指令,以及当前的实际情况,负责状态之间的切换。

    BLE协议中,这些事情是由一个叫做空中接口数据包(Air Interface Packets)的家伙负责。

     

    Air Interface Packets定义了一种包的格式,主要用于描述LE Uncoded PHYadvertising channeldata channel通信格式

     

    包的格式如下

    image-20220615113138249

    7.3.1 Preamble字段

    Preamble前导码:是0和1的交替序列,当物理通道为LE 1M PHY时,前导码为1Byte;当前导码为LE 2M PHY时,前导码为2Byte

    格式如下

    image-20220615141655627

     

    7.3.2 Access Address字段

    Access Address:对于所有在广播通道发送的数据包,其值都为0x8E89BED6。一旦链路层处于Initiating State状态时,会生成一个新的Access Address用于连接。该Access Address为一个4Byte的值。

    蓝牙使用Access Address来标识不同的设备,Access Address可以是一个公共的地址,也可以是一个随机的地址,无论是哪一种类型的地址,均为48bits长度。

    • 公共地址:官方定义的一些规范,通用的地址,这里不做解释。
    • 随机地址:可能是静态地址,或者是私有地址

     

    7.3.2.1 静态地址

    静态地址一般都是随机生成的,但是需要满足下面的几点规则:

    • 地址的两个最高有效位应该等于1
    • 随机地址部分,至少有一位为0
    • 随机地址部分,至少有一位为1

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    大多数的设备(手机)都是在上电之后,初始化一次静态地址,一旦初始化后,静态地址就不变了;重新上电后,会生成新的静态地址。

     

    7.3.2.2 私有地址

    私有地址又分为:不可解析私有地址和可解析的私有地址。

    ① 不可解析的私有地址

    不可解析私有地址,遵守以下生成规则:

    • 地址的两个最高有效位应该等于0
    • 随机地址部分,至少有一位为0
    • 随机地址部分,至少有一位为1
    • 不能与公共地址有冲突

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    ② 可解析的私有地址

    可解析的私有地址,说直白点就是带加密算法所生成的。设备需要有Local Identity Resolving Key (IRK) 或者the Peer Identity Resolving Key (IRK)这两个密钥,生成24bit的号码,

    可解析的私有地址,遵守以下规则:

    • 地址的两个最高有效位为0和1
    • 随机地址部分,至少有一位为0
    • 随机地址部分,至少有一位为1

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    总结:最高有效位的前两位,代表了设备地址的类型

     

    7.3.3 PDU字段

    Air Interface Packets整体的包结构我们已经熟知,下面主要分析以下PDU字段。

    PDU:分为两种,广播通道上传输Advertising Channel PDU;数据通道上传输 Data Channel PDU,长度为2-257字节

     

    7.3.3.1 Advertising Channel PDU

    广播通道PDU,包括Advertising PDUScanning PDUInitiating PDU三种类型。

    广播通道的PDU,由16bit的数据头和1-255Byte的可变大小数据组成。

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    16bit数据头组成如下

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    • PDU Type字段的类型有多种,如下

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    PDU Type有多种,文章定位:core 5.0 P2567,可自行查阅。

    • ChSel:该位为1,支持LE Channel Selection Algorithm,即LE通道选择算法,反之,不支持。
    • TxAdd:该位为0,表明PayloadAdvA字段为公共的;该位为1,表明PayloadAdvA字段为随机的。
    • Length:该字段表明了Payload的长度

    官方文档定位:core 5.0 P2569

     

    常见的Advertising PDU

    • ADV_IND:该PDU用于连接和扫描无定向的广播事件。

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    • ADV_DIRECT_IND:该PDU用于连接和扫描定向的广播事件。

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    • ADV_NONCONN_IND:该PDU用于不可连接和不可扫描的非定向广播事件

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    常见的Scaning PDU

    • SCAN_REQ:该PDU为发送扫描请求

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    • SCAN_RSP:该PDU包括了广播者的地址和返回的扫描响应数据。

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    常见的Initiating PDU

    • CONNECT_IND:该PDU用于建立连接

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    LLData域有对应了一些链路层参数的设置,可以详细看Core 5.0 P2578

    每一种PDU Type,都会定义自己的Payload组成。

     

    7.3.3.2 Data Channel PDU

    数据通道PDU的格式,包括16bit的Header,可变大小的Payload,以及消息完整性检查MIC.

    包的格式如下

    image-20220629144449919

    Header包括

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    LLID:该字段标识了这个包为LL Data PDU或者LL Control PDU

    NESN:下次期望的序列号

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    根据LLID字段,Data Channel PDU又分为LL Data PDULL Control PDU两种类型。

     

    • LL Data PDU:该PDU用于发送链路层的数据。

    LLID01b时,并且Length=0时,表示一个 Empty PDU

    LLID10b时,则Length不能设置为0。

     

    • LL Control PDU:该PDU用于控制链路层的连接。

    image-20220629145700883

    Opcode操作码也有多种:

    image-20220629145740229

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    每一种操作码对应不同的数据长度。详细可见core5.0 P2589

     

    7.3.4 CRC字段

    CRC字段:在链路层包的最后,校验所有的PDU数据,大小长度为3Byte

    如果PDU数据加密,则CRC将会计算加密后的PDU数据。

    CRC算法采用多项式求和的形式进行,感兴趣的可以了解。Core 5.0 P2601

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    7.4 总结

    本篇主要讲了BLELink Layer,包括链路层定义的角色和状态,空中接口数据包的通信格式以及各个字段的含义,方便我们去分析LOG和定位问题。

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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/dong__ge/article/details/125546196