聲明：BLE低功耗藍(lán)牙系列博客來自個(gè)人的學(xué)習(xí)總結(jié)，其中肯定會(huì)包含很多錯(cuò)誤，如果發(fā)現(xiàn)歡迎幫忙指正。BLE內(nèi)容比較多，我現(xiàn)在還沒有完全學(xué)完，好在其分層設(shè)計(jì)，所以可以每學(xué)完一個(gè)部分就可以做相應(yīng)的總結(jié)。需要說明的是該系列博客的大部分內(nèi)容來自《低功耗藍(lán)牙開發(fā)權(quán)威指南》這本書，還會(huì)包含韋東山藍(lán)牙系列課程的部分內(nèi)容。該系列博客可以提供些什么？該系列博客是對(duì)BLE相關(guān)的知識(shí)點(diǎn)做歸納總結(jié)，注釋個(gè)人在學(xué)習(xí)過程中的觀點(diǎn)、理解。以后的內(nèi)容計(jì)劃有BLE應(yīng)用的使用和實(shí)現(xiàn)過程，盡可能的在博客內(nèi)容加入?yún)f(xié)議分析的過程，總之是從作者的學(xué)習(xí)歷程記錄BLE學(xué)習(xí)、理解的過程。通過對(duì)BLE低功耗藍(lán)牙的學(xué)習(xí)彌補(bǔ)了我對(duì)無線通訊技術(shù)的空白，今后持續(xù)學(xué)習(xí)BLE這項(xiàng)技術(shù)，博客也會(huì)不斷完善，必要時(shí)進(jìn)行調(diào)整，修改。?

?

低功耗藍(lán)牙框架

下面這張圖就是就是低功耗藍(lán)牙的框架：上半部分為主機(jī)部分，下半部分為控制器部分。主機(jī)部分主要是軟件協(xié)議（藍(lán)牙協(xié)議棧），控制器部分其實(shí)是個(gè)帶有無線發(fā)送/接收模塊的MCU。當(dāng)我們的電腦沒有自帶藍(lán)牙模塊時(shí)，需要買個(gè)藍(lán)牙適配器（控制器），這時(shí)電腦（主機(jī)）和藍(lán)牙適配器（控制器)通訊是使用USB接口。

?

本章總結(jié)的鏈路層（LL）其實(shí)就是控制器的組成部分，物理層（PHY）如何進(jìn)行無線信號(hào)傳輸上一章已經(jīng)講過了。HCI是英文Host Controller Interface的縮寫，上面描述藍(lán)牙適配器的傳輸媒介是USB，也可以是UART、SDIO。控制器內(nèi)部如何實(shí)現(xiàn)我們不用關(guān)心，它是一套標(biāo)準(zhǔn)化的東西，我們只要了解它的工作方式、流程即可（控制器具有一定智能，實(shí)現(xiàn)起來還是很復(fù)雜的）。上面框架圖看不懂也沒關(guān)系，主機(jī)部分由后面涉及。

?

鏈路層的狀態(tài)機(jī)

無規(guī)矩不成方圓，鏈路層的狀態(tài)機(jī)規(guī)定了主/從機(jī)工作模式切換過程。如下圖：

首先無論主機(jī)（發(fā)起連接者），從機(jī)（被連接者）都是從就緒態(tài)開始。一臺(tái)機(jī)器可以選擇做主機(jī)也可以選擇做從機(jī)，如果要做從機(jī)就得進(jìn)入到廣播態(tài)（必須打開發(fā)射器）->發(fā)送廣播->等待連接請求。主機(jī)則要進(jìn)入掃描態(tài)（必須打開接收器）->獲取廣播包->選擇要連接的設(shè)備，進(jìn)入發(fā)起態(tài)->發(fā)起連接請求->進(jìn)入連接態(tài)。從機(jī)收到連接請求后便可進(jìn)入連接態(tài)，之后主機(jī)、從機(jī)之間就可以傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文。

上面為鏈路層的概述，下面詳細(xì)內(nèi)容：

如上圖鏈路層包含如下幾種狀態(tài)：就緒態(tài)、廣播態(tài)、掃描態(tài)、發(fā)起態(tài)、連接態(tài)；

處于廣播態(tài)的鏈路層可以發(fā)出廣播報(bào)文，也可以發(fā)出掃描響應(yīng)，用于回應(yīng)主動(dòng)掃描的設(shè)備（此時(shí)處于廣播態(tài)的設(shè)備同時(shí)打開了發(fā)射器和接收器）。

處于掃描態(tài)的設(shè)備能夠接受廣播通道的報(bào)文，掃描態(tài)可用于簡單偵聽哪些設(shè)備正在廣播。掃描態(tài)有兩個(gè)子狀態(tài)：被動(dòng)掃描和主動(dòng)掃描。被動(dòng)掃描僅接受廣播報(bào)文。主動(dòng)掃描則發(fā)送掃描請求給廣播態(tài)設(shè)備，并獲取附加的掃描態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)。

為了發(fā)起連接，鏈路層需要處于發(fā)起態(tài)。處于發(fā)起態(tài)的發(fā)起者，其接收機(jī)用于偵聽自己試圖連接的設(shè)備。如果收到了來自該設(shè)備的廣播報(bào)文，鏈路層會(huì)向其發(fā)送連接請求并進(jìn)入連接態(tài)。

從廣播態(tài)或發(fā)起態(tài)均可以進(jìn)入連接態(tài)，兩種情況均源于發(fā)起者向廣播者發(fā)送連接請求報(bào)文。連接態(tài)有兩個(gè)子狀態(tài)：主或從。連接態(tài)中，兩個(gè)設(shè)備相互傳送數(shù)據(jù)報(bào)文。這也是唯一一個(gè)用到數(shù)據(jù)報(bào)文的狀態(tài)。

主連接態(tài)：主連接只能從發(fā)起態(tài)進(jìn)入，為了成為主設(shè)備，它必須向?qū)Χ嗽O(shè)備發(fā)起連接。主設(shè)備必須定期向向從設(shè)備發(fā)送報(bào)文。從設(shè)備只有通過回復(fù)這些報(bào)文才能發(fā)送自己的數(shù)據(jù)。

從連接態(tài)：從連接態(tài)只能從廣播態(tài)進(jìn)入。為了成為從設(shè)備，它必須向?qū)Χ嗽O(shè)備進(jìn)行廣播。對(duì)于從設(shè)備，只有在正確接收主設(shè)備的報(bào)文后才能發(fā)送。收到從設(shè)備的一個(gè)報(bào)文后，從設(shè)備可以發(fā)送一個(gè)自己的報(bào)文。如果從設(shè)備想發(fā)送更多的數(shù)據(jù)，則必須等待主設(shè)備發(fā)送另外的報(bào)文再回復(fù)。從設(shè)備也可以隨時(shí)忽略主設(shè)備已達(dá)到節(jié)能的目的。這樣一來，從設(shè)備可以通過“休眠”來節(jié)省大量的能量。

上面這段話講明白了，主從設(shè)備間是如何數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｖ鲝脑O(shè)備間都有接收器/發(fā)送器的情況下，如果雙方都隨意向?qū)Ψ桨l(fā)送信息，這時(shí)肯定要亂成一鍋粥。主從之間通訊過程可以描述為：主機(jī)定時(shí)向從機(jī)發(fā)送信息（攜帶主機(jī)發(fā)往從機(jī)的數(shù)據(jù)），從機(jī)收到消息后響應(yīng)（攜帶從機(jī)發(fā)往主機(jī)的數(shù)據(jù)），如果當(dāng)主機(jī)或從機(jī)沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送給對(duì)方時(shí)，攜帶數(shù)據(jù)長度為0即可。

?

鏈路層的報(bào)文

下面是報(bào)文的基本結(jié)構(gòu)，適用于所有報(bào)文。無論是廣播報(bào)文還是數(shù)據(jù)報(bào)文都遵守該報(bào)文結(jié)構(gòu)，BLE無線通訊以該報(bào)文結(jié)構(gòu)作為基礎(chǔ)。

?

前導(dǎo)：報(bào)文最開始的8比特是01010101或者10101010序列。這是很簡單的交替序列。接收機(jī)可以用它來配置自動(dòng)增益控制，以及確定“0”、“1”比特所使用的頻率。

接入地址：接入地址的第一個(gè)比特決定了前導(dǎo)是01010101還是10101010，如果接入地址的第一個(gè)比特為“0”，則使用01010101序列；如果是“1”，則使用10101010序列。這保證了任一報(bào)文的前9個(gè)比特都是交替的。32比特的接入地址有兩種類型：

• 廣播接入地址
• 數(shù)據(jù)接入地址

廣播接入地址在廣播數(shù)據(jù)，或是廣播、掃描、發(fā)起連接時(shí)使用。數(shù)據(jù)接入地址在連接建立之后的兩個(gè)設(shè)備間使用。

鏈路層也不知道其它設(shè)備什么時(shí)候會(huì)發(fā)送報(bào)文，因此只能保留最近40us接收到的比特，并在新的比特移入到寄存器的時(shí)候檢查序列是否滿足前導(dǎo)和接入地址。這一過程描述為接入地址求相關(guān)。

對(duì)于廣播信道，接入地址是固定值0x8E89BED6。對(duì)于數(shù)據(jù)通道，接入地址是一個(gè)隨機(jī)值。

報(bào)頭：報(bào)頭的內(nèi)容取決于該報(bào)文是廣播報(bào)文還是數(shù)據(jù)報(bào)文

對(duì)于廣播報(bào)文，報(bào)頭包含了廣播報(bào)文的類型以及一些標(biāo)記位，這些標(biāo)記位指出了報(bào)文使用的公共地址還是隨機(jī)地址。廣播報(bào)文類型共有7種，每種類型都具有不同的凈荷格式及行為：

ADV_IND ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 通用廣播指示

ADV_DIRECT_IND ? ? ? ? ? ? 定向連接指示

ADV_NONCONN_IND ? ? ? 不可連接指示

ADV_SCAN_IND????????????????可掃描指示

SCAN_REQ????????????????????????主動(dòng)掃描請求

SCAN_RSP ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?主動(dòng)掃描響應(yīng)

CONNECT_REQ? ??? ??? ??? ? 連接請求?

長度：對(duì)于廣播報(bào)文，長度域包含6個(gè)比特，有效值范圍是6~37。對(duì)于數(shù)據(jù)報(bào)文，長度域包含5個(gè)比特，有效值范圍是0~31。長度域之后是凈荷，其長度是長度域指出的字節(jié)數(shù)。這里要注意的是，如果報(bào)文被加密，則需要包含4字節(jié)的消息完整性檢查域，實(shí)際的凈荷數(shù)據(jù)將被減少到最多27個(gè)字節(jié)。為了使得鏈路層設(shè)計(jì)得到簡化，未加密報(bào)文的凈荷也不允許超過27個(gè)字節(jié)的限制。

凈荷：凈荷是所傳輸?shù)摹罢鎸?shí)”數(shù)據(jù)，可以是關(guān)于設(shè)備的廣播數(shù)據(jù)，或者發(fā)給一定區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的服務(wù)數(shù)據(jù)；可以是主動(dòng)掃描響應(yīng)的附加數(shù)據(jù)，如設(shè)備名稱，實(shí)現(xiàn)的服務(wù)；可以是建立或保持連接所需要的信息，可以是從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備的應(yīng)用層數(shù)據(jù)。

循環(huán)冗余校驗(yàn)：報(bào)文的最后3個(gè)字節(jié)的CRC，CRC對(duì)報(bào)頭、長度域、以及凈荷域進(jìn)行計(jì)算。

?

鏈路層的信道

低功耗藍(lán)牙共有3個(gè)廣播信道和37個(gè)數(shù)據(jù)信道，3個(gè)信道分散在不同的頻段，可避免同時(shí)受到干擾

跳頻：跳頻算法用于數(shù)據(jù)連接中，數(shù)據(jù)信道有37個(gè)，跳頻算法的公式如下（hop是一個(gè)5~16范圍內(nèi)的值）：

下圖給出的是hop值為13的情況：

?

設(shè)備發(fā)現(xiàn)

共有四種不同類型的廣播：通用的、定向的、不可連接的、以及可發(fā)現(xiàn)的。設(shè)備每次廣播時(shí)，會(huì)在3個(gè)廣播信道發(fā)送相同的報(bào)文。這些報(bào)文被稱為一次廣播事件。

除定向報(bào)文外，其它廣播事件均可以選擇20ms~10.28s不等的間隔。廣播事件之間的時(shí)間被稱為廣播間隔。主機(jī)可以控制該間隔。

但設(shè)備周期性的發(fā)送廣播會(huì)有一個(gè)問題：多個(gè)設(shè)備可能在很長一段時(shí)間內(nèi)同時(shí)廣播而造成干擾。為了防止這一情況，除定向廣播之外的其他廣播事件，會(huì)在上一次事件發(fā)生后加入0~10ms的隨機(jī)延時(shí)。

• 通用廣播

通用廣播是用途最廣的廣播方式

• 定向廣播

有時(shí)，設(shè)備間需要快速建立連接，定向廣播事件就是為了盡可能快的建立連接。這種報(bào)文包含兩個(gè)地址：廣播者的地址和發(fā)起者的地址。發(fā)起設(shè)備收到發(fā)給自己的定向廣播報(bào)文后，可以立即發(fā)送連接請求作為回應(yīng)。定向廣播也有特殊的時(shí)序要求。完整的廣播事件必須3.75ms重復(fù)一次。如此快的發(fā)送會(huì)讓報(bào)文充斥著廣播信道，所以定向廣播不可以持續(xù)1.28以上的時(shí)間。如果主機(jī)沒有主動(dòng)要求停止，或者連接沒有建立，控制器都會(huì)自動(dòng)停止廣播。

• 不可連接廣播

不想被連接的設(shè)備使用不可連接廣播事件。這種廣播的典型應(yīng)用包括設(shè)備只想廣播數(shù)據(jù)，而不想被掃描或者連接。這也是唯一可用于只有發(fā)射機(jī)而沒有接收機(jī)設(shè)備的廣播類型。

• 可發(fā)現(xiàn)廣播

這種廣播不能用于發(fā)起連接，但允許其他設(shè)備掃描該廣播設(shè)備

下面為通用廣播數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)容：

通用廣播數(shù)據(jù)報(bào)文，頭部數(shù)據(jù)內(nèi)容：

通用廣播數(shù)據(jù)報(bào)文，廣播數(shù)據(jù)內(nèi)容：

廣播數(shù)據(jù)域格式為：長度域（1字節(jié)）：類型（1字節(jié)）：數(shù)據(jù)。

長度域的值為類型和數(shù)據(jù)的長度和。

廣播數(shù)據(jù)的接收無法被確認(rèn)，必須認(rèn)為廣播是一種不可靠的操作。

?

建立連接

兩個(gè)設(shè)備建立連接的過程如下：

發(fā)起連接請求設(shè)備處于發(fā)起態(tài)（廣播報(bào)文），下面為發(fā)起連接請求的報(bào)文：

如上所示，連接請求包含了連接開始時(shí)需要的所有信息，包括：

連接時(shí)使用的接入地址：連接使用的接入地址總是由主設(shè)備來提供的，地址通過隨機(jī)生成（需要遵循一些規(guī)則）。接入地址主從設(shè)備共同使用，如果一個(gè)主設(shè)備對(duì)應(yīng)多個(gè)從設(shè)備，則主設(shè)備會(huì)為每次從設(shè)備選擇不同的隨機(jī)地址。

CRC初始值：CRC初始值是另一個(gè)由主設(shè)備提供的隨機(jī)數(shù)。隨機(jī)數(shù)的意義在于，即使接入地址相同的概率很低，萬一相同則可以比較CRC。

發(fā)送窗口大小

在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，接收器持續(xù)監(jiān)聽，窗口大小小于連接間隔。

發(fā)送窗口偏移

發(fā)送連接請求多久后，主設(shè)備會(huì)發(fā)起第一個(gè)連接事件。

連接間隔

如上，連接間隔為24（30ms）

從設(shè)備延遲

如上，設(shè)備延遲為4，可以忽略4個(gè)連接事件

監(jiān)控超時(shí)

如上，監(jiān)控超時(shí)為720ms

自適應(yīng)跳頻信道圖

自適應(yīng)跳頻信道圖是數(shù)據(jù)通道的位掩碼，用來標(biāo)記信道的好壞。由于共有37個(gè)數(shù)據(jù)信道，信道圖的長度于是設(shè)為37位。如果某一位被設(shè)置為1，表明該信道良好。0表示信道很糟，不適合用于通訊。

跳頻算法增量

跳頻算法的跳數(shù)值是在5~16之間的隨機(jī)數(shù)

休眠時(shí)鐘精度

時(shí)鐘精度可以幫助從設(shè)備消除連接事件的不確定性

一旦收到或發(fā)出連接請求報(bào)文，設(shè)備既建立了連接，數(shù)據(jù)交換隨即開始，如建立連接過程所示，建立連接后第一個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文有主設(shè)備發(fā)出（對(duì)于從設(shè)備，只有在正確接收主設(shè)備的報(bào)文后才能發(fā)送）。

?

連接事件

一個(gè)連接事件是指主設(shè)備和從設(shè)備之間相互發(fā)送數(shù)據(jù)包的過程，可能有多次數(shù)據(jù)交互，每次數(shù)據(jù)包發(fā)送需要間隔150us。

當(dāng)主設(shè)備發(fā)送連接請求后，有哪些情況可能發(fā)生：

發(fā)送完連接請求后，主設(shè)備就認(rèn)為自己已經(jīng)建立了連接，緊接著是"發(fā)送窗口偏移"，從設(shè)備收到連接請求的話可在此時(shí)啟動(dòng)接收器，在發(fā)送窗口時(shí)間內(nèi)，主設(shè)備需要發(fā)起一個(gè)連接事件（數(shù)據(jù)包），否則從設(shè)備將進(jìn)入超時(shí)處理（停止偵聽，并會(huì)在一個(gè)連接間隔后再次嘗試）

如果一切正常，連接事件的進(jìn)行將始終位于一個(gè)頻率，這個(gè)頻率由連接間隔來決定，連接間隔的意思就是說，主設(shè)備多久會(huì)發(fā)起下一次連接事件。連接間隔必須是1.25ms的整數(shù)倍。連接事件定期發(fā)生，但從設(shè)備可以不每個(gè)連接事件都響應(yīng)，已達(dá)到省電的目的，這里引入了設(shè)備延遲這個(gè)參數(shù)，設(shè)備延遲表示從設(shè)備在必須偵聽之前可以忽略多少個(gè)連接事件。監(jiān)控超時(shí)是指總的超時(shí)時(shí)間不能超過這個(gè)值。

一般建議至少給從設(shè)備留出6次偵聽的機(jī)會(huì)。上面連接間隔為4，從設(shè)備必須偵聽第五個(gè)連接事件。換個(gè)說法是從設(shè)備至少需要在120ms內(nèi)偵聽一次，所以監(jiān)控超時(shí)最少需要比120ms多一點(diǎn)，上面的超時(shí)時(shí)間為720，這樣一來，鏈路在最終斷開前從設(shè)備至少會(huì)有6次偵聽機(jī)會(huì)。

?

發(fā)送數(shù)據(jù)

第一次連接事件，主設(shè)備發(fā)給從設(shè)備的數(shù)據(jù)報(bào)文如下:

數(shù)據(jù)報(bào)文的凈荷可以為0~31字節(jié)不等，無論加密層加密與否，傳給控制器的數(shù)據(jù)包最多只能攜帶27個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)報(bào)文的頭部如上所示。

邏輯鏈路標(biāo)示符（LLID）：用于判斷數(shù)據(jù)報(bào)文屬于下列哪種類型

11????鏈路層控制報(bào)文，用于管理連接，鏈路層之間的報(bào)文不會(huì)上傳到主機(jī)，用于鏈路層與鏈路層之間的管理。

主機(jī)能夠發(fā)送大于27字節(jié)的數(shù)據(jù)，但由于無法放入單個(gè)鏈路層的數(shù)據(jù)包，因此必須支持分段。具體的做法是把數(shù)據(jù)貼上“高層報(bào)文開始”，“高層報(bào)文延續(xù)”的標(biāo)簽。下圖給出了一個(gè)例子，三個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文屬于同一連接事件。

10????高層報(bào)文開始，也可以用于一個(gè)完整報(bào)文(提醒一下：上面報(bào)文LLID是......01，是大端格式)

01????高層報(bào)文延續(xù)

序列號(hào)（SN）、下一個(gè)預(yù)期的序列號(hào)（NESN）

建立連接后，第一個(gè)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)為0，每一次發(fā)送新的數(shù)據(jù)包時(shí)，其序號(hào)與上個(gè)數(shù)據(jù)包的序列號(hào)不同。這使得接收裝置能否判斷接收的數(shù)據(jù)包的性質(zhì)：如果序列號(hào)與之前一樣，則為重傳報(bào)文，如果序列號(hào)與之前的不同，則為新報(bào)文。

如果從設(shè)備成功接收序列號(hào)為0的報(bào)文，在其確認(rèn)報(bào)文中，應(yīng)將下一個(gè)預(yù)期序列號(hào)設(shè)為1，否則序列號(hào)為0的數(shù)據(jù)包將被重傳。下一個(gè)預(yù)期的序列號(hào)由從設(shè)備設(shè)置。

更多數(shù)據(jù)位

用來通知對(duì)端設(shè)備自己還有其他的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備發(fā)送。如果收到設(shè)置了更多數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)包，應(yīng)該在當(dāng)前連接事件中繼續(xù)與對(duì)端設(shè)備通訊。一旦不再有數(shù)據(jù)發(fā)送，連接事件會(huì)迅速關(guān)閉。

下圖，講述了關(guān)于序列號(hào)、下一個(gè)預(yù)期序列號(hào)和更多數(shù)據(jù)位的例子。下面有兩個(gè)連接事件。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的低功耗蓝牙学习笔记-链路层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。