一文詳解 | BLE協(xié)議之鏈路層

BLE協(xié)議在Link Layer層抽象出5種狀態(tài)：

• Standby State：待機狀態(tài)，不發(fā)送數(shù)據(jù)，也不接收數(shù)據(jù)。該狀態(tài)可以由任何狀態(tài)進入，也可以切換到除Connection狀態(tài)外的任意一種狀態(tài)。

• Advertising State：廣播狀態(tài)，可以發(fā)送，監(jiān)聽，響應(yīng)廣播通道包，由Standby狀態(tài)進入。

• Scanning State：掃描狀態(tài)，能夠監(jiān)聽廣播設(shè)備發(fā)送的廣播包，由Standby狀態(tài)進入。

• Initiating State：初始化狀態(tài)，監(jiān)聽指定設(shè)備的廣播通道包，并且響應(yīng)廣播包，并發(fā)送連接請求，以便和廣播設(shè)備建立連接。當連接成功后，Initiater和對應(yīng)的Advertiser都會切換到Connection狀態(tài)。該狀態(tài)由Standby狀態(tài)進入。

• Connection State：和某個實體建立了單獨通道的狀態(tài)，在通道建立之后，由Initiating State或Advertising State進入。通道斷開后，會重新回到Standby狀態(tài)。

進入Connect State后，又定義了兩種角色：

• Master Role：由Initiating State進入的Connect State，連接成功后，變成了Master Role。

• Slave Role：由Advertising State進入的Connect State，連接成功后，變成了Slave Role。

該章節(jié)官方文檔定位：Core5.0 P2562

狀態(tài)和角色定義完成后，剩下的事情就簡單了，主要包括兩類：

• 提供某一狀態(tài)下，和其它實體對應(yīng)狀態(tài)之間的數(shù)據(jù)交換機制；

• 根據(jù)上層實體的指令，以及當前的實際情況，負責(zé)狀態(tài)之間的切換。

BLE協(xié)議中，這些事情是由一個叫做空中接口數(shù)據(jù)包（Air Interface Packets）的家伙負責(zé)。

Air Interface Packets定義了一種包的格式，主要用于描述LE Uncoded PHY、advertising channel和data channel的通信格式。

包的格式如下：

Preamble前導(dǎo)碼：是0和1的交替序列，當物理通道為LE 1M PHY時，前導(dǎo)碼為1Byte；當前導(dǎo)碼為LE 2M PHY時，前導(dǎo)碼為2Byte。

格式如下：

Access Address：對于所有在廣播通道發(fā)送的數(shù)據(jù)包，其值都為0x8E89BED6。一旦鏈路層處于Initiating State狀態(tài)時，會生成一個新的Access Address用于連接。該Access Address為一個4Byte的值。

藍牙使用Access Address來標識不同的設(shè)備，Access Address可以是一個公共的地址，也可以是一個隨機的地址，無論是哪一種類型的地址，均為48bits長度。

• 公共地址：官方定義的一些規(guī)范，通用的地址，這里不做解釋。

• 隨機地址：可能是靜態(tài)地址，或者是私有地址。

靜態(tài)地址一般都是隨機生成的，但是需要滿足下面的幾點規(guī)則：

• 地址的兩個最高有效位應(yīng)該等于1

• 隨機地址部分，至少有一位為0

• 隨機地址部分，至少有一位為1

大多數(shù)的設(shè)備（手機）都是在上電之后，初始化一次靜態(tài)地址，一旦初始化后，靜態(tài)地址就不變了；重新上電后，會生成新的靜態(tài)地址。

私有地址又分為：不可解析私有地址和可解析的私有地址。

① 不可解析的私有地址

不可解析私有地址，遵守以下生成規(guī)則：

• 地址的兩個最高有效位應(yīng)該等于0

• 隨機地址部分，至少有一位為0

• 隨機地址部分，至少有一位為1

• 不能與公共地址有沖突

② 可解析的私有地址

可解析的私有地址，說直白點就是帶加密算法所生成的。設(shè)備需要有Local Identity Resolving Key (IRK)或者the Peer Identity Resolving Key (IRK)這兩個密鑰，生成24bit的號碼，

可解析的私有地址，遵守以下規(guī)則：

• 地址的兩個最高有效位為0和1

• 隨機地址部分，至少有一位為0

• 隨機地址部分，至少有一位為1

總結(jié)：最高有效位的前兩位，代表了設(shè)備地址的類型

Air Interface Packets整體的包結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)熟知，下面主要分析以下PDU字段。

PDU：分為兩種，廣播通道上傳輸Advertising Channel PDU；數(shù)據(jù)通道上傳輸Data Channel PDU，長度為2-257字節(jié)

廣播通道PDU，包括Advertising PDU、Scanning PDU、Initiating PDU三種類型。

廣播通道的PDU，由16bit的數(shù)據(jù)頭和1-255Byte的可變大小數(shù)據(jù)組成。

16bit數(shù)據(jù)頭組成如下：

• PDU Type字段的類型有多種，如下：

PDU Type有多種，文章定位：core 5.0 P2567，可自行查閱。

• ChSel：該位為1，支持LE Channel Selection Algorithm，即LE通道選擇算法，反之，不支持。

• TxAdd：該位為0，表明Payload的AdvA字段為公共的；該位為1，表明Payload的AdvA字段為隨機的。

• Length：該字段表明了Payload的長度

官方文檔定位：core 5.0 P2569

常見的Advertising PDU有：

• ADV_IND：該PDU用于連接和掃描無定向的廣播事件。

• ADV_DIRECT_IND：該PDU用于連接和掃描定向的廣播事件。

• ADV_NONCONN_IND：該PDU用于不可連接和不可掃描的非定向廣播事件

  
  

常見的Scaning PDU有：

• SCAN_REQ：該PDU為發(fā)送掃描請求

• SCAN_RSP：該PDU包括了廣播者的地址和返回的掃描響應(yīng)數(shù)據(jù)。

常見的Initiating PDU有：

• CONNECT_IND：該PDU用于建立連接

LLData域有對應(yīng)了一些鏈路層參數(shù)的設(shè)置，可以詳細看Core 5.0 P2578

每一種PDU Type，都會定義自己的Payload組成。

數(shù)據(jù)通道PDU的格式，包括16bit的Header，可變大小的Payload，以及消息完整性檢查MIC.

包的格式如下：

Header包括

LLID：該字段標識了這個包為LL Data PDU或者LL Control PDU

NESN：下次期望的序列號

根據(jù)LLID字段，Data Channel PDU又分為LL Data PDU和LL Control PDU兩種類型。

• LL Data PDU：該PDU用于發(fā)送鏈路層的數(shù)據(jù)。

當LLID為01b時，并且Length=0時，表示一個Empty PDU。

當LLID為10b時，則Length不能設(shè)置為0。

• LL Control PDU：該PDU用于控制鏈路層的連接。

Opcode操作碼也有多種：

每一種操作碼對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)長度。詳細可見core5.0 P2589

CRC字段：在鏈路層包的最后，校驗所有的PDU數(shù)據(jù)，大小長度為3Byte。

如果PDU數(shù)據(jù)加密，則CRC將會計算加密后的PDU數(shù)據(jù)。

CRC算法采用多項式求和的形式進行，感興趣的可以了解。Core 5.0 P2601

本篇主要講了BLE的Link Layer，包括鏈路層定義的角色和狀態(tài)，空中接口數(shù)據(jù)包的通信格式以及各個字段的含義，方便我們?nèi)シ治鯨OG和定位問題。