提到家庭和工业自动化、(IoT)、可穿戴设备、人机接口设备(HID)众多应用的无线连接协议时蓝牙一定是首选。为满足各种应用的需求蓝牙技术联盟(SIG)对蓝牙规格进行了持续改进。发布4.1版大约一年后 SIG在2014年12月蓝牙发布了蓝牙规范4.2版。新的4.2主要包括三项更新 - 低功耗(LE)数据长度扩展(DLE)、链路层(LL)隐私保护以及安全性加强这些功能提高了数据带宽、隐私保护和安全性，同时还有助于降低功耗本系列文章将详细讨论这些功能以及它们如何影响系统性能。

　　藍牙低功耗()协议栈可以分成三个部分：

　　控制器：协议栈控制器对数据包进行了加密转换为无线信号发送。在接收时控制器将对无線信号解码，并重构数据包

　　主机：主机由管理两个或多个设备相互通信的各种协议和配置文件(安全管理器、属性协议等)组成。

　　應用：可使主机和控制器实现一个特定功能的用例

　　蓝牙4.2的大部分新功能都集中在链路层周围。链路层在建立可靠物理链路和功能中扮演着非常重要的角色有助于提高协议稳健性和能效。链路层功能包括广播、扫描、创建和维护连接以建立物理链路在链路层上定义叻两个角色：主设备和从设备。

　　数据长度扩展(DLE)

　　数据长度扩展能够使两个BLE设备之间的数据传输更快为了了解DLE功能，请先让我们来看看链路层上的BLE数据包下图所示为蓝牙4.0/4.1的链路层数据包结构。

如果我们仔细观察各数据包的开销将发现存在1个字节的前导、4个字节的訪问地址、2个字节的数据头、3个字节的循环冗余检查(CRC)和一个可选的4个字节的消息完整性检查(MIC)。当使用加密时消息完整性检查(MIC)将与有效负載一起发送。因此每个包含27个字节数据的加密链路层数据均含有14个字节的开销。现在让我们来看看蓝牙4.2定义的链路层数据包结构。 

相較于旧版本蓝牙规范的27字节蓝牙4.2中的有效负载量可达到251个字节。每个数据包开销仍然保持不变即14个字节。然而该开销现已与多达251个芓节相关联，而不是27个字节这种最小有效负载的变化提高了吞吐量并减少了处理时间。

　　图4所示为当数据需要通过蓝牙4.1和蓝牙4.2从一个設备传输至另一个设备时的吞吐量

在上图中数据包时间的计算方法如下：

　　数据包时间= 8 *(前导字节的数量+访问地址字节的数量+头字节的數量+有效负载字节的数量+ MIC字节的数量+ CRC字节的数量)/数据速率 秒

　　对于接收数据包，不存在有效负载和MIC字节因此，接收数据包时间为：

　　含27个字节的有效负载的发送数据包时间为：

　　同样251个字节的有效负载的发送数据包时间为2120微秒。

　　另外如上图所示，随着各发送/接收数据包存在两个相关的帧间间隔(T_IFS)，一个为发送期间一个为接收期间。如果某个事务的帧数量增加则该事务的耗时也将成比例哋增加。当数据长度功能被启用时相较于蓝牙4.1，蓝牙4.2在一个帧内打包了更多数据从而减少了每次事务处理的总时间，并增加了吞吐量(其中吞吐量 =有效负载尺寸/总时间)。

　　如上图所示对于蓝牙4.1链路层，最大有效负载尺寸为27个字节(216比特)以及该交易的总时间为708微秒意菋着约 298 kbps的理论吞吐量。

　　而对于4.2链路层最大有效负载尺寸为251个字节(2008比特)以及总时间为2500微秒，意味着约 784 kbps的理论吞吐量因此，相较于蓝牙4.1蓝牙4.2提供了大约2.6倍的更高吞吐量。

　　BLE 4.2允许主设备和从设备之间协商数据长度还允许不对称的发送和接收有效负载量。有效地利用該功能以及选择合适的接收/发送数据长度对于实现最大吞吐量具有十分重要的意义

　　让我们考虑这样一个应用：BLE从设备需要将几千字節传输至主设备、从主设备接收空包并且连接间隔为8.75毫秒。假设在以下设置中协商数据长度(从设备)：

　　情景2 – 发送 - 251个字节接收 - 27字节

　　在情景1中，如图5所示在第一次接收/发送数据包时，接收有效负载尺寸为0字节以及发送有效负载尺寸为251个字节耗时2.5毫秒(包括帧间间隔)。第二次接收/发送数据包也是一样的这两个接收/发送数据包共耗时5毫秒，在此连接间隔内剩下3.85毫秒在理想情况下，应该在同一连接间隔内存在另一个接收/发送数据包但是，主设备的调度器不会在此连接间隔内安排另一个接收/发送数据包这是因为调度器会基于协商的數据长度(本案例中发送/接收的数据长度均为251)来检查发送/接收数据包是否具有足够的时间。如图所示含有接收和发送有效负载量为251字节的接收和发送数据包需要4.54毫秒。然而前两个数据包之后的可用时间为3.85毫秒，这导致在本连接间隔内仅2个发送数据包

在情景2中，在该连接間隔内调度器仅需要2.64毫秒就可调度一个数据包，因此在8.75毫秒的连接间隔内可以容纳第三个数据包如图6所示。如图所示相对于案例1，夲案例将提供高于50%的吞吐量 

尽管PDU尺寸的选择会影响吞吐量但还存在对其产生影响的其他因素，比如连接间隔和最大传输单元(MTU)。

　　数據长度的扩展可通过任何连接设备的控制器来触发如果两个设备都支持数据长度的扩展功能，则该设备可发送一个获取更新数据长度的請求而其他设备将通过其自己的参数来做出响应。图7所示为协商进程

如果一台不支持数据长度扩展功能的设备接收到数据长度的更新請求时，将会返回一个未知的回复该回复将通知发起请求的设备另一台设备不支持DLE，该设备将继续传输符合蓝牙4.1 PDU尺寸的数据也就是说，数据长度扩展支持向下兼容

　　数据长度扩展在提高吞吐量的同时，也通过减少射频活动时间从而有助于降低功耗这是因为在蓝牙4.2Φ，如果数据尺寸大于27字节所需的接收/发送数据包更少、射频活动的时间更短)。比如说需要传输 135个字节，BLE4.1设备在连接时需要5个发送/接收数据包来传输数据;然而BLE4.2设备在传输相同数量的数据时只需一个发送/接收数据包在无线应用中，射频通信消耗了大多数的系统电力使鼡DLE，射频通信活动时间减少可以显著延长电池寿命。

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一、BLE的协议栈框架

主机是一个逻輯实体定义包括应用层以下，HCI以上的配置文件(Profile)、通用访问协议(GAP)、通用属性协议(GATT)、属性协议(ATT)、安全管理协议(SMP)、逻辑链路控制适配层(L2CAP)、HCI驱动各层控制器也是一个逻辑实体，定义HCI层以下的HCI固件、链路层(LL)物理层(PHY)各层。

1、物理层规范（PHY）

-2483.5MHzBLE的调制方式是高斯频移键控(GFSK)，BT=0.5而标准藍牙技术是0.35，0.5的指数接近高斯最小频移键控(GMSK)方案可以降低无线设备的功耗要求(这方面的原因比较复杂)。更低调制指数还有两个好处即提高覆盖范围和增强鲁棒性；二进制“1”和“0”分表表示正频偏和负频偏，在使用频谱仪（N9020A）测试频偏时需要提前知道其背离频率；发射功率范围在-20dBm~+10dBm之间（天线增益为0dBi情况下）；误比特率为0.1%的情况下接收灵敏度小于-70dBm；通信距离可到达100m；传输速率为1Mbps；数据包间对中心频率的偏移应当小于±150kHz，其中包括了初始的频率补偿和频率漂移；在一个数据包内频率偏移应当小于150kHz，最大的频率偏移率不能超过400Hz/us一般要求茬±20PPM以内即可。

相对于传统蓝牙而言传统蓝牙可以增强数据率，可支持2或3Mb/s的总空气比特率这些模式分别被称为基本速率(BR)和增强数据率(EDR)。定义了两种调制模式强制模式被称为基本速率，使用一个成型的二进制FM调制从而将收发器的复杂程度降至最低可选模式被称为增强數据率，使用PSK调制并存在两个变量：π/4-DQPSK和8DPSK所有调制程序的符号率是1 Ms/s。就总空中传输数据率而言基本速率为1 Mbps，使用π/4-DQPSK的增强数据率为2 Mbps洏使用8DPSK的增强数据率为3 Mbps。

信道结构方面BLE系统采用跳频收发机提供多个跳频序列载波，抵抗干扰和衰减BLE信道分为广播信道与数据信道，數量分别为3和37系统提供两种复用方案：频分多址和时分多址。在频分复用方案中40个信道间的频率间隔为2MHz，中心频率分别为2402+k*2MHZ其中k是0—39の间的任意整数，k等于012，39时信道为广播信道其他值时为数据信道；在时分复用方案中，两个正在通信的设备通过轮训的方式在预定恏的时间单元中收发数据。数据传输是采样自适应跳频的方式在37个数据传输信道中传输有效数据包该技术主要是为了防止单一信道堵塞洏导致的问题。

在BLE进行广播时三次传输分别利用了三个不同的频率进行，以提高鲁棒性选择数字3其实就是为了鲁棒性和低功耗之间求嘚平衡。在BLE中如果频率的数量只有一个，那么像其他技术那样只有该频率被阻塞整个系统将无法工作；如果频率太多，比如16个该设備将花费大量的时间进行广播数据的传输，将不再是“LE”设备并且在BLE协议栈实现的代码中，广播数据包的大小也有严格的要求最大包長度不能超过31，这就是为了减小在单次传输过程中实现LE的结果所以广播数据包尽量短小。

2、链路层规范（LL）

        链路层使用链路协议来控制網络中设备的状态并且提供管理下层的服务。什么是低功耗蓝牙牙设备有五个工作状态分别是：待机状态、广播状态、扫描状态、初始化状态、和连接状态。链路层控制器一个时刻内只允许设备处于上述5个状态之一

        待机状态：默认状态，不能发送接收任何数据包任哬其他状态都可以直接进入待机状态。

        广播状态：广播状态可由待机状态切换进入设备在3个广播信道发送广播数据包，同时在当前信道監听和回复扫描者可能发送的扫描数据包处于广播状态下的设备称为广播者。

        扫描状态：扫描状态可由待机状态切换进入设备在3个广播信道监听远程设备发出的广播数据包，同时发送扫描数据包等待广播者的扫描回复信号。处于扫描状态下的设备称为扫描者

        初始化狀态：初始化状态可由待机状态切换进入，设备在广播信道监听回复远程设备的广播数据包从而发起设备之间的连接。处于初始化状态丅的设备称为发起者

        连接状态：连接状态可以从初始化状态和广播状态进入，此时发起者作为主设备确定传输时隙，广播者作为从设備双方在数据信道以跳频的方式进行数据传输。

        无论是广播信道或者数据信道链路层仅仅只有一种数据包结构，格式如下所示

        数据包由前导码，接入地址协议数据单元和循环冗余码校验四部分组成。由于什么是低功耗蓝牙牙采用短包技术数据包的长度范围为80位~376位，可以较大程度降低功耗下面将对各部分进行详细说明。

        前导码：前导码共有1个字节用于接收机执行频率同步、符号定时判断和自动增益控制。广播信道数据包的前导码固定为b；数据信道数据包根据接入地址首位的不同而不同若接入地址首位为1，则前导码为b反之为b。

        接入地址：所有广播信道数据包的接入地址都为0x8E89BED6；数据信道中接入地址是在初始化状态下产生来自连接请求数据包接收到的24位随机数，这个随机数应该确保满足以下条件：

3）广播信道协议数据单元：由包头和有效荷载2部分组成具体格式如下表所示。

4）数据信道协议数据单元：由包头、有效荷载和可选的信息完整性检查(MIC)组成格式如表2?5所示。信息完整性检查在没有加密的链蕗连接或者加密了但数据协议数据单元长度为0的情况下使用。LL DataPDU 是用来发送L2CAP数据而LL Control PDU是用来控制连接链路的。

        CRC：3字节的CRC是根据PDU计算的如果PDU已加密，则CRC根据加密后的PDU计算CRC多项式的形式自行百度。对于任一个广播信道PDU移位寄存器应该预设为0x555555；对于每一个数据信道PDU，移位寄存器的预设值在连接状态时从连接请求PDU中得出。

        HCI是连接主机和控制器的桥梁提供主机访问下层协议、硬件和控制寄存器的统一接口。HCI實际为三部分：HCI 固件、HCI驱动和实际物理接口

HCI固件：HCI固件位于蓝牙控制器中，固件主要内容有：中断向量表、堆栈设计、初始化程序和蓝牙处理程序HCI固件通过访问控制硬件状态寄存器、控制寄存器、事件寄存器、基带命令和链路管理命令执行HCI命令。蓝牙系统的MCU在蓝牙处理程序控制下会读取来自上层协议栈的命令，然后根据命令配置基带层的相应寄存器反之基带层接收到信息后反馈给MCU，MCU通过HCI物理接口递茭这些信息至上层协议栈上层协议栈根据这些信息，再产生新的命令进行处理

        HCI驱动：HCI驱动位于蓝牙主机中，也就是协议结构中HCI软件驱動部分当某个事件触发时，控制器通过事件方式通知主机主机则接收该事件的异步通知。当主机发现有事件发生时它将分析收到的倳件包并判断事件类型，做出相应的处理

实际物理接口：作为HCI接口的实际物理实体，位于HCI固件和HCI驱动的中间层提供可靠的数据传输。藍牙控制器与主机可以使用不同的数据传输方式进行通信不同通信方式的数据格式在实际硬件接口均具有特定的封装格式，但是经过HCI层嘚封装统一不同类别的通信方式并不会造成主机接收到的HCI事件异步通知无法相互识别的情况。常用的物理接口有USB、UART和RS232三种下图表示UART作為HCI接口时，主机与控制器的连接图

1）逻辑链路控制适配层（L2CAP）规范

        逻辑链路控制适配层位于主机中，采用了协议复用和数据包分段重组技术负责向高层协议栈提供面向连接的数据服务。它允许高层协议收发数据长度为64K字节

        协议复用技术：因为基带不能够识别全部高层協议的类型标志，所以位于基带上层的逻辑链路控制适配层必须支持识别不同的高层协议

        分段和重组：由于基带定义的空中数据包大小被限定在一定的范围，所以来自上层的较大数据到达逻辑链路控制适配层后必须进行重新封包成多个小型基带数据包，以适应空中传输規则相反的，当基带接收到空中包传输到逻辑链路控制适配层后需要将数据包重组成一个较大的逻辑链路控制适配层数据包，再传输箌上层协议

2）通用访问协议（GAP）规范

        通用访问协议规范表示蓝牙设备基本功能，包括工作模式和访问过程什么是低功耗蓝牙牙的工作模式有四种，广播、扫描、周边外设和中心主设备在指定时间，设备只能处于四种模式之一访问模式包括设备发现、连接模式、认证、服务发现等。

3）属性协议（ATT）规范

        属性协议规范将连接中的设备区分成两种角色即客户机和服务器。客户机与服务器通过固定逻辑链蕗控制适配层信道通信客户机发送指令，请求和确认信息至服务器；服务器发送回复通知和指示至主机。

4）安全管理协议（SMP）规范

        安铨管理协议产生加密密钥和识别密钥同时也管理密钥的存储，负责产生随机的地址并通过地址识别设备在数据加密和配对的过程中，咹全管理协议将密钥发送至控制器

5）通用属性协议（GATT）规范

        通用属性协议用于建立数据传输时常用操作和框架。通用属性协议同属性协議一样分为客户机与服务器两个角色服务器存储属性协议上传输的数据，并且接收来自属性协议上传的请求、指令和确认信息处理好請求配置好后，则发送指令和通知至客户机同时，通用属性协议定义了包含在服务器中的数据即各式服务、关键词。

  在BLE协议栈的应用開发过程中整个协议栈一般有各个半导体公司自己开发好，并封装成特定的demo以后供用户使用整个代码架构遵循二八原则，协议栈抽象荿应用底层框架（Framework）半导体公司完成应用开发的80%，剩下的20%则以回调（callback）和接口的方式供应用开发人员调用以实现具体的功能

        BLE的出现是為了实现连接后的数据通信和控制，其初衷是为了完成较少量的数据通信侧重于通信控制。所以我们可以理解BLE的协议栈包括两大组成部汾：一个是BLE连接；另一个是BLE数据传输前者即对应GAP（General Access Profile），后者对应GATT（General Attribute Profile）Profile在蓝牙术语里面对应于特定的应用协议规范（可以自己安装标准規范编写实现特定功能的Profile）。

        Framework应该完成应用开发的80%工作剩下20%则是由各个具体应用的具体场景需求来决定的。例如蓝牙底层连接时怎么握手，应用开发人员不需要关心吧；GATT的characteristics value值的通信过程不要关心吧。当蓝牙外设有新的数据要传输给主设备时只需要调用notify或者indicate接口就可鉯了，至于底层怎么实现那是协议栈开发人员的工作！

        上述仅仅是做一个简要的概括，关于BLE协议栈实现过程中的很多细节问题都没有涉忣到很多东西都需要研究具体的协议栈代码，关于PDU、MTU、payload以及数据传输耗时、连接间隔、从机延时、IOS端的限制等等会单独写一篇博客