蓝牙通信技术基础

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1. 概述

1.1 蓝牙是什么

• 一种短距离无线通信技术
• 爱立信公司创建，如今由蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称SIG）管理。
• 现在用的都是低功耗蓝牙 Android 4.3（API Level 18）开始引入Bluetooth Low Energy（BLE，低功耗蓝牙）
• 在 5.0 以后才支持外设模式，

1.2 蓝牙的优点

• 低功率 便于电池供电设备工作
• 使用方便，点对点连接
• 短距离，低成本，以及高速
• 在智能设备的普及性高，应用广。

1.3 蓝牙通信流程

• 注册适配器打开蓝牙
• 注册广播监听蓝牙状态
• 搜索附近设备和已配对设备
• 选择未配对设备进行配对
• 选择已配对设备进行连接通信

1.4 蓝牙发展历史

1.5 蓝牙模块分类

• 蓝牙技术分为经典蓝牙(BT)和低耗能(LE)两种技术类型。
  其中经典蓝牙(BT)包括基础速率/增强数据率（BR/EDR），BR/EDR型是以点对点网络拓扑结构创建一对一设备通信；LE型则使用点对点（一对一）、广播（一对多）和网格（多对多）等多种网络拓扑结构
  
• 蓝牙芯片的三种功能配置：
  
  

• 蓝牙的详细分类：

1.6 蓝牙协议栈

蓝牙协议栈由主机 + HCI(可选) + 控制器三大块组成，其中对于单芯片方案是没用HCI的。

• 主机(Host) ：主机部分由核心协议层(L2CAP、SDP、SMP、ATT)和核心规范(GAP、GATT)构成；
• HCI：此部分定义了主机和控制器之间通信的接口标准（Vol 4: Host Controller Interface）
• 控制器(Controller)：此部分拆分为低功耗蓝牙（Vol 6: Low Energy Controller）（Vol 2: BR/EDR Controller）
  
  

GAP规范（通用接入规范）

ATT（属性协议）

定义了访问对端设备上数据的一组规则，是GATT规范的基础，也是低功耗蓝牙的基石。定义了Host端属性报文格式和报文类型。

• Requests：请求报文，客户端发给服务端，且需要服务端的一个应答Responses；（C->S，带ACK的请求报文）
• Responses ：响应报文，和Requests成对出现，服务端对客户端Requests的Responses；
• Commands ：命令报文，客户端发给服务端，不需要应答；
• Notifications ：通知报文，服务端主动发给客户端的通知；
• Indications ：通知报文，相比Notifications，客户端要应答确认Confirmations ，是否收到通知了；
• Confirmations ：和Indications 成对出现；

GATT（通用属性规范）

位于ATT之上，定义了属性的类型及其使用方法。 GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题。

L2CAP层（链路控制和适配协议）

SMP（安全管理协议）

定义了蓝牙设备配对、认证、解密等行为的安全操作。

LLCP/LL (链路层控制)

低功耗蓝牙参考 《Core_v4.2.pdf》中Part B: Link Layer Specification章节部分。

PHY（物理层）

1.7 相关专业词汇

• profile
  profile可以理解为一种规范，一个标准的通信协议，它存在于从机中。蓝牙组织规定了一些标准的profile，例如 HID OVER GATT ，防丢器 ，心率计等。每个profile中会包含多个service，每个service代表从机的一种能力。
  
• service
  service可以理解为一个服务，在ble从机中，通过有多个服务，例如电量信息服务、系统信息服务等，每个service中又包含多个characteristic特征值。每个具体的characteristic特征值才是ble通信的主题。比如当前的电量是80%，所以会通过电量的characteristic特征值存在从机的profile里，这样主机就可以通过这个characteristic来读取80%这个数据
  
• characteristic
  characteristic特征值，ble主从机的通信均是通过characteristic来实现，可以理解为一个标签，通过这个标签可以获取或者写入想要的内容。
  
• UUID
  UUID，统一识别码，我们刚才提到的service和characteristic，都需要一个唯一的uuid来标识
  

注：每个从机都会有一个叫做profile的东西存在，不管是上面的自定义的simpleprofile，还是标准的防丢器profile，他们都是由一些列service组成，然后每个service又包含了多个characteristic，主机和从机之间的通信，均是通过characteristic来实现。

2.规范

2.1 通用接入规范 GAP(Generic Access Profile）

GAP（Generic Access Profile）是用来控制设备连接和广播。GAP 使你的设备被其他设备可见，并决定了你的设备是否可以或者怎样与合同设备进行交互。例如 Beacon 设备就只是向外广播，不支持连接，小米手环就等设备就可以与中心设备连接。

• 设备角色
  GAP 给设备定义了若干角色，其中主要的两个是：外围设备（Peripheral）和中心设备（Central）。
  外围设备：这一般就是非常小或者简单的低功耗设备，用来提供数据，并连接到一个更加相对强大的中心设备。例如小米手环。
  中心设备：中心设备相对比较强大，用来连接其他外围设备。例如手机等。
  
  
  
• 广播数据
  在 GAP 中外围设备通过两种方式向外广播数据： Advertising Data Payload（广播数据）和 Scan Response Data Payload（扫描回复），每种数据最长可以包含 31 byte。这里广播数据是必需的，因为外设必需不停的向外广播，让中心设备知道它的存在。扫描回复是可选的，中心设备可以向外设请求扫描回复，这里包含一些设备额外的信息，例如设备的名字。（广播的数据格式我将另外专门写一个篇博客来讲。）
  
• 广播流程
  GAP 的广播工作流程如下图所示。
  
  
  

  从图中我们可以清晰看出广播数据和扫描回复数据是怎么工作的。外围设备会设定一个广播间隔，每个广播间隔中，它会重新发送自己的广播数据。广播间隔越长，越省电，同时也不太容易扫描到。

• 广播的网络拓扑结构
  大部分情况下，外设通过广播自己来让中心设备发现自己，并建立 GATT 连接，从而进行更多的数据交换。也有些情况是不需要连接的，只要外设广播自己的数据即可。用这种方式主要目的是让外围设备，把自己的信息发送给多个中心设备。因为基于 GATT 连接的方式的，只能是一个外设连接一个中心设备。使用广播这种方式最典型的应用就是苹果的 iBeacon。广播工作模式下的网络拓扑图如下：
  

2.2 通用属性规范 GATT (Generic Attribute Profile)

现在低功耗蓝牙（BLE）连接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile) 协议之上。GATT 是一个在蓝牙连接之上的发送和接收很短的数据段的通用规范，这些很短的数据段被称为属性（Attribute）。 GATT 的全名是 Generic Attribute Profile（姑且翻译成：普通属性协议），它定义两个 BLE 设备通过叫做 Service 和 Characteristic 的东西进行通信。GATT 就是使用了 ATT（Attribute Protocol）协议，ATT 协议把 Service, Characteristic遗迹对应的数据保存在一个查找表中，次查找表使用 16 bit ID 作为每一项的索引。 一旦两个设备建立起了连接，GATT 就开始起作用了，这也意味着，你必需完成前面的 GAP 协议。这里需要说明的是，GATT 连接，必需先经过 GAP 协议。实际上，我们在 Android 开发中，可以直接使用设备的 MAC 地址，发起连接，可以不经过扫描的步骤。这并不意味不需要经过 GAP，实际上在芯片级别已经给你做好了，蓝牙芯片发起连接，总是先扫描设备，扫描到了才会发起连接。 GATT 连接需要特别注意的是：GATT 连接是独占的。也就是一个 BLE 外设同时只能被一个中心设备连接。一旦外设被连接，它就会马上停止广播，这样它就对其他设备不可见了。当设备断开，它又开始广播。 中心设备和外设需要双向通信的话，唯一的方式就是建立 GATT 连接。 

GATT 连接的网络拓扑

GATT 通信事务

GATT 结构

- ProfileProfile 并不是实际存在于 BLE 外设上的，它只是一个被 Bluetooth SIG 或者外设设计者预先定义的 Service 的集合。例如心率Profile（Heart Rate Profile）就是结合了 Heart Rate Service 和 Device Information Service。所有官方通过 GATT Profile 的列表可以从这里找到。 - ServiceService 是把数据分成一个个的独立逻辑项，它包含一个或者多个 Characteristic。每个 Service 有一个 UUID 唯一标识。 UUID 有 16 bit 的，或者 128 bit 的。16 bit 的 UUID 是官方通过认证的，需要花钱购买，128 bit 是自定义的，这个就可以自己随便设置。 

2.3 GAP和GATT的区别与联系

GAP 和 GATT 有什么不同呢？

• GAP ：定义一个 BLE 网络栈的通用拓扑结构。
• GATT：描述关于如何数据在连接中如何传输的细节。GATT 尤其关注于数据如何被格式化、打包、然后跟据分发规则去在网络中发送。属性协议(ATT)与GATT紧密相连，那么GATT 处于 ATT 的上层，使用 ATT 去描述数据如何在两个连接的设备中交换。

GAP （Generic Access Profile）

GATT（Generic Attribute Profile）