低功耗蓝牙协议（BLE）
本文最后更新于 2024年6月25日 早上
1 简述
本文主要是介绍低功耗蓝牙协议，能够大致了解各个协议层的作用，不涉及到实际使用
2 协议层级
2.1 Physical Layer(PHY)
物理层用于处理无线通信介质，射频发射接收相关的特性等，决定了芯片的无线信号和功耗。
- 调制方式
低功耗蓝牙采用高斯频移键控(GFSK)的方式传递0和1，频移键控通过把1和0轻微升高或者降低信号频率进行编码。以中心频率为基准，超过185KHz的正向偏移待代表值为1，超过185KHz的负向偏移代表0。 - 频段
采用ISM频段（频率范围是2.400-2.4835 GHz），整个频带分为40份，每份的带宽为2MHz，每微秒传输1比特应用数据 - 射频参数
发射功率（≤ 100 毫瓦 (+20 dBm)）
接收灵敏度（
LE 2M PHY：≤-70 dBm
LE 1M PHY：≤-70 dBm
LE 编码 PHY (S=2)：≤-75 dBm
LE 编码 PHY (S=8)：≤-82 dBm
）
2.2 LinkLayer(LL)
链路层主要负责广播、扫描、建立和维护连接，以及确保数据包按照正确的方式组织、正确的计算校验值以及加密序列等。
链路层主要控制数据的收发，包含选择什么通道，什么时间发送数据、监听空中数据包、应答和重传等。
链路层信道分为广播信道和数据信道，广播信道有三个，频率不同，告知自身可被发现和可连接。数据信道有37个，由一个自适应跳频引擎控制。在数据通信中，允许一端向另一端发送数据、确认、需要时重传、还能为每个数据加密和认证。
无论是广播还是数据，基本的数据包格式相同，每个包至少80比特的地址、报头和校验信息
链路层有五种状态，等待状态、广播状态、扫描状态、初始化状态和连接状态，通过GAP层来控制。
| 状态 | 说明 |
|---|---|
| Standby | 初始状态，即不发送数据，也不接收数据。根据上层实体的命令（如位于host软件中GAP），可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态。 |
| Advertising | 可以通过广播通道发送数据的状态，由Standby状态进入。它广播的数据可以由处于Scanning或者Initiating状态的实体接收。上层实体可通过命令将Advertising状态切换回Standby状态。另外，连接成功后，也可切换为Connection状态。 |
| Scanning | 可以通过广播通道接收数据的状态，由Standby状态进入。根据Advertiser所广播的数据的类型，有些Scanner还可以主动向Advertiser请求一些额外数据。上层实体可通过命令将Scanning状态切换回Standby状态。 |
| Initiating | 和Scanning状态类似，不过是一种特殊的接收状态，由Standby状态进入，只能接收Advertiser广播的connectable的数据，并在接收到数据后，发送连接请求，以便和Advertiser建立连接。当连接成功后，Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。 |
| Connection | 是和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由Initiating或者Advertising自动切换而来。通道断开后，会重新回到Standby状态。 |
2.3 HCI
接口层，向上层提供应用接口，一般用SPI，UART等传输协议来实现
2.4 L2CAP
逻辑链路控制与适配层，可以分割和重组数据，使其能够传输较大的报文，还能进行流量控制，协议通道复用。
该层
2.5 SM
加密管理层，实现安全的连接和数据传输。该层定义了一个简单的配对和密匙分发协议。
2.6 Attribute protocol（ATT）
2.6.1简述
数据交互协议，数据定义和数据操作，通过Attribute关键词来实现，一个属性代表了一种数据，也表示了可以进行的数据操作。设备初始化时也需要完成所以属性的存储。
可以参考json来理解，一个key（属性）对应一个值。ATT定义了6种访问本层数据的方法：Request、Response、Command、Indication、Confirmation、Notification。
2.6.2存储的数据结构
| Attribute Handle | Attribute Type | Attribute Value | Attribute Permissions |
|---|---|---|---|
| 2字节长 | 2字节或者16字节 | 0~512字节 |
- Handle为属性句柄，需要访问Attribute则需要通过此句柄
- Type为属性类型，使用UUID来定义该类型，分为16为和128位两种。其中16位是使用了一种特色128位UUID来实现的。这特殊的UUID是
0x0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
而其中的xxxx就是被缩减的16位UUID了。 - permissions权限属性：
| 权限 | 说明 |
|---|---|
| Open | 直接读写 |
| No Access | 禁止读写 |
| Authentication | 配对后读写 |
| Authorization | 授权读写 |
| Signed | 签名读写 |
2.6.3属性
属性的UUID都是唯一的，句柄则是依次递增，因为是连续的所以可以由开始句柄和接收句柄来分为一组。
属性包含服务、特征和描述三个类别。一个服务（Service）下有多个特征（Characteristic），特征下又有多个描述（Descriptor），多个服务可以组成profile。
服务仅仅是一个容器，不包含具体值，每个设备都包含两个服务：Generic Access Service和Generic Attribute Service。下图是任意连接了一个BLE设备读取的服务信息。点开后能看到服务包含的各个特征
特征则就是用来主从通讯的标识，通过它进行读数据和写数据。特征至少包含两个描述符，一个是特征声明（Characteristic Declaration）一个是存放特征的值（Characteristic Value），还有两个是可能存在，客户端特征配置（Client Characteristic Configuration），特征用户描述（Characteristic User Description）。我们在程序中使用UUID来读取数据时，实际上是最终是使用了特征中值的UUID。
2.6.4 通讯
在本层中，拥有属性的设备称为server，而读取属性值的设备称为client，两者通过ATT PDU通讯
| PDU | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| Request请求 | C->S | |
| Response回应 | S->C | |
| Command命令 | C->S | |
| Indication指示 | S->C | |
| Confirmation确认 | C-S> | |
| Notification通知 | S->C |
通讯数据格式：
| Opcode | Parameter | Authentication Signature |
|---|---|---|
| 1 byte | 0 – (ATT_MTU-X) byte | 0 or 12 byte |
Opcode：
0~5位是属性类型，6位是命令标志，7位是认证签名标志，如果为1则后面需要包含认证签名。
- 错误处理
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0x01 | Error Response | 如果属性PDU的操作码无效，或属性句柄无效，将返回错误响应PDU。在PDU的Parameter字段中，包含了错误编码。 |
- 交换MTU
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0X02 | Exchange MTU Request | 客户端设备向服务端设备发送交换MTU请求，提供客户端设备的MTU值。服务端设备获知客户端的MTU值，并返回自己的MTU值。两端设备都将设置较小的MTU值作为新的MTU值。 |
| 0X03 | Exchange MTU Response | 如果两端设备没有交换MTU，则使用默认的MTU值（BLE下为23）处理属性事务。 |
- 查找信息
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0X04 | Find Information Request | 查找信息请求，包含两个参数：起始属性句柄和结束属性句柄，用于获取服务端设备属性句柄处于该参数区间内的属性 |
| 0X05 | Find Information Response | 查找信息响应，包含指定句柄区间内的属性UUID。如果区间内有多个属性，则返回多个响应。 |
| 0X06 | Find By Type Value Request | 按类型值查找请求，是在查找信息请求的基础上，加上了属性类型和属性值两个参数，这样能够更加精确的找到目标属性。 |
| 0X07 | Find By Type Value Response | 按类型值查找响应，包含了满足条件的属性句柄列表。 |
- 读属性
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0x08 | Read By Type Request | 按类型读请求，包含三个参数：起始属性句柄、结束属性句柄和属性类型。 |
| 0x09 | Read By Type Response | 按类型读响应，包含了满足条件的属性的“句柄-值”对的列表。 |
| 0x0A | Read Request | 读请求，包含一个参数：属性句柄。 |
| 0x0B | Read Response | 读响应，返回满足条件的属性值。 |
| 0x0C | Read Blob Request | 读片段（blob）请求，用于读取一个长包属性的值，它包含两个参数：属性句柄和偏移量。以不同的偏移量作为参数，多次执行该请求可以读取长包属性的完整值。 |
| 0x0D | Read Blob Response | 读片段响应，包含了长包属性值的指定偏移量片段 |
| 0x0E | Read Multiple Request | 读多次请求，用于读取多个给定句柄的属性值，它包含一个参数：句柄列表。 |
| 0X0F | Read Multiple Response | 读多次响应，包含了多个指定句柄的属性值。 |
| 0x10 | Read by Group Type Request | 按组类型读请求，用于读取指定组类型的属性值，组类型是由ATT层之上的协议层设定的。它包含三个参数：起始属性句柄、结束属性句柄和属性组类型。 |
| 0x11 | Read by Group Type Response | 按组类型读响应，包含了满足条件的属性值列表 |
- 写属性
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0x12 | Write Request | 写请求，将待写数值写入指定的属性值，包含两个参数：属性句柄和数值。 |
| 0x13 | Write Response | 写响应，表示写请求执行成功，不含任何参数。 |
| 0x14 | Write Command | 写命令，将待写数值写入指定的属性值，包含两个参数：属性句柄和数值。它不会触发一个写响应。 |
| 0x15 | Signed Write Command | 签名的写命令，与上面的写命令类似，指示包含了额外的参数：认证签名。典型应用是写控制点属性。 |
- 队列写属性
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0X16 | Prepare Write Request | 准备写请求，用于发送一个长数据片段，它包含三个参数：属性句柄、偏移量和待写入数据。 |
| 0X17 | Prepare Write Response | 准备写响应，收到准备写请求以后，缓存收到的数据。 |
| 0X18 | Execute Write Request | 执行写请求，对前面缓存的数据执行写操作，它包含一个参数：标志位。如果标志位为1，则执行写操作，如果为0，则取消前面的缓存数据。 |
| 0X19 | Execute Write Response | 执行写响应，根据执行写请求的标志位，执行或取消写操作 |
- 通知属性
| Opcode | PDU | 说明 |
|---|---|---|
| 0X1B | Handle Value Notification | 发送数值通知，它包含两个参数：属性句柄和属性值。它不需要客户端收到后返回响应。 |
| 0X1D | Handle Value Indication | 发送数值指示，它包含两个参数：属性句柄和属性值。它需要客户端收到后返回确认。 |
| 0X1E | Handle Value Confirmation | 发送数值确认，它不包含参数，客户端发出该确认消息表示收到了数值指示。 |
Parameter权限：
若是Attribute Opcode中身份验证签名标记位为0，则X = 1；
若是Attribute Opcode中身份验证签名标记位为1，则X = 13；
Authentication Signature:
只有写命令才需要认证签名，其他命令不需要。此外，如果链路已经进行加密，则属性PDU中也无需额外添加认证签名。
2.7 GATT
通用属性配置(GATT)，该层定义了使用ATT的服务框架和配置文件的结构，BLE中所以数据通讯都需要经过该层。如果说ATT是提供工具，那么GATT就是使用工具，它定义了上面提到的服务（
Service ）和特征（Characteristic ），使其进行了分组管理。该层还定义了数据通讯流程，包括服务流程和形式，特征的发现，特征值的读写、订阅，特征的广播等。
2.7.1 profile
多个服务（server）组合起来就是一个porfile，它并不是通讯中的数据结构，只是一种定义，用它可以表示蓝牙设备所具备的功能和用途。一张流传甚广的图：
2.7.2 通讯
在设备通过GAP建立了连接后，GATT便开始工作了，它将设备分为了中心设备（client or Master）和从设备（server or Slave）,所以通讯实际均是由中心设备发起，从设备进行相应。GATT的建立是独占的，从设备只能被一个中心设备所连接，连接后，它将广播广播。但一个中心设备可以连接多个从设备，并且通讯是双向的。在建立连接后，从设备将为给中心设备一个连接间隔（Connection Interval），用于根据此间隔重新连接，检查是否有新数据。
2.7.3 封包
如果想要发送一组数据data，那么首先经过GATT层，添加数据类型，设为（Dtype），数据变为了
Dtype+data
然后进入了ATT层，该层需要选择一种通讯命令，比如读/写/notify/indicate等，数据变为了
cmd + Dtype + data
接下来是L2CAP层，会添加逻辑通道编号和ATT数据长度，数据变为了
len + ch + cmd + Dtype + data
最后来到LL层，该层添加的东西就比较多了，前导码、访问地址、LL帧头字段、有效包数据长度、CRC24值，最终数据包变为了
preamble+access address+LL header+payload length+（上层的包）+ CRC24值
2.8 Generic Access Profile（GAP）
通用访问协议，向上，它是作为与应用程序和profile通讯的接口，向下，是对LL层payload（有效数据包）进行一些规范和定义。它的主要功能是广播、扫描和发起连接。
2.8.1 广播
广播方式由两种，Advertising Data Payload（广播数据）和 Scan Response Data Payload（扫描回复），前一种是每个设备都需要具备的，这样才能使其他设备发现它。后一种是可能具备的，回复信息包含名称等额外信息，比如你现在由手机搜索附件蓝牙设备，有一些只有个MAC地址，而有些则写了名字。
广播由两种使用方式，第一种是使其他设备发现自己，建立了GATT连接，然后再进行数据交换，另一种是直接将数据反正广播中。
广播包分别会在38，38，39三个信道上依次广播，间隔范围再20ms到10.24s，BLE链路层会在两个广播事件之间再增加一个0~10ms的随机延时，来避免重复碰撞。广播数据包最多携带31个字节数据，通常包含设备名称，设备是否可连接等信息。
广播只涉及到PHY、LL和GAP三层。
空中包数据格式为：
| 前导码 | 访问地址 | LL帧头字段 | 有效数据长度 | 广播设备地址 | 广播数据 | CRC24值 |
|---|
2.8.2 扫描
扫描也即主动监听周围的广播包，包含两个参数，扫描窗口和扫描时长，两者时间均不能大于10.24s，两次扫描的间隔时间=扫描时长-扫描窗口
2.8.3 连接
连接首先是两个设备的物理信道达成一致，然后进行时间同步。中心设备会以connection interval为间隔向设备B发送数据包，而从设备也会以此为间隔周期打开射频接收窗口。在从设备接收到中心设备数据的150us后将切换回发送模式，将自己的数据发送给中心设备。
3 其他
- GATT必须向经过GAP协议，在使用蓝牙的时，可以直接通过MAC地址发起连接，看似是没有经过扫描，但其实是在底层已经进行了，连接过程总是向扫描，然后扫描到后再连接的。
- 低功耗蓝牙BLE和传统蓝牙硬件是不同的，我们手上既能连接BLE也能连接传统蓝牙的设备通常是具备双模的。
4 信息来源
CC2549 Bluetooth Low Energy
BLE 5协议栈-属性协议层（ATT)
BLE技术揭秘
蜂窝科技
蓝牙官网
5 补充（2022年2月17日）
5.1 设备角色
在属性协议层上存在两种角色，客户端和服务器，服务器负责保存数据，客户端负责向其发送请求以获取数据。
广播者负责周期发送短消息，使其自身得以被发现，是传输数据包的设备。扫描者是接收广播数据的设备
主设备负责完成微微网的定时，自适应调频集合设置，加密以及一些其他复杂操作，从设备只需要完成相应的操作即可。
扫描者、主设备，客户端适合拥有较多资源的设备来担当；广播者，从设备，服务器适合资源受限的设备