蓝牙

1. 蓝牙概述

蓝牙，是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDAQ、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，蓝牙工作在全球通用的2.4 GHz（2.4 至 2.485 GH）ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.11协议。

2. 蓝牙发展历程

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了30个岁月，发展为当前的状况。

• 第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索，使用的是BR（Basic Rate）技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能达到721.2Kbps。
• 第二代蓝牙：新增的EDR（Enhanced Data Rate）技术，使得蓝牙设备的传输率可达3Mbps。
• 第三代蓝牙：核心是AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，支持动态地选择正确射频，传输速率高达24Mbps。
• 第四代蓝牙：主推Low Energy低功耗，BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能。
• 第五代蓝牙：开启物联网时代大门，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力。

3. 蓝牙技术类型

蓝牙协议包括两种技术：BR（Basic Rate）和LE（Low Energy）。

这两种技术都包括搜索（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是相互独立的，不能互通的技术！

厂商如果只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通。如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术，而不去管是否真的需要。

3.1 经典蓝牙（BR/EDR和AMP）

Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）。

• BR：最早期的蓝牙技术，速度只能达到721.2Kbps，在那个年代，已为高大上了。
• EDR：随着技术的提升，使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。
• AMP：使用AMP技术的蓝牙，理论速率可以达到54Mbps。蓝牙自身的物理层和AMP技术差异明显，BR/EDR和AMP是不能同时使用的。简单的说，就是：BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。

3.2 低功耗蓝牙（BLE）

3.1所讲的BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传得更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。

低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。BLE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。目前BLE主要广泛应用于IoT（Internet of Things：物联网）产品领域。

4. 常见蓝牙架构

4.1 SOC蓝牙单芯片方案

一般是半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中（比如CSR BC4/5、CSR8670、CSR8675、T1CC2540、NRF51xXx、NRF52XXx、乐鑫ESP32等等）。

此类芯片一般可以直接做为MCU用，这类产品一般用于消费类电子，集成度很高，调一调参数可以直接使用，常见的有蓝牙耳机等产品。

4.2 SOC蓝牙 + MCU方案

在集成好的蓝牙芯片基础上，通过特定的接口（UART居多），发送自定义的command来达到想要的功能，比如发送0x01代表搜索周围设备。

外设一个单芯片方案，其自定义指令包含蓝牙芯片（BT Controller）、微控制单元（MCU）以及蓝牙协议栈（BT Host）。

此部分的应用，将蓝牙作为一个外设使用，用于远程通信，例如网上卖的一些蓝牙串口。

4.3 蓝牙host + controller分开方案

这种应用算是蓝牙最复杂的应用，客户需要使用蓝牙的场景有很多，涉及的蓝牙协议也有很多，需要将Host与Controller分开，集成更多的蓝牙协议，比如蓝牙电话（HFP）、蓝牙音频（A2DP）、蓝牙音乐控制（AVRCP）、蓝牙电话本（PBAP）、蓝牙短信（MAP）等。

此部分应用，将定制蓝牙的各种服务，实现蓝牙多功能需求。

4.4 使用场景

• 手机。手机的蓝牙复杂应用，注定要用第3种方案，也就是蓝牙协议栈在主芯片中，蓝牙芯片为HC架构。
• 蓝牙音响、蓝牙耳机此种应用。一般用单芯片方案就能搞定，好处在于开发便捷。
• 蓝牙手表。手表要看功能复杂性，如果仅仅有时间显示、传感器交互、蓝牙，那么可以选择单芯片方案（也就是方案1），如果有网络等比较复杂的功能就要使用MCU+蓝牙芯片方案。
• 蓝牙手环、蓝牙心率带等。基本上是单芯片方案

5. 蓝牙协议栈

5.1 蓝牙芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。

• BT Host：逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
• BT Controller：逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。
• 根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：
  • 单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即1个Host结合1个Controller。
  • 双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即1个Host结合多个Controller。

蓝牙协议是通信协议的一种，一般而言，我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码。

5.2 BLE低功耗蓝牙协议栈框架

要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。

可以看出BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。

简单来说，BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。

蓝牙协议规定了两个层次的协议，分别为蓝牙核心协议（Bluetooth Core）和蓝牙应用层协议（Bluetooth Application）。

蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范，它只提供基础的机制，并不关心如何使用这些机制；

蓝牙应用层协议，是在蓝牙核心协议的基础上，根据具体的应用需求，百花齐放，定义出各种各样的策略，如FTP、文件传输、局域网等等。

而蓝牙核心协议（Bluetooth Core）又包含BLE Controller和BLE Host两部分。

• Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范，并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路（Logical Link）。
• Host负责在逻辑链路的基础上，进行更为友好的封装，这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节，让Bluetooth Application更为方便的使用。

• 物理层（Physical Layer，PHY）

  • PHY 层主要负责在物理信道上发送和接收信息包。Bluetooth LE 使用 40 个射频信道。频率范围：2402 MHz 到 2480 MHz。

• 链路层（Link Layer，LL）

  • LL 层主要负责创建、修改和释放逻辑链路（如果有需要，还包括与之相关的逻辑传输），同时负责更新与设备之间物理链路相关的参数。它控制链路层状态机处于准备、广播、监听 / 扫描、发起连接、已连接这五种状态中的一种。

• 主机控制接口层（Host Controller Interface，HCI）

  • HCI 层向主机和控制器提供一个标准化的接口。该层可以由软件 API 实现或者使用硬件接口 UART、SPI、USB 来控制。

• 逻辑链路控制及自适应协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）

  • L2CAP 层负责对主机和协议栈之间交换的数据进行协议复用能力、分段和重组操作。

• 安全管理层（Security Manager，SM）

  • SMP 层用于生成加密密钥和身份密钥。SMP 还管理加密密钥和身份密钥的存储，并负责生成随机地址并将随机地址解析为已知设备身份。

• 通用访问配置文件层（Generic access profile，GAP）

  • GAP 层代表所有蓝牙设备通用的基本功能，例如传输、协议和应用程序配置文件使用的模式和访问程序。GAP 服务包括设备发现、连接模式、安全、身份验证、关联模型和服务发现。

• 属性协议层（Attribute protocol，ATT）

  • 简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE引入了Attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

• 通用属性配置文件层（Generic Attribute profile，GATT）

  • GATT 层表示属性服务器和可选的属性客户端的功能。该配置文件描述了属性服务器中使用的服务、特征和属性的层次结构。该层提供用于发现、读取、写入和指示服务特性和属性的接口。

6. BLE角色划分

在 Bluetooth LE 协议栈中不同的层级有不同的角色划分。这些角色划分互不影响。

• LL：设备可以划分为主机和从机，从机广播，主机可以发起连接。
• GAP：定义了4种特定角色：广播者、观察者、外围设备和中心设备。
• GATT：设备可以分为服务端和客户端。

7. BLE地址

分为公共地址和随机地址。

• 公共地址：该类型的地址是全球唯一且固定的，理论上重复的概率基本为0，因为它们是由IEEE组织分配给买家的，适用于为保证BLE设备地址的唯一性，方便其他人辩别。

• 随机地址：说白了就是厂商白嫖，因为地址是免费的。当然也提高了隐私。随着隐私和安全性的关注增加，越来越多的蓝牙设备开始使用随机地址来减少被追踪的风险。这在蓝牙低功耗（BLE）技术中尤为常见。

7.1 公共地址

BLE的公共地址，就类似于我们日常的身份证号码，是全球唯一的且不可改变的。为了保证BLE公共地址的全球唯一性，其需要向IEEE购买，然后IEEE组织就会对应地分配公共地址给买家。BLE的公共地址是全球唯一的，且在BLE设备的整个生命周期都不会改变。总长度为6个字节，共48位。

7.2 随机地址

除了公共地址类型之外，还有一个随机地址类型，提供额外的隐私保护，其又分为静态地址（Static Address）和私有地址（Private Address），它们之间主要通过最高的2位有效位来区分。

• 静态地址。总长度也是48位，但是最高位的2位必须是0b11。随机部分至少有一个位是0和1。也就是说不能全部是0或全部是1。设备重启之前不会改变。

• 私有地址。总长度也是48位。最高位是00/01。随机部分至少有一个位是0和1。也就是说不能全部是0或全部是1。定时更新改变。

8. 广播

广播是指从机（服务器）每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，这个广播动作叫做广播事件，只有当从机处于广播状态时，主机（客户端）才能发现该从机（服务器）。

在每个广播事件中，广播包会分别在37、38和39三个信道上依次广播，如下图所示。

广播数据包一般包含可读的设备名称、设备是否可连接等信息。

9. 扫描

扫描是主机监听从机广播数据包和发送扫描请求的过程，主机通过扫描，可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包，主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求，从而连接从机设备并通信。

10. 通讯

主从之间的通信是通过GATT的Profile来完成的，Profile可以理解为配置、数据格式等。

从机作为GATT的Server端，用来定义和存储Profile。Profile包含一个或者多个Service，每个Service又包含一个或者多个Characteristic，Characteristic是主从通信的最小单元。

主机作为GATT的Client端，用来发现和获取从机的Service和Characteristic，从而与之通信。

关于服务 Service和特征值Characteristic的概念。每个服务和特征值都有自己的唯一标识 UUID，标准UUID为128位，蓝牙协议栈中一般采用16位，也就是两个字节的UUID格式。

一个从机设备包括一个或者多个服务；一个服务中又可以包括一条或者多条特征值，每个特征值都有自己的属性 Property，属性的取值有：可读 Read、可写 Write、通知 Notify、指示Indicate。

11. 透传模式

蓝牙透传模式是蓝牙通信中的一种重要工作模式，也被称为透明传输模式。在这种模式下，蓝牙模块就像一条无形的数据管道。从一端输入的数据，会原封不动地传输到另一端，而不需要对数据进行复杂的解析或者处理（除了蓝牙协议栈自身必要的处理）。例如，设备 A 发送一串字节流，通过蓝牙透传模式，设备 B 接收到的就是完全相同的字节流，就如同这两个设备直接用一根线连接起来进行数据传输一样。