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BLE协议—协议栈基础

news 2025/8/23 1:43:37

BLE协议—协议栈基础

BLE协议栈基础
通用访问配置文件层（Generic Access Profile，GAP）
- GAP角色
- 设备配置
- 模式和规程
- 安全模式
- 广播和扫描

BLE协议栈基础

蓝牙BLE协议栈包含三部分：主机、主机接口层和控制器。
主机：逻辑链路控制及自适应协议层（L2CAP），安全管理层（SM），属性协议层（ATT），通用访问配置文件（GAP），通用属性配置文件层（GATT）
主机接口层：主机控制接口（HCI）
控制器：物理层（PHY）、链路层（LL）
在这里插入图片描述
控制器（Controller）

物理层（Physical Layer，PHY）：BLE在2400Mhz至2483.5 MHz的2.4GHz免授权频段（ISM）内工作。采用自适应跳频的高斯频移键控（GFSK）。BLE采用40个信道，每个信道间隔为2MHz，分为数据信道和广播信道；广播信道占用3个，用于发现设备、建立连接、广播数据；数据信道占用37个，用于已建立连接设备间的数据通信。建立连接的两个设备，必须同一时间处于同一信道上才能通信。
其中37/38/39为固定广播信道，其余为数据信道。
链路层（Link Layer，LL），控制设备的射频状态，让设备处于五种状态：
Standby：默认状态，不进行收发。
Advertising：广播状态，在3个广播信道广播数据包，同时监听和回复扫描者发送的扫描数据包。
Scanning：扫描状态，在3个广播信息监听广播数据包，同时发送扫描数据包。
Initiating：初始化状态，在广播信道监听广播数据包，从而发起连接。
Connection：连接状态。发起连接的设备通过发送连接请求来回应广播设备，如果广播设备接受连接请求，那么广播设备与发起连接的设备将会进入连接状态。发起连接的设备称为主机（Client），接受连接请求的设备称为从机（Server）。

主机控制接口（Host Controller Interface）
主机控制接口（Host-Controller Interface，HCI）：为Host访问Controller提供一组标准的接口。
HCI主要完成3个任务：

Host通过HCI发送命令给Controller
Controller通过HCI将事件发送给Host
传递ACL Data(面向连接，在连接通道上进行数据传输)

该接口层的实现可以是软件接口，也可以是标准硬件接口，比如UART、SPI、USB。

主机（Host）

逻辑链路控制和适配器协议（Logical Link Control and Adaption Protocol，L2CAP）：为上层提供了多路复用、数据分段与重组服务，并且支持逻辑端对端的数据通信。
安全管理层（Security Manager，SM）：定义了配对和密钥分发的方法，并为其他层提供了与对端设备进行安全连接和数据交换的功能。
属性协议层（Attribute Protocol，ATT）：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。这一层的关键词是Attribute(属性)。一个属性其实就是一条数据，属性是BLE数据提供单元，也是蓝牙空中传播数据的最上层，BLE开发过程中接触最多的就是这一层。
Attribute协议下文详解
通用属性配置文件层（Generic Attribute Profile，GATT）：自己本身不提供数据，而是将ATT层提供的属性组合起来构成的服务。通过ATT层可以读写对端设备的属性值，各个属性之间有什么联系各个属性之间怎么组合起来的，是由GATT层负责。服务是GATT层的关键字，服务由属性组成。
一个BLE设备可以由多个服务组成（使用UUID进行区分），一个服务可以包含多个特征(characteristic)，一个特征可以包含多个属性。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。
通用访问配置文件层（Generic Access Profile，GAP）：定义了所有蓝牙设备的基础功能，设备间发现、连接、配对绑定的流程；蓝牙设备中四种角色；广播和扫描响应报文的格式；还有一些通用蓝牙参数定义，比如设备地址、名称、配对秘钥和设备的外观特征值，用于区分是什么设备，手机还是电脑；明确了作为一个低功耗蓝牙设备的基本需求，包含哪些层级以及如何协同工作的。规范了一些通用的蓝牙参数：蓝牙设备地址、设备名称、配对秘钥、外观特征值。

通用访问配置文件层（Generic Access Profile，GAP）

GAP角色

GAP层定义了4种BLE角色：

外围设备（Peripheral）：可以发送广播并接受连接的设备（在链路层中作为从机）。
中央设备（Central）：可以扫描广播并发起连接的设备（在链路层中作为主机）。
播报设备（Broadcaster）：可以发送广播，但不可接受连接的设备。
观察设备（Observer）：可以扫描广播，但不可发起连接的设备。
链路层可以同时支持多个状态机， GAP层也支持一个设备同时作为多个GAP角色，所以一个BLE设备通常可以同时充当主机和从机（多主多从）。

设备配置

GAP定义了4个设备配置参数：

设备地址：设备地址在协议栈内部指BD_ADDR，小端数据格式。设备地址可以随机，也可以固定。
设备名称：设备名称一般用于区分BLE设备，最长可达248个字节，支持UTF-8编码。
设备外观：设备外观是用于用户识别设备功能，长度为两个字节。
连接PIN码：PIN码用于两个设备之间配对时使用，为6位十进制整形数，因此它的有效范围为000000-999999（0x00000000 – 0x000F423F）。使用时必须显示全部6位数字，包括前导0。

模式和规程

GAP定义5套模式和规程，设备通常运行在这5套模式和规程中：

Broadcast mode and Observation procedure，广播模式和观察规程
Discovery modes and procedures，发现模式和规程
Connection modes and procedures，连接模式和规程
Bonding modes and procedures，绑定模式和规程
Periodic advertising modes and procedure，周期性的广播模式和规程

安全模式

GAP定义了2种安全模式以及4种安全规程：

安全模式1（LE Security mode 1）：使用认证信息保证安全。
安全模式2（LE Security mode 2）：使用数字签名保证安全。

规程	描述	安全模式
认证规程（Authentication procedure）	执行认证和加密操作	安全模式1
授权规程（Authorization procedure）	确认是否为某个操作提供授权	安全模式1
连接数据签名规程（Connection data signing procedure）	连接数据签名规程，在未加密的连接中传输认证的数据。	安全模式2
认证已签名的数据规程（Authenticate signed data procedure）	认证已签名的数据规程，校验带有前面的数据是否有效	安全模式2