文档章节

BLE——协议层次结构

o
 osc_g8254g7s
发布于 2019/08/20 00:44
字数 2488
阅读 5
收藏 0

精选30+云产品,助力企业轻松上云!>>>

未完待续……

 

BLE协议

Bluetooth Application

Applications

GATT-Based Profiles/Services

Bluetooth Core

(Stack)

BLE Host

ATT、GATT、SM

GAP

L2CAP

HCI(对蓝牙协议无影响)

BLE Controller

Link Layer

Physical Layer

 


1  Bluetooth Core(Stack)
 

  蓝牙核心协议,关注蓝牙核心技术的描述和规范,只提供基础的机制。

  蓝牙核心协议由Controller和Host两部分组成,在一个系统中,Host只有一个,但Controller可以有多个,如:单独的LE Controller;单独的BR/EDR Controller;单独的LE+BR/EDR Controller;在单独的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基础上,增加一个或多个额外的AMP Controller。

1.1  Controller

  Controller实现射频相关的模拟和数字部分,完成最基本的数据发送和接收,Controller对外接口是天线,对内接口是主机控制器接口HCI(Hostcontroller interface);控制器包含物理层PHY(physicallayer),链路层LL(linker layer),直接测试模式DTM(Direct Test mode)以及主机控制器接口HCI。

1.1.1  Physical Layer

  频率选择(2402-2480MHz) + 信道选择(40) + 信道间隔(2MHz) + 调制方式(GFSK) + 数据传输速率(1Mbps)+ 接收灵敏度 + 发射功率 + 杂散辐射 + 射频容差

1、信道选择

物理信道(Physical Channel)为: F=2402+k*2MHz ,k=0,…,39,共40个信道。

Physical Channel = RF Channel

1.1.2.  Link Layer

信道分类(3+37) + 广播信道定义(37、38、39) + 数据通道分发(跳频) + 状态角色定义和切换 + 数据包校验重传

 

LL – Link Layer – Logic Link

  1、广播信道定义

37ch —— 2402MHz

38ch —— 2426MHz

39ch —— 2480MHz

之所以选定3个广播信道是一种权衡,少了可能会被阻塞,多了会增加功耗。3个广播信道刚好避开了WiFi的1ch,6ch,11ch,所以BLE广播的时候,不会被WiFi影响。(PS:可以人为阻塞这三个通道)

 

  2、数据信道切换

BLE匹配之后,LL由广播信道切换到数据信道,具体使用哪个数据信道在匹配时约定,且连接不会长期使用一个固定通道,会通过跳频技术随机有规律切换。

  3、定义状态和角色

 

图 2 Link Layer状态机

Standby状态是初始状态,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状态是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状态是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状态和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状态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。

通道建立后(通常说“已连接”),处于Connection状态的双方,分别有两种角色Master和Slave:

Initiater方称作Master

Advertiser方称作Slave

 

  4、Air Interface Protocol

解决两个问题:不同实体间在对应状态下的数据交换,根据上层实体的指令以及实际情况负责状态之间的切换。

 

定义Physical Channel上收发的数据包格式:

Preamble(1 octet) Access Address(4 octets) PDU(2 to 257 octets) CRC(3 octets)

 

定义不同类型的PDU及其格式:

Advertising channel中Advertising有关的PDU

Advertising channel中Scanning有关的PDU

Advertising channel中Initialing有关的PDU

Data channel中LL data有关的PDU

Data channel中LL control有关的PDU

 

针对广播通道以白名单(White List)的形式定义Link Layer的数据过滤机制

 

执行广播通道上实际的packet收发操作

 

定义连接建立的方式及过之后的应答、流控等机制

 

  5、Link Layer Control

抽象出来一个链路控制协议(Link Layer Control),用于管理、控制两个Link Layer实体之间所建立的这个Connection,主要功能包括:

更新Connection相关的参数,如transmitWindowSize、transmitWindowOffset、connInterval等等(具体意义这里不再详述);

更新该连接所使用的跳频图谱(使用哪些Physical Channels);

执行链路加密(Encryption)有关的过程。

1.2.  HCI

    1. HCI作用图解

 

图 3 HCI作用图解

定义Host和Controller(通常是两颗IC)之间的通信协议,对理解蓝牙协议来说,是无关紧要的。向上为主机提供软件应用程序接口(API)。

    1. HCI内容

HCI逻辑上定义一系列的命令,事件;

物理上有UART,SDIO,USB,SPI接口;

实际可能包含里面的任意1种或几种。常见RF测试时,我们常使用UART发送标准的HCI指令控制Controller。

1.3.  Host

主机host是蓝牙协议栈的核心部分,GAP层负责制定设备工作的角色,SS层负责指定安全连接,Logic Link层功能非常强大,官方作用为协议/通道的多路复用,负责上层应用数据(L2CAPService Data Units,SDUs)的分割(和重组),生成协议数据单元(L2CAP Packet Data Units,PDUs),以满足用户数据传输对延时的要求,并便于后续的重传、流控等机制的实现。

1.3.1  L2CAP

提供数据封装服务,将LL提供的Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel,以便提供应用程序级别的通道复用。

 

逻辑连接控制和适配协议,Logic Link Control and Adaptation Protocol

Protocol/channel multiplexing,协议/通道的多路复用;

Segmentation and reassembly,上层应用数据(L2CAP Service Data Units,SDUs)的分割(和重组),生成协议数据单元(L2CAP Packet Data Units,PDUs),以满足用户数据传输对延时的要求,并便于后续的重传、流控等机制的实现;

Flow control per L2CAP channel,基于L2CAP Channel的流控机制;

Error control and retransmissions,错误控制和重传机制;

Support for Streaming,支持流式传输(如音频、视频等,不需要重传或者只需要有限重传);

Fragmentation and Recombination,协议数据单元(PDUs)的分片(和重组),生成符合Link Layer传输要求的数据片(长度不超过251,具体可参考5.4.1中有关的介绍);

Quality of Service,QoS的支持。

 

Protocol/channel multiplexing

channel multiplexing(基于通道的多路复用)—— CID,Channel ID

Protocol multiplexing(基于协议的多路复用)——只允许在BR/EDR controller中使用

1.3.2  ATT(Attribute Protocol)

负责数据检索

对上文的总结:Physical Layer负责提供一系列的Physical Channel;基于这些Physical Channel,Link Layer可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel;而L2CAP则将这个Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel,以便提供应用程序级别的通道复用。到此之后,基本协议栈已经构建完毕,应用程序已经可以基于L2CAP欢快的run起来了。

 

    1. 特点

基于L2CAP,使用固定的Channel ID(0x004)

采用client-server的形式。提供信息(以后都称作Attribute)的一方称作ATT server(一般是那些传感器节点),访问信息的一方称作ATT client。

一个Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value组成。

Attribute可以定义一些权限(Permissions),以便server控制client的访问行为

根据所定义的Attribute PDU的不同,client可以对server有多种访问方式

 

1.3.3  GATT(Generic Attribute Profile)

ATT之所以称作“protocol”,是因为它还比较抽象,仅仅定义了一套机制,允许client和server通过Attribute的形式共享信息。

 

GATT是一个profile(更准确的说是profile framework)

在蓝牙协议中,profile一直是一个比较抽象的概念,我们可以将其理解为“应用场景、功能、使用方式”都被规定好的Application。传统的BR/EDR如此,BLE更甚。上面我们讲过,BLE很大一部分的应用场景是信息(Attribute)的共享,因此,BLE协议栈基于Attribute Protocol,定义了一个称作GATT(Generic Attribute)的profile framework(它本身也是一个profile),用于提供通用的、信息的存储和共享等功能。

 

图 4 GATT Profile层次结构

 

1.3.4  SM(Security Manager)

 

1.3.5  GAP(Generic Access Profile)

通用访问配置文件,实现功能如下:

 

    1. 定义GAP层的蓝牙设备角色

Broadcaster Role,设备正在发送advertising events;

Observer Role,设备正在接收advertising events;

Peripheral Role,设备接受Link Layer连接(对应Link Layer的slave角色);

Central Role,设备发起Link Layer连接(对应Link Layer的master角色)。

    1. 定义GAP层的、用于实现各种通信的操作模式和过程

Broadcast mode and observation procedure,实现单向的、无连接的通信方式;

Discovery modes and procedures,实现蓝牙设备的发现操作;

Connection modes and procedures,实现蓝牙设备的连接操作;

Bonding modes and procedures,实现蓝牙设备的配对操作。

    1. 定义User Interface有关的蓝牙参数

蓝牙地址(Bluetooth Device Address);

蓝牙名称(Bluetooth Device Name);

蓝牙的pincode(Bluetooth Passkey);

蓝牙的class(Class of Device,和发射功率有关);

等等。

    1. Security有关的定义

 

2.  Application

蓝牙应用层协议,在蓝牙核心协议的基础上,根据具体的应用需求,定义出各种各样的策略,如FTP、文件传输、局域网等。

Profile是Application的代指,翻译为服务,具体有:SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等。

 

o
粉丝 0
博文 500
码字总数 0
作品 0
私信 提问
加载中
请先登录后再评论。
BLE——低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)

1、简介 以下蓝牙协议特指低功耗蓝牙协议。 蓝牙协议是由SIG制定并维护的通信协议,蓝牙协议栈是蓝牙协议的具体实现。 各厂商都根据蓝牙协议实现了自己的一套函数库——蓝牙协议栈,所以不同...

osc_g8254g7s
2019/08/20
2
0
深入浅出讲解低功耗蓝牙(BLE)协议栈

详解BLE连接建立过程 https://www.cnblogs.com/iini/p/8972635.html 详解BLE 空中包格式—兼BLE Link layer协议解析 https://www.cnblogs.com/iini/p/8977806.html 开发你的第一个BLE应用程序...

osc_hmnufm81
2019/12/12
3
0
蓝牙BLE: ATT协议层中属性(Attribute)

ATT(Attribute Protocol)属性层是GATT和GAP的基础,它定义了BLE协议栈上层的数据结构和组织方式。 属性(Attribute)概念是ATT层的核心,ATT层定义了属性的内容,规定了访问属性的方法和权...

osc_05yddh2u
2019/12/04
5
0
巨微通用BLE射频前端芯片—MG126

巨微MG126 是内部集成了发射机、接收机、GFSK 调制解调器和BLE 基带处理的一款低功耗、低成本的BLE 收发器。MG126 采用QFN16 封装,芯片大小为3mm x 3mm。搭配Cortex-M0 MCU 和少数外围被动器...

英尚微电子
06/08
3
0
OsChina上博客索引

OsChina上博客索引 0065-ffmpeg命令行参数 0064-nRF51822之BootLoader 0063-FM收音机芯片TEA5767 0062-存储器器件选型 0061-信号处理器件选型 0060-常用APDU指令响应码 0059-Java8新特性 00...

houj
2014/09/30
69
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

Linux系统检查用户账户到期时间

如果你在 Linux 上启用了密码策略。密码必须在到期前进行更改,并且登录到系统时会收到通知。如果你很少使用自己的帐户,那么可能由于密码过期而被锁定。在许多情况下,这可能会在无需密码登...

老孟的Linux私房菜
49分钟前
17
0
关于南京哪里有开餐饮费发票?

关于南京哪里有开餐饮费发票?聚焦餐饮行业,谈话〖18 7一電一7 5 3 8一徴一3331〗研究院昨发布数据显示,今年上半年,全国餐饮行业招聘需求增长46.18%,平均月薪6387元.随着餐饮行业的快速...

点击fojewio
今天
7
0
android studio 4.0 打开DDMS

1、先找到AndroidStudio配置的SDK路径; 2、在SDK的/tools/路径下有个monitor.bat 的批处理文件; 3、鼠标连续点击两下monitor.bat这个批处理文件,在屏幕上会打开一个类似CMD的命令行中输入...

chenhongjiang
今天
10
0
如何在Android中使用SharedPreferences来存储,获取和编辑值

问题: Closed . 已关闭 。 This question needs to be more focused. 这个问题需要更加集中。 It is not currently accepting answers. 它当前不接受答案。 Learn more . 了解更多 。 Want...

fyin1314
今天
6
0
【JDK1.8】LinkedList源码分析

LinkedList的特性 LinkedList内部使用双向链表作为存储结构,LinkedList可以理解为链表的扩展对象,封装了常用的和非常用的操作链表的方法。以及在通过索引获取元素时的简单优化,通常Linke...

XuePeng77
今天
40
0

没有更多内容

加载失败,请刷新页面

加载更多

返回顶部
顶部