蓝牙的数据交互流程_蓝牙协议栈交互

上篇：蓝牙的概述中介绍了，蓝牙协议的架构。其实协议就是一种包装规则，两个设备使用蓝牙协议进行通信，那么发出的数据就要经过蓝牙协议规则的包装，最后才能发出去，对方根据协议解包装，得到数据。

1.广播方式

对象：advertiser（广播者），scanner或者observer（扫描者）。手机蓝牙连接耳机蓝牙，手机是扫描者，蓝牙耳机是广播者。手机蓝牙上面可以扫描到很多的蓝牙设备。广播通信流程如下：广播者send（0x64）

• 第一步：GAP层，定义数据的含义，0x64这个数据是表示什么的数据是湿度还是电量，还是其他的。GAP层引入了LTV（Length-Type-Value）结构来定义数据，比如020105，02-长度，01-类型（强制字段，表示广播flag，广播包必须包含该字段），05-值。由于广播包最大只能为31个字节，它能定义的数据类型极其有限，像这里说的电量，GAP就没有定义，因此要通过广播方式把电量数据发出去，只能使用供应商自定义数据类型0xFF，即04FF590064，其中04表示长度，FF表示数据类型（自定义数据），0x0059是供应商ID（自定义数据中的强制字段），0x64就是我们的数据(设备双方约定0x53就是表示电量，而不是其他意思)。数据变成：02010504FF590064
• 第二步：LL层. 添加access address概念，用来指明接收者身份，其中，D6BE898E 这个access address比较特殊，它表示要发给周边所有设备，即广播。再加上 LL帧头字段, 有效数据包长度,广播者的地址，CRC
• 最终结果：AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900648EC7B2
  • AA – 前导帧(preamble)
  • D6BE898E – 访问地址(access address)
  • 60 – LL帧头字段(LL header)
  • 0E – 有效数据包长度(payload length)
  • 3B75AB2A02E1 – 广播者设备地址(advertiser address)
  • 02010504FF590064 – 广播数据
  • 8EC7B2 – CRC24值

    缺点

•   无法进行一对一双向通信 （广播是一对多通信，而且是单方向的通信）
• 由于不支持组包和拆包，因此无法传输大数据
• 通信不可靠及效率低下。广播信道不能太多，否则将导致扫描端效率低下。为此，BLE只使用37(2402MHz) /38(2426MHz) /39(2480MHz)三个信道进行广播和扫描，因此广播不支持跳频。由于广播是一对多的，所以广播也无法支持ACK。这些都使广播通信变得不可靠。
• 扫描端功耗高。由于扫描端不知道设备端何时广播，也不知道设备端选用哪个频道进行广播，扫描端只能拉长扫描窗口时间，并同时对37/38/39三个通道进行扫描，这样功耗就会比较高。

2.连接方式

        设备A和设备B建立蓝牙连接，就是指设备A和设备B两者一对一“同步”成功.建立成功的条件如下：

• 设备A和设备B对接下来要使用的物理信道达成一致
• 设备A和设备B双方建立一个共同的时间锚点，也就是说，把双方的时间原点变成同一个点
• 设备A和设备B两者时钟同步成功，即双方都知道对方什么时候发送数据包什么时候接收数据包
• 连接成功后，设备A和设备B通信流程如下所示：

 如上图，当设备A和设备B，再同一时钟内TX和RX是一一对应的。

现在我们看看连接状态下是如何把数据0x53发送出去的，从中大家可以体会到蓝牙协议栈分层的妙处。

• 对开发者来说，很简单，他只需要调用send(0x53)
• GATT层定义数据的类型和分组，方便起见，我们用0x0013表示电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（小端模式！）
• ATT层用来选择具体的通信命令，比如读/写/notify/indicate等，这里选择notify命令0x1B，这样数据包变成了：1B130053
• L2CAP用来指定connection interval（连接间隔），比如每10ms同步一次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表示ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包头，这样数据就变为：040004001B130053
• LL层要做的工作很多，首先LL层需要指定用哪个物理信道进行传输（物理信道不体现在数据包中），然后再给此连接分配一个Access address（0x50655DAB）以标识此连接只为设备A和设备B直连服务，然后加上LL header和payload length字段，LL header标识此packet为数据packet，而不是control packet等，payload length为整个L2CAP字段的长度，最后加上CRC24字段，以保证整个packet的数据完整性，所以数据包最后变成：
  • AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
    • AA – 前导帧(preamble)
    • 0x50655DAB – 访问地址(access address)
    • 1E – LL帧头字段(LL header)
    • 08 – 有效数据包长度(payload length)
    • 04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号
    • 1B – notify command
    • 0x0013 – 电量数据handle
    • 0x53 – 真正要发送的电量数据
    • 0xF650D5 – CRC24值
    • 虽然开发者只调用了 send(0x53)，但由于低功耗蓝牙协议栈层层打包，最后空中实际传输的数据将变成下图所示的模样，这就既满足了低功耗蓝牙通信的需求，又让用户API变得简单，可谓一箭双雕！

参考链接： 深入浅出低功耗蓝牙(BLE)协议栈 - iini - 博客园