01-Ble 协议栈分层

一、协议栈结构

如上图所示，蓝牙协议分为Controller和Host两个部分，Controller为蓝牙底层，为蓝牙物理芯片，Host是真正意义上的蓝牙协议。Profiles（配置文件）总是基于GATT和GAP上。

二、Controller层

2.1 PHY（Physical layer）

定义Ble所使用的2.4G频段，实现调制、解调以及跳频（Hopping）等，PHY层直接影响到蓝牙的功耗及射频性能。

• 工作频段：2.4 GHz ISM频段（2402 MHz - 2480 MHz）。

• 调制方式：GFSK（高斯频移键控）。

• 信道划分：BLE使用40个信道，其中3个为广播信道（37、38、39），其余37个为数据信道。选择37、38、39作为广播信道的原因是为了避免WIFI频段的干扰。

2.2 LL（Link Layer）

为整个蓝牙协议栈的核心，主要用于RF射频控制，LL层定义了协议栈中最为基础的状态机、数据包格式、广播、连接流程等。

LL层做的事非常多，比如选择那个信道进行传输吗，识别空口数据包、选择时间点发送数据、保证数据完整性等

LL层负责把数据发送和接收回来。而数据的解析则由上面的GAP和GAPP完成。

2.3 HCI（Host Controll Interface）

主机控制接口，为Host和Controll层提供一个标准化接口，可以是软件API，也可以是USRT、SPI等硬件控制。

主要用于双核实现蓝牙协议栈的场合，用于规范两核之间的通信协议和命令等。

三、Host层

3.1 L2CAP (Logic Link Control and Adaption Protocol)

为LL层提供数据封装，将数据打包，让客户实现点对点的通信。

L2CAP对LL数据进行了一次简单的封装，LL只关心传输数据本身，而L2CAP就是要区分是加密通道还是普通通道，如通过CID（Channel Identifier）标识不同的逻辑信道（如ATT、SMP）。同时还要对连接间隔进行管理。

L2CAP对数据进行分割和重组，使得较长的数据包可以在底层无线电中传输，L2CAP决定了MTU（Maximum Transmission Unit,最大传输单元），一般的蓝牙的MTU <248 Byte。

3.2 SMP（Security Manager Protocol）

只要负责Paring（配对）、Bonding（绑定）过程的配对密钥LTK（Long Term Key）生成，从而实现连接的加密传输，但是这种加密对于用户是无感、透明的。

3.3 ATT（Attribute Protocol 属性协议层）

定义客户端-服务器模型的数据交互规则。ATT环境中，允许设备向另外一个设备展示一块特定的数据，称之为属性。

• 属性（Attribute）：数据的基本单元（如温度值、设备名称）。

• 操作指令：支持Read、Write、Notify、Indicate等操作。

• UUID：唯一标识属性的类型（如0x2A19表示电池电量）。

• 数据结构：每个属性包含句柄（Handle）、UUID、权限和值。

3.4 GAP（Generic Access Profile）

直接与APP、Profile配置文件通信的接口，主要用来控制LL层的五种状态切换，管理设备角色、广播、扫描、连接流程和设备可见性。

五种状态：Standby、Advertising、Scanning、Initiating、Connected，状态切换流程图：

GAP的上层是GAP Role，这是一个单独的任务，主要实现GAP参数的配置，例如广播内容、连接参数、连接角色等。

GAP层的角色包含如下：

1. Broadcaster：广播者，发射不可连接广播信号。

2. Observer：观察者，进行广播扫描，但不发起连接。

3. Peripheral：发射可连接广播信号，且能够被主机连接，（也即是蓝牙从机）

4. Central：扫描广播信号，并发起连接（也就是蓝牙主机）

当设备处于广播状态时，会在37、38、39三个信道上发送广播事件，相邻的两个广播事件间隔成为广播间隔。广播间隔单位为0.625ms，时间范围为20ms~10.24s。广播间隔越长功耗越低。

发起Advertising的作为从机，Scanning一方连接后作为主机。在连接过程中主机会与从机进行请求连接参数交换。参数由以下组成：

1. 连接间隔（Connect Interview）

所有的数据传输均发生在连接事件期间，相邻的两个连接事件的间隔称为连接间隔，每个连接事件期间可以传输多个包，比如8个（nordic），连接事件间隔单位为1.25ms，事件范围为7.5ms~4.0s。

从这里就可以计算出某款Ble芯片的理论最大传输带宽：1000/7.5ms *MTU(248B)*8 = 2Mbps

1. 从机潜伏（Slave Latency）

当Slave没有数据发送时，允许从机跳过当前的连接事件，从机潜伏值（Slave Latency）代表允许从机跳过的最大数量的连接事件。在某次连接事件中，如果Slave没有对Master的包做出回应，那么Master会在后面的连接事件中重复发送，直到Slave回应。下图为Latency = 0,和Latency = 3时的对比图。

1. 监督超时 （Supervision Timeout）

在每个连接事件中，Mater发送信号，Slave进行回应，当长时间不回应，蓝牙连接将断开，超时断开的时间称之为监督超时时间。监督超时时间单位为10ms，时间范围为100ms~32s间。

3.5 GATT （Generic Attribute Protocol）

在ATT基础上定义服务（Service）、特征（Characteristic）等高级数据结构。Ble的GATT层用于实现两个设备间应用层的设备通信。GATT采用Client/Server架构，Client通过访问Server的服务（Service）、特征（Characteristic）来实现数据交互。

关于服务（Service）、特征（Characteristic）的描述如下：

1. 用户的应用由一个或多个服务（Service）组成，一组相关功能的集合（如心率服务、电池服务）。

2. 每个服务（Service）包含一个或者多个特征（Characteristic），如服务中的具体数据项（如心率值、电量百分比）。

3. 每个特征（Characteristic）包含一个或多个属性（Attribute ），每个特征包含 三个核心属性（Attribute）

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属性类型	说明
特征声明（Characteristic Declaration）	描述特征的元数据（如权限、UUID），固定格式为： [属性类型: 0x2803（特征声明UUID）] + [权限] + [特征值属性句柄] + [特征值UUID]
特征值（Characteristic Value）	实际存储或传输的数据（如心率数值），由开发者定义数据格式。
描述符（Descriptor）	可选附加属性，用于描述特征的配置（如启用通知/指示）。

属性是蓝牙数据传输的最小单元，所有服务和特征均由属性构成。每个属性包含以下字段：

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字段名	说明
句柄（Handle）	系统自动分配的唯一标识符（16位），客户端通过句柄访问属性（如读/写）。
UUID	标识属性类型（如特征声明、特征值或描述符）。
权限	定义客户端对属性的操作权限（如读、写、加密）。
值	实际数据内容（最大长度由MTU决定，默认23字节，可通过协商扩展）