BLE协议栈详解

1、目的

因最近面试，总有人问到BLE协议栈，据此，记录学习BLE协议栈的过程。

2 协议概述

所谓协议，即将指定的字节按照一定的顺序排列起来，以便他人使用自己的设备时，能通过该协议同其他设备进行通信。协议一特点，就是有固定的帧格式，通过该格式发送，接收者通过解读帧格式，进而得到信息内容；

3 BLE连接过程

3.1 前言
一般通信协议，一类通信是直接发生数据，当设备接送到数据时，直接对数据进行解析，当接受到的数据合法时，即为有效数据，该类型的通信协议，主要用在有线通信协议中，比如Modbus，Can通常采用的即为该类型的通信方式。
另一类通信协议，则需要新建立连接，当双方连接建立成功了方可通信，例如TCP、BLE；BLE协议在需要进行通信时，即需要向外发送广播信号，告诉接收者，即将和它进行通信，接受者接收到广播内容后，确认是与自己通信，于是向广播者发送一响应信息，这样当广播者和接受者都有了对方的身份信息时，即表示双方连接成功。
因此，在连接过程中，必定有相应的广播帧格式。在BLE通信过程中，假设设备A需要连其他设备假设为B，则A需要不断地发送广播信号（此过程一般有一个时间间隔，在没发送广播数据时间内，芯片处于低功耗状态），每发送一次广播包，称之为一次广播事件。
3.2 广播帧格式

前导：
是一个8比特的交替序列
接入地址的第一个比特为0：01010101
接入地址的第一个比特为1：10101010
接入地址：广播帧为固定地址：0x8E89BED6（低字节在前）
广播报文的报头：
包含4bit广播报文类型、2bit保留位、1bit发送地址类型和1bit接收地址类型。
广播报文类型:

发送地址类型：
0： 公共地址
1： 随机地址
长度：广播报文的长度域包含8个比特，有效值的范围是6~37
数据： 广播者地址(6个字节)+广播数据（31个字节）
校验： 3个字节，为CRC校验。
广播数据： 分为有效数据和无效数据

有效数据部分：
包含N个AD Structure，每个AD Structure由Length，AD Type和AD Data组成。 其中：
Length： AD Type和AD Data的长度。
AD Type： 指示AD Data数据的含义。详见https://www.bluetooth.com/specifications/assigned-numbers/generic-access-profile/

3.3 连接过程
所谓设备A和设备B建立蓝牙连接，就是指设备A和设备B两者“同步”成功 ，包括以下步骤：
（1）设备之间的物理信道一致；
（2）设备间建立了共同的时间锚点；
（3）设备间时钟同步成功；
连接建立过程：
（1）设备A发送一个广播包150us后，将打开一段时间射频接受窗口，接收来自设备B的数据包；
（2）设备B接受到设备A的广播包后，将在这段时间内，向设备A发送连接请求；
（3）当设备A接收到来自设备B的连接请求时，将以此作为初始锚点。
（4）150us后，设备B将打开一段时间射频接受窗口，接收来自设备A的数据包；
（5）设备A将在这段时间，向设备B发送连接请求；设备B将根据连接请求中的内容做好连接准备。
连接请求内容:

连接成功后：
（1）设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔，向设备B发送数据包，而设备B也将周期性地以CI为间隔打开射频接收窗口以接收设备A的数据包。
（2） 按照蓝牙spec要求，设备B收到设备A数据包150us后，设备B将切换到发送状态，把自己的数据发给设备A；设备A则切换到接收状态，接收从设备B发过来的数据。
（3）由此可见，连接状态下，设备A和设备B的射频发送和接收窗口都是周期性地有计划地开和关，而且开的时间非常短，从而大大减低系统功耗并大大提高系统效率。
3.4 数据帧格式
连接成功后，双方将可以互相发送数据，那么将涉及到其数据帧格式：

字段释义：
LLID：表示此包数据是 LL Date PDU 还是 LL Control PDU
00b: Reserved
01b: LL Date PDU： Continuation fragment of L2CAP message， or an Empty PDU.
10b: LL Date PDU： Start of an L2CAP message or a complete L2CAP message with
no fragmentation.
11b: LL Control PDU

MIC（ Message Integrity Check）：信息完整性检测。涉及到加密操作，上图中是用虚线表示的，并不是一定要有此项。
MD：这个标志位是用来通知对方设备自己还有其他数据准备发送。 0 表示没有更多数据发送， 1 表示有更多数据准备发送。这样，只要还有数据需要发送，连接事件会自动扩展。一旦不再有数据发送，连接事件立即关闭。

Note： 如何区分是确定包、新包还是重发包？
SN：只有一个 bit 位，所以值是在 0 和 1 之间进行切换。如果序列号与之前的一样，则为重传报文，如果序列号和之间的不同，则为新报文。
NESN：预期序列号，它是接收方希望接到的下一包的序列号，也就是数据包的确认标志。 当设备接收到序列（SN）为 0 的报文后，在发送给对方的数据包中，应将 NESN 设为 1，这样对方接收到这个包后，会发送一个新的数据包过来，否则就会重发上一次序列号为 0 的包。这个标志可以用来判断数据包是否被正确接收还是需要重传。

4、BLE协议栈各层功能机制

BLE协议栈的框架如下图所示：

PHY层（Physical layer物理层）：

PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。

LL层（Link Layer链路层）：

LL层是整个BLE协议栈的核心，执行一些基带协议，底层的数据包管理协议。

HCI（Host controller interface）：

主机控制接口层

GAP层（Generic access profile）：

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（逻辑链路于适配器协议层）：

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。

SMP（Secure manager protocol）:

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。

ATT（Attribute protocol）：

generic attribute profile（GATT）（属性协议层）