BLE 基础知识

简介

蓝牙4.0:

   包含经典蓝牙和ble
1

ble单模：

    ble
1

ble双模：

    经典蓝牙和ble
1

ble协议栈：

控制器层，host层，app

ble协议栈详解

1. 控制器

HCI

HCI层为接口层，向上为主机提供软件应用程序接口（API），对外为外部硬件控制接口，可以通过串口、SPI、USB来实现设备控制

Link Layer

L层为RF控制器，控制设备处于准备（standby）、广播、监听/扫描（scan）、初始化、连接，这五种状态中一种。五种状态切换描述为：未连接时，设备广播信息，另外一个设备一直监听或按需扫描，两个设备连接初始化，设备连接上了。发起聊天的设备为主设备，接受聊天的设备为从设备，同一次聊天只能有一个意见领袖，即主设备和从设备不能切换。

PHY

物理层： RF规格
2.4G ISM band
GFSK调制
40个频道，2M频间隔
3个广播(37,38,39)，37数据通道

由于BLE属于无线通信，则其通信介质是一定频率范围下的频带资源（Frequency Band）；BLE的市场定位是个体和民用，因此使用免费的ISM频段（频率范围是2.400-2.4835 GHz）；为了同时支持多个设备，将整个频带分为40份，每份的带宽为2MHz，称作RF Channel 。

主设备管理多个连接从设备，从设备只能连接一个主设备

做为一个BLE设备，有六种可能的状态:
– 待机状态(Standby)：设备没有传输和发送数据，并
且没有连接到任何设备
– 广播状态(Advertiser)：周期性广播状态
– 扫描状态(Scanner)：主动地寻找正在广播的设备
– 发起连接状态(Initiator):主动向某个设备发起连接
– 主设备(Master)：作为主设备连接到其他设备
– 从设备(Slave)：作为从设备连接到其主设备

2. host层

1.0 GAP：

连接参数设置，设备命令设置，安全模式设置
角色：广播者，观察者，主设备，从设备

BLE:广播事件

广播包的发送是单向的，不需要任何连接。
设备发送广播包进入广播状态
– 广播包可以包含特定的数据定义，最大31个字节
– 广播包可以直接指向某个特定的设备，也可以不指定
– 广播中可以声明是可被连接的设备，或者是不可连接的设备
在一个广播事件中，广播包会分别在三个广播通道中被发送一次 (37, 38, 39）

BLE:扫描事件

每次扫描设备打开Radio接收器去监听广播设备，称为一个扫描事件
扫描事件交替发生在三个特定的广播通道中: 37, 38, 39
扫描频宽比 (Duty-Cycle),关于扫描的两个
时间参数:
–扫描间隔:即扫描设备的扫描频度
–扫描窗口:每次扫描事件持续的时间

BLE发起连接
除了扫描，设备也可以主动发起连接，发起状态的设备和扫描状态的设备区别在于：当它监听到一个可连接的广播，发起设备就会发送一个连接请求，而扫描设备会发送一个扫描请求。
连接请求包括一套为从设备准备的连接参数，安排连接期间发生的通道和时间。如果广播设备接收了连接，两个设备会进入连接状态，发起方会称为 Master（主机） ，而广播方会称为 Slave（从机）。

BLE连接参数
通道映射，指示连接使用的频道。
调频增量，一个5~16 之间的随机，参与通道选择的算法。
连接间隔，1.25ms的倍数，在7.5ms~4s之间。
监督超时，10ms 的倍数，100ms~32s 之间， 必须大于 （1+slaveLatency）*ConnInterval
从机潜伏，0~499之间，不能超过（SupervisionTimeout/connInterval）-1

BLE连接事件

所有的通信都发生在两个设备的连接事件期间，连接事件周期的发生，按照连接参数指定的间隔联系，每个事件发生在某个数据通道（0~36），调频增量参数决定了下次连接时间发生的通道，在每个连接时间期间，Master 先发送，Slave会在 150us之后做出回应，即使一个连接事件发生（或两者），双方都没有数据发送（例外情况是从设备潜伏使能），这允许两个设备都承认对方仍然存在并保持活跃的连接。

Slave的潜伏

Slave如果没有数据发送，允许跳过连接时间。连接参数中的 Slave 的潜伏值，是允许设备跳过的最大连接次数，在连接事件中，如果 slave 没有对master 的包做出回应，master将会在后来的连接时间中重复发送，直到 slave 回应。两个有效的连接事件之间的最大时间跨度（假设 slave 跳过了最大数目的连接时间）称为“有效连接间隔”，从设备的潜伏范围是 0~499，但是有效的连接间隔必须小于 32s。

连接参数的设定
短间隔的连接事件：
-两设备都会以高能耗运行
-高数据吞吐量

• 发送等待时间短

长间隔的连接事件：

• 两设备都会以低能耗运行
• 低数据吞吐量
• 发送等待时间长

低或者 0潜伏值：

• 从设备以高能耗运行
• 从设备可以快速的收到来自中心设备的数据

高潜伏值：

• 外围设备在没有数据发送的情况下可以低能耗运行
• 外围设备无法及时收到来自中心设备的数据
• 中心设备能及时收到来自外围设备的数据

1. 安卓设备作主设备时，连接参数满足的要求见本篇博文第二节“连接参数介绍”中提到的内容。另外实际开发过程中发现安卓设备作主设备时存在一个问题，就是部分安卓设备连接BLE设备之后，只能进行一次连接参数的修改。

2. 苹果系统设备作主设备时，连接参数更新的要求比较苛刻，如下：
   Interval Max * (Slave Latency + 1) ≤ 2 seconds
   Interval Min ≥ 20 ms
   Interval Min + 20 ms ≤ Interval Max
   Slave Latency ≤ 4
   connSupervisionTimeout ≤ 6 seconds
   Interval Max * (Slave Latency + 1) * 3 < connSupervisionTimeout

即：
最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1） ≤ 2s
最小连接间隔时间 ≥ 20 ms
最小连接间隔时间 + 20 ms ≤ 最大连接间隔时间
从机延迟 ≤ 4
超时时间 ≤ 6s
最大连接间隔时间 （从机延迟 + 1） 3 < 超时时间

这样算
ios最小20ms
最大400ms
从机延迟 4
超时时间6s

所以如果你的BLE从设备需要被IOS主设备连接，那你的BLE从设备的默认申请的连接参数一定要满足上述要求，并且连接过程中修改连接参数的时候也要满足上述要求。

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2. ATT

**ATT(Attribute protocol)**协议是为了允许设备读写保存在Server上的数据值。每个存储值就是一个属性。

ATT定义了属性的内容，规定了访问属性的方法和权限。平时我们的BLE设备就是通过属性进行数据收发的。

ATT定义了两种角色：Client和Server。

Server：存储属性，接收Client的ATT请求，命令和确认。
Client：接收Server的应答，指示和通知。

4. GATT

GATT(Generic Attribute Profile) 是建立在ATT之上的。为传输数据建立通用操作和框架。

GATT也定义了两种角色: Server和Client。GATT Client也是一个ATT Client，GATT Server也是一个ATT Server，所以GATT角色不需要去专门绑定ATT角色。

Server：一般就是进行广播，被连接的设备。
Client：一般就是进行扫描，然后主动去连接的设备。

GATT还指定了GATT Server上包含的数据格式。由属性协议传输的属性被格式化为服务和特征。来看看下图：

上图定义了一些概念及它们之间的包含关系，这些概念还是很重要的，接下来我们来一一解释。

1. Service — 服务
   简单理解就是提供某项服务或功能。比如心率，电池监测等都可以定义为一个服务。
   系统可以有两种service：主要(primary)和次要(secondary)
   primary: 提供设备的主要功能
   secondary：提供设备的附加功能

2. Included services — 包含服务
   类似于包含头文件，就是将其他共用的服务包含进来。

3. Characteristic — 特征
   可以理解为服务中的某个特性，比如心率服务，就会有个心率值，心率值就可以定义为一个Characteristic 。

4. Properties — 属性
   这里的属性和上面的Attribute不一样。这里的属性定义的是Read / Write / Notify / Indicate等，用于声明Characteristic是否可读可写等属性。

5. Value — 值
   用来保存数值的。

6. Descriptor — 描述符
   用于描述Characteristic，让用户更能理解该Characteristic的作用和如何使用。

通过上图，我们可以看出Service的数据结构定义。

UUID

UUID就是通用唯一标识符。上一篇我们提到的Service (服务)，Characteristic (特征)，Descriptor (描述符) 等都有自己的UUID。因为一个设备肯定会有很多个服务，一个服务中也会包含多个特征，一个特征也可以包含多个描述符。那怎么来区分它们呢? 所以就需要UUID来进行标识区分了。

蓝牙对UUID 格式定义都有三种： 16bit UUID、32bit UUID、128bit UUID。

16bit 和 32bit 的 UUID 与 128bit 的值之间转换关系：

128_bit_UUID = 16_bit_UUID * 2^96 + Bluetooth_Base_UUID
128_bit_UUID = 32_bit_UUID * 2^96 + Bluetooth_Base_UUID

其中 Bluetooth_Base_UUID 定义为 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB
上面的计算公式太复杂，我们用下面的方式记比较简单。
若 16 bit UUID为xxxx，那么 128 bit UUID 为 0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
若 32 bit UUID为xxxxxxxx，那么 128 bit UUID 为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
蓝牙联盟已经将某些UUID分配给一些公司或服务使用了。可以参考下面官方链接。
当然了，即使被分配了，我们也可以使用，只是如果做成市场产品就要小心，可能会跟别人的冲突，出现不兼容等情况。

空口数据包

空口数据包就是在空中传输的数据包。它是最完整的数据包，一般只有抓包分析问题才会需要了解这些知识。

空口数据包有两种格式:
LE Uncoded PHY （1M和2M）
LE Coded PHY
一种有编码，一种没有编码的。

我们先只看看未编码的格式：

无论是广播数据包还是普通数据包，它们的空口数据包格式是一样的。区别在于Access-Address和PDU的内容不同。

1. Preamble
   前导码用来同步接收端和发送端的，1M PHY使用1个字节， 2M PHY使用2个字节。前导码是0和1交替的固定顺序，前导码的第一个bit要和接入地址的最低位（小端）一样，所以前导码第一个bit是由接入地址决定的。

2. Access-Address
   4个字节，用来标示接收者ID或者空中包身份。它和设备地址(48bit)是不一样的，不要混淆。
   根据接入地址的不同，可以区分两种Packet类型：广播包和数据包：
   广播包接入地址固定为0x8E89BED6
   数据包接入地址为一个32bit的随机值，由Initiator生成。

3. PDU
   2~258个字节，真正的数据内容。

4. CRC
   3个字节的CRC校验