BLE协议 01

简介

本文将按照如下层次分析

• PHY(物理层)
• LL(链路控制层)
• HCI(主机和控制接口)
• L2CAP层(逻辑链路控制和适配层)
• GATT(通用属性规范)
• ATT(属性传输协议)
• SMP(安全管理)

协议的组成图：

PHY(物理层)

频段

BLE使用2.4GHz工业、科学及医疗(ISM)频段。

这个频段有两个特别之处：

• 它是一个无需授权的频段
• 它是唯一一个在任何国家都通用的频段，即对于2.4GHz的频段，从2400MHz~2483.5MHz约83.5MHz的频谱资源在任何地方都可以使用。

调制

BLE采用的GFSK调制方式(髙斯频移键控)，物理层的比特率为1Mbit/s(1Mbps)。

射频信道

LL(链路控制层)

描述

链路层定义了两个设备如何利用无线电传输信息，包含了报文、广播、数据通道的详细定义，也规定了发现其他设备的流程、广播的数据、连接建立、连接管理以及连接中的数据传输。

链路层状态机

• 就绪态(Standby)
• 广播态(Advertising)
• 扫描态(Scanning)
• 发起态(Initiating)
• 连接态(Connection)

空中数据包结构

• 前导码：1字节
• 访问地址：4字节
• 数据包单元：29字节

• CRC校验：3字节

  
  

基本概念

• Bit流

在4.0协议中规定数据都是以小端模式存放

在内存中，并且发送到空中的数据都是以低字节的最低bit位进行发送。当然也有例外，CRC是先发送的高字节的最低bit位。例

• 数据白化

数据白化的目的是避免长0长1。

三种“地址”区分

• 前导码Preamble：1字节
  前导码的作用是：频率同步和增益控制。只有两个值： 0xAA和0x55

• 接入地址Access Address：4字节
  广播包固定---- 0x8e89bed6
  数据包变化----每一次连接都不同

• 芯片物理地址：6字节
  它分为：公共地址和随机地址。随机地址分为：静态地址和私有地址。私有地址分为：不可解析和可解析地址。

  
  

报文结构详细组成

广播通道PDU结构

同一广播事件中3个信道之间的时间间隔----以ADV-IND为例

连接请求CONNECT_REQ包

Sniffer采集到的连接请求包

image

数据通道PDU结构

image image

连接事件

和广播事件一样，每隔一定的时间连接事件由主机从数据信道发送一个数据包，从机接到数据如果有数据发送需要在150±2 µs做成应答。也就是说每一个连接事件中至少包含主机发送的一个包，从机可以不发送包。

• 连接事件的时间由两个参数决定：connection event interval (connInterval), and slave latency (connSlaveLatency).即连接间隔和从机潜伏期。
• lanchor point
  连接事件开始的点叫做锚点(The start of aconnection event is called an anchor point)。主机在锚点开始连接事件，从机需要在锚点前进入侦听状态。
• connEventCounter
  主机和从机都有一个16位的连接事件计数器，这个值是为了这两个设备之间的同步。这个值只要是连接事件参数就会加1，当然第一个连接事件时这个值为0而不是1。无论从机潜伏期的值是多少，只有从机接收到主机的连接事件这个值在从机里面就要加1。当这个值到了0xFFFF时，会翻转到0x0000，重新开始计算。

连接事件传输窗口

在上面讲到了CONNECT_REQ包，这个包中包含了传输窗口，并且窗口偏移(WinOffset)只有是从广播态进入连接态时使用，或者在参数更新时使用，而WinSize时间是每个连接事件都必须使用的。

Ø连接间隔时间的起点有两个位置：•当从机接收报文成功，连接间隔时间起点，就是接收到报文的那个时刻，当然对于nrf51822来说，就是Radio的END事件产生的时候了。

• 当从机接收报文失败，连接间隔时间起点，就是扫描窗口的开始时刻。

从机在传输窗口中没有接收到第一个连接事件

这种情况，从机不得不等待连接间隔时间后再次进入传输窗口，等待接收下一个报文。虽然接收失败，但是还是有几点要注意的：

• 连接事件计数值connEventCount这个值还是得加1的。
• 数据通道的频率还得接着跳到下一个频率。

HCI(主机和控制接口)

HCI Commands and Events

L2CAP层(逻辑链路控制和适配层)

L2CAP逻辑链路控制和适配层

这个层的目的是将上层的数据进行简单包装，使得对于LL层来说，非常方便地进行再次包装后进行发送。

L2CAP包结构以及信道标识

属性

什么是属性

属性是一条公开的带有标签的，可以被寻址的数据。属性构成就是规定数据怎么组成。在L2CAP中可以知道，HOST通往下层的数据只有3条路，并且如果是应用的话，只有一条CID=0x0004的通道，看来对于BLE所有应用数据都是通过ATT进行传输的。那么到沙子里面淘金子，为什么可以认出沙子里面的金子呢？因为金子发光，黄色的，这两个就是金子的基本属性。对于ATT跑到GATT哪里去找数据，肯定得规定数据怎么放，也就是人为规定数据属性，这样才好找吧！在4.0协议规范中规定的这个格式就是属性，也就是数据按照一定规则存放的规定，这个存放的规定就是组成服务的最小单元。

属性组成最小单元

属性句柄(Attribute Handle)

两个作用

• 为了方便寻找属性的一种方式
• 通过属性句柄操作多个同样属性类型

属性类型(Attribute Type)

属性类型其实就是对某个东西取一个别名，让机器可以理解，对于机器理解东西就是数字了，所以属性类型采用了2bytes或者是16bytes的长度的数字表示某个东西。例如心率计，我们人听到心率计都知道是什么，但是机器并不知道，同样对于一个不懂中文的人对他说“心率计”，他也不知道是什么。所以为了全球统一，心率计有一个数字代号：0x180D，这是唯一的识别码叫做通用唯一识别码(Universally Unique IDentifier (UUID))。在服务器的数据库中只要找到服务是 0x180D的值，所有设备都知道这是一个含有心率计服务的蓝牙设备。

书名号

对于机器读到0x180D就知道是心率计服务，但是对于人来说还是喜欢形象的东西，所以又有一种方法，对于2bytes的UUID，通常不直接用它的值，而是用一个名称并加上书名号，例如心率计通常用«Heart Rate service »表示数值为0x180D的UUID

属性值(Attribute Value)

属性值是一个0~512字节的数据，对于属性本身来说，属性值是没有用的，属性值是给应用用的。那么值可以有哪些呢？

• 服务通用唯一识别码(UUID)
• 单位
• 属性类型
• 特性描述符
• 特性类型

属性许可(Attribute Permissions)

• 可读
• 可写
• 可读且可写
• 需要认证
• 不需要认证
• 无授权
• 授权

GATT 服务组成

服务是指一系列由数据和相关行为组成的集合，为了去完成某个特定的功能或者特性。而一个服务可以包含引用服务即《Include》、强制性和可选的特征即 《Characteristic》。

心率计服务

服务声明

服务声明是干什么用的？简单地讲，就是告诉其他蓝牙设备，我可以为你提供什么服务，对于心率计，就是告诉对方我可以提供心率的服务。

特性«Characteristic»声明

• 属性值—特性性质(CharacteristicProperties)
• 属性值—特性的属性句柄(Characteristic ValueAttribute Handle)
• 属性值—特性的属性类型(Characteristic UUID)
• 属性值—特性性质(CharacteristicProperties)

属性许可(Attribute Permissions)和特性性质(Characteristic Properties)区别

• Permissions：对设备本身的权限，相当于家里卧室中也需要门锁，防止爸妈偷看日记
• Properties：对于对方设备而言的权限，相当于大门的门锁是防止外人非法进入的。

特性值声明

特性值的声明是在特性声明后的第一个属性，所有的特性定义中一定包含有一个特性值声明。

特性描述符声明

特性描述是用来包含一些关于特性值的关联信息，特性描述有多种类型，一个特性的定义可以有任意多个的描述符，而所有描述符都是用来为特性值服务的

• 特性扩展性质 «Characteristic Extended Properties»：0x2900
• 特性用户描述 «Characteristic User Description» ：0x2901
• 客户端特性配置«Client Characteristic Configuration» ：0x2902
• 服务器特性配置«Server Characteristic Configuration»：0x2903
• 特性表示格式 «Characteristic Presentation Format»：0x2904
• 特性聚合格式 «Characteristic Aggregate Format» ：0x2905

心率计的特性

GATT(通用属性规范)

ATT(属性传输协议)

ATT干啥用的？

ATT协议存在的目的是规定用什么样的方法去访问GATT服务，并将访问的到的数据传输给L2CAP；或者是规定L2CAP的数据怎么样传到GATT服务的一种规定的传输协议。

通信方法

属性协议PDU

GATT映射到 ATT

ATTPDU 映射到 GATT规程

SMP(安全管理)

安全管理难点

安全管理难点在于：怎么将公共密钥进行安全共享

加密标准

AES-CCM 是计数器密码块链消息认证码模式，融合有3 种技术： AES 加密引擎、计数模式和消息认证
AES(Advanced Encyption Standard)即先进加密标准

安全管理配对绑定数据包交互全过程

参考

https://mp.weixin.qq.com/s/_YvRgwGyVwomDCuMIEkzJQ