ble 简介-程序员宅基地

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一、ble 概述

BLE 的全称叫做 Bluetooth Low Energy,也称之为低功耗蓝牙,与之对应的是 Classic Bluetooth,经典蓝牙
在兼容性上,BLE 蓝牙不兼容 Classic 的版本,可以理解成为独立的一种蓝牙形态
BLE 采用与 BT 相同的工作频率(2.400GHz-2.4835GHz - ISM频带),但不同于BT 79 个 1MHz 信道,BLE 使用 40 个 2MHz 信道
由于使用了免许可的 2.4GHz 频段,这个频段很多无线产品都在用(WIFI),所以为了稳定性引入跳频技术(Hopping),蓝牙在连接状态下,双方在约定好的时间段同时跳到另外的频率上进行数据收发,避免了信道上的数据拥堵
在一颗蓝牙芯片上,既能够支持 BT 也支持 BLE 的,称之为双模。否则,为单模。如手机上的蓝牙芯片,绝大多数都是双模的蓝牙芯片
协议规范: https://www.bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification/

二、状态机

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• Standby State--------------------备用状态,不收发数据包
• Advertising State-----------------广播状态
• Scanning State-------------------扫描状态
• Initiating State--------------------发起态,用于连接设备
• Connection State ----------------连接态,initiator 即发起连接的为 Central,advertiser 即发广播的为 Peripheral
• Synchronization State------------同步态,用于周期性广播的数据同步

在同一时刻,BLE 设备只能处于上述状态中的一种,对于上层来说,BLE 可能即在Connection 状态又同时在 Initiating 状态,但是对于底层PHY其是分时复用的

三、设备地址

每个 BLE 设备都有一个 ID,也叫 BD Address,由 48 bits 构成,分为两大类:

1. Public address

由 company_assigned [24 bits] 和 company_id [24 bits] 构成,需要到蓝牙组织那里去申请(花钱买),防止冲突
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2. Random address

a. Static address

最高两 bit 恒定为 11,剩余的 46bits 是一个随机数,不能全部为0,也不能全部为1
上电的时候随机生成,并且在一个上电周期内保持不变,下一次上电的时候可以改变,也可以保持不变
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b. Private address

私有地址,根据地址是否加密,又分为了两类:

i. Non-resolvable private address

不加密,定时更新
和 Static Address 类似,不同之处在于,Non-resolvable private address会定时更新。更新的周期由 GAP 规定的,称作 T_GAP(private_addr_int) ,建议值是15分钟
最高两bit恒定为 00,剩余的 46bits 是一个随机数,不能全部为0,也不能全部为1
以 T_GAP 为周期,定时更新,此地址不能和 public device address 冲突
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ii. Resolvable private address

加密,定时更新
这种地址也称 RPA 加密地址,只能被拥有相同 Identity Resolving Key (IRK) 的设备扫描到,可以防止被未知设备扫描和追踪
最高两位是 10,prand 除了最高两位以外,是一个随机数,hash 部分是通过 IRK 和 prand 计算出来的 hash 值
当 A 端向 B 端发送 RPA 的时候,B 端会使用 A 的 prand 和 B 端的 IRK 进行同样的 hash 运算,并将计算的 hash 和 A 的 hash 字段进行比较,相同才可正常通信
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综上所述,48bits 地址类型分类如下:
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四、信道

BLE 工作在 2.4GHz 的频段上,分为 40 个 RF 物理信道,每个信道 2M,用 Ch0 - Ch39 进行编号,同一时刻只能用一个信道进行数据收发,信道分为两类:

  • advertising channels:为了抗干扰选择与 WIFI 频段隔离的 3 个信道 Ch0(Index 37),Ch12(Index 38),Ch39(Index 39) ,只能用于收发 ADV_IND,SCAN_REQ,SCAN_RESP,CONNECT_IND
  • date channels:Connection 状态下使用其它 37 个信道 ,用于普通数据包的收发,通过跳频技术(Hopping)来减少干扰
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五、协议栈

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1. Controller

指蓝牙芯片,包括BR/EDR芯片(蓝牙2.1芯片),AMP芯片(蓝牙3.0芯片),LE芯片(蓝牙4.0芯片),后续我们把4.0以下统称为传统蓝牙,4.0以上称为低功耗蓝牙

a. RF(RADIO)

射频层,本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备,并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据

b. BB(BASEBAND)

基带层,进行射频信号与数字或语音信号的相互转化,实现基带协议和其它的底层连接规程

c. LMP(LINK MANAGER PROTOCOL)

链路管理层,负责管理蓝牙设备之间的通信,实现链路的建立、验证、链路配置等操作

d. BLE PHY

BLE 物理层

e. BLE LL

BLE 链路层

2. HCI(HOST CONTROLLER INTERFACE)

主机控制器接口层,在 controller 以及 host 都有,在硬件接口(UART/USB/SDIO)基础上实现 Host 跟 Controller 的交互,有以下几种方式:

a. H2

基于 USB

b. H4/H5/BCSP

基于 UART,三者区别在于 H4 需要 TX/RX/CTS/RTS/VCC/GND 接到MCU,即需要硬件流控,而 H5/BCSP 只需要 TX/RX/VCC/GND 接到MCU就可以通信,不需要硬件流控。其数据类型有如下几种:

i. 0x01 - HCI COMMAND

由 Host 发送给 Controller 的命令

ii. 0x02 - HCI ACL

Host 和 Controller 双向交互的普通数据

iii. 0x03 - HCI SCO

Host 和 Controller 双向交互的通话/语音识别等音频数据

iv. 0x04 - HCI EVENT

由 Controller 上报给 Host 的事件

v. 0x05 - HCI ISO

core5.2添加,Host 和 Controller 双向交互的 LE audio 数据包格式

c. SDIO

3. host

a. L2CAP(Logical Link Control and Adaptation Protocol)

逻辑链路控制与适配协议,将 ACL 数据分组交换为便于高层应用的数据分组格式,并提供协议复用和服务质量交换等功能

b. RFCOMM(Serial Port Emulation)

串口仿真协议,上层协议蓝牙电话,蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM

c. OBEX

对象交换协议,蓝牙电话本,蓝牙短信,文件传输等协议都是走的OBEX

d. HFP(Hands-Free)

蓝牙免提协议

e. HSP

蓝牙耳机协议,最开始的蓝牙耳机协议,目前已经没有产品在用这个了,算是一个简化版的HFP

f. SPP(SERIAL PORT PROFILE)

蓝牙串口协议

g. IAP

苹果的特有协议,分为IAP1/IAP2,一般做Carplay或者iPod功能

h. PBAP(Phone Book Access)

蓝牙电话本访问协议

i. MAP(MESSAGE ACCESS PROFILE)

蓝牙短信访问协议

j. OPP(OBJECT PUSH PROFILE)

对象推送协议

k. AVCTP(AUDIO/VIDEO CONTROL TRANSPORT PROTOCOL)

音视频控制传输协议,是 AVRCP 的底层

l. AVRCP(AUDIO/VIDEO REMOTE CONTROL PROFILE)

蓝牙音乐控制协议

m. AVDTP(AUDIO/VIDEO DISTRIBUTION TRANSPORT PROTOCOL)

音视频分布传输协议,是 A2DP 的底层

n. A2DP(Advanced Audio Distribution):

蓝牙音乐协议

o. SDP(SERVICE DISCOVERY PROTOCOL)

服务发现协议,服务发现协议(SDP)为应用程序提供了一种方法来发现哪些服务可用,并确定这些可用服务的特征

p. HID(HUMAN INTERFACE DEVICE)

人机接口协议

q. ATT

蓝牙属性协议。针对 BLE 设备,用于发现、读、写对端设备,设备作为服务端提供拥有关联值的属性集 ,让客户端设备来发现、读、写这些属性,同时服务端能主动通知客户端

r. GATT

蓝牙通用属性协议。描述了一种使用ATT的服务框架 ,该框架定义了服务(Server)和服务属性(characteristic)的过程(Procedure)及格式

s. SM

蓝牙BLE安全管理协议

4. app

蓝牙应用层,比如要做耳机,做蓝牙HID设备,做车载,做蓝牙防丢器,做蓝牙穿戴设备等等

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