深⼊浅出低功耗蓝⽛（BLE）协议栈
BLE协议栈为什么要分层？怎么理解BLE“连接”？如果BLE协议只有ATT层没有GATT层会发⽣什么？
协议栈框架
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，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。在深⼊BLE协议栈各个组成部分之前，我们先看⼀下BLE协议栈整体架构。
如上图所述，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。那BLE协议栈具体包含哪些功能呢？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。具体来说，BLE协议栈主要由如下⼏部分组成：
PHY层（Physical layer物理层）。PHY层⽤来指定BLE所⽤的⽆线频段，调制解调⽅式和⽅法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯⽚的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
LL层（Link Layer链路层）。LL层是整个BLE协议栈的核⼼，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时⽀持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情⾮常多，⽐如具体选择哪个射频通道进⾏通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进⾏重传，以及如何对链路进⾏管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进⾏怎样的解析则交给上⾯的GAP或者GATT。
HCI（Host controller interface）。HCI是可选的（），HCI主要⽤于2颗芯⽚实现BLE协议栈的场合，⽤来规范两者之间的通信协议和通信命令等。
GAP层（Generic access profile）。GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进⾏解析的两种⽅式中
的⼀种，⽽且是最简单的那⼀种。GAP简单的对LL payload进⾏⼀些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP⽬前主要⽤来进⾏⼴播，扫描和发起连接等。
L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP对LL进⾏了⼀次简单封装，LL只关⼼传输的数据本⾝，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进⾏管理。
SMP（Secure manager protocol）。SMP⽤来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响⽤户的体验，这些都是SMP要考虑的⼯作。
ATT（Attribute protocol）。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协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。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。
GATT（Generic attribute profile ）。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，也正是因为有了GATT和各种各样的应⽤profile，BLE摆脱了ZigBee等⽆线协议的兼容性困境，成了出货量最⼤的2.4G⽆线通信产品。
我相信很多⼈看了上⾯的介绍，还是不懂BLE协议栈的⼯作原理，以及每⼀层具体⼲什么的，为什么要
这么分层。下⾯我以如何发送⼀个数据包为例来讲解BLE协议栈各层是如何紧密配合，以完成发送任务的。
如何通过⽆线发送⼀个数据包
假设有设备A和设备B，设备A要把⾃⼰⽬前的电量状态83%（⼗六进制表⽰为0x53）发给设备B，该怎么做呢？作为⼀个开发者，他希望越简单越好，对他⽽⾔，他希望调⽤⼀个简单的API就能完成这件事，⽐如send(0x53)，实际上我们的BLE协议栈就是这样设计的，开发者只需调⽤send(0x53)就可以把数据发送出去了，其余的事情BLE协议栈帮你搞定。很多⼈会想，BLE协议栈是不是直接在物理层就把0x53发出去，就如下图所⽰：
profile中文意思
这种⽅式初看起来挺美的，但由于很多细节没有考虑到，实际是不可⾏的。⾸先，它没有考虑⽤哪⼀个射频信道来进⾏传输，在不更改API 的情况下，我们只能对协议栈进⾏分层，为此引⼊LL层，开发者还是调⽤send(0x53)，send(0x53)再调⽤send_LL(0x53,2402M)（注：2402M为信道频率）。这⾥还有⼀
个问题，设备B怎么知道这个数据包是发给⾃⼰的还是其他⼈的，为此BLE引⼊access address概念，⽤来指明接收者⾝份，其中，0x8E89BED6这个access address⽐较特殊，它表⽰要发给周边所有设备，即⼴播。如果你要⼀对⼀的进⾏通信（BLE协议将其称为连接），即设备A的数据包只能设备B接收，同样设备B的数据包只能设备A接收，那么就必须⽣成⼀个独特的随机access address以标识设备A和设备B两者之间的连接。
⼴播⽅式
我们先来看⼀下简单的⼴播情况，这种情况下，我们把设备A叫advertiser（⼴播者），设备B叫scanner或者observer（扫描者）。⼴播状态下设备A的LL层API将变成send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)。由于设备B可以同时接收到很多设备的⼴播，因此数据包还必须包含设备A的device address（0xE1022AAB753B）以确认该⼴播包来⾃设备A，为此send_LL参数需要变成(0x53,2402M, 0x8E89BED6,
0xE1022AAB753B)。LL层还要检查数据的完整性，即数据在传输过程中有没有发⽣窜改，为此引⼊CRC24对数据包进⾏检验 (假设为
0xB2C78E) 。同时为了调制解调电路⼯作更⾼效，每⼀个数据包的最前⾯会加上1个字节的preamble（前导帧），preamble⼀般为0x55或者0xAA。这样，整个空中包就变成（注：空中包⽤⼩端模式表⽰！
）：
上⾯这个数据包还有如下问题：
1. 没有对数据包进⾏分类组织，设备B⽆法到⾃⼰想要的数据0x53。为此我们需要在access address之后加⼊两个字段：LL header和
长度字节。LL header⽤来表⽰数据包的LL类型，长度字节⽤来指明payload的长度
2. 设备B什么时候开启射频窗⼝以接收空中数据包？如上图case1所⽰，当设备A的数据包在空中传输的时候，设备B把接收窗⼝关闭，此
时通信将失败；同样对case2来说，当设备A没有在空中发送数据包时，设备B把接收窗⼝打开，此时通信也将失败。只有case3的情况，通信才能成功，即设备A的数据包在空中传输时，设备B正好打开射频接收窗⼝，此时通信才能成功，换句话说，LL层还必须定义通信时序。
3. 当设备B拿到数据0x53后，该如何解析这个数据呢？它到底表⽰湿度还是电量，还是别的意思？这个就是GAP层要做的⼯作，GAP层
引⼊了LTV（Length-Type-Value）结构来定义数据，⽐如020105，02-长度，01-类型（强制字段，表⽰⼴播flag，⼴播包必须包含该字段），05-值。由于⼴播包最⼤只能为31个字节，它能定义的数据类型极其有限，像这⾥说的电量，GAP就没有定义，因此要通过⼴播⽅式把电量数据发出去，只能使⽤供应商⾃定义数据类型0xFF，即04FF590053，其中04表⽰长度，FF表⽰数据类型（⾃定义数据），0x0059是供应商ID（⾃定义数据中的强制字段），0x53就是我们的数据(设备双⽅约定0x53就是表⽰电量，⽽不是其他意思)。
最终空中传输的数据包将变成：
AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
AA – 前导帧(preamble)
D6BE898E – 访问地址(access address)
60 – LL帧头字段(LL header)
0E – 有效数据包长度(payload length)
3B75AB2A02E1 – ⼴播者设备地址(advertiser address)
02010504FF590053 – ⼴播数据
8EC7B2 – CRC24值
有了PHY，LL和GAP，就可以发送⼴播包了，但⼴播包携带的信息极其有限，⽽且还有如下⼏⼤限制：
1. ⽆法进⾏⼀对⼀双向通信（⼴播是⼀对多通信，⽽且是单⽅向的通信）
2. 由于不⽀持组包和拆包，因此⽆法传输⼤数据
3. 通信不可靠及效率低下。⼴播信道不能太多，否则将导致扫描端效率低下。为此，BLE只使⽤37(2402MHz) /38(2426MHz)
/39(2480MHz)三个信道进⾏⼴播和扫描，因此⼴播不⽀持跳频。由于⼴播是⼀对多的，所以⼴播也⽆法⽀持ACK。这些都使⼴播通信变得不可靠。
4. 扫描端功耗⾼。由于扫描端不知道设备端何时⼴播，也不知道设备端选⽤哪个频道进⾏⼴播，扫描端
只能拉长扫描窗⼝时间，并同时
对37/38/39三个通道进⾏扫描，这样功耗就会⽐较⾼。
⽽连接则可以很好解决上述问题，下⾯我们就来看看连接是如何将0x53发送出去的。
连接⽅式
到底什么叫连接(connection)？像有线UART，很容易理解，就是⽤线（Rx和Tx等）把设备A和设备B相连，即为连接。⽤“线”把两个设备相连，实际是让2个设备有共同的通信媒介，并让两者时钟同步起来。蓝⽛连接有何尝不是这个道理，所谓设备A和设备B建⽴蓝⽛连接，就是指设备A和设备B两者⼀对⼀“同步”成功，其具体包含以下⼏⽅⾯：
设备A和设备B对接下来要使⽤的物理信道达成⼀致
设备A和设备B双⽅建⽴⼀个共同的时间锚点，也就是说，把双⽅的时间原点变成同⼀个点
设备A和设备B两者时钟同步成功，即双⽅都知道对⽅什么时候发送数据包什么时候接收数据包
连接成功后，设备A和设备B通信流程如下所⽰：
如上图所⽰，⼀旦设备A和设备B连接成功（此种情况下，我们把设备A称为Master或者Central，把设备B称为Slave或者Peripheral），设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔向设备B发送数据包，⽽设备B也周期性地以CI为间隔打开射频接收窗⼝以接收设备A的数据包。同时按照蓝⽛spec要求，设备B收到设备A数据包150us后，设备B切换到发送状态，把⾃⼰的数据发给设备A；设备A则切换到接收状态，接收设备B发过来的数据。由此可见，连接状态下，设备A和设备B的射频发送和接收窗⼝都是周期性地有计划地开和关，⽽且开的时间⾮常短，从⽽⼤⼤降低系统功耗并⼤⼤提⾼系统效率。
现在我们看看连接状态下是如何把数据0x53发送出去的，从中⼤家可以体会到蓝⽛协议栈分层的妙处。
对开发者来说，很简单，他只需要调⽤send(0x53)
GATT层定义数据的类型和分组，⽅便起见，我们⽤0x0013表⽰电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（⼩端模式！）
ATT层⽤来选择具体的通信命令，⽐如读/写/notify/indicate等，这⾥选择notify命令0x1B，这样数据包变成了：1B130053
L2CAP⽤来指定connection interval（连接间隔），⽐如每10ms同步⼀次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表⽰ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包头，这样数据就变为：040004001B130053
LL层要做的⼯作很多，⾸先LL层需要指定⽤哪个物理信道进⾏传输（物理信道不体现在数据包中），然后再给此连接分配⼀个Access address（0x50655DAB）以标识此连接只为设备A和设备B直连服务，然后加上LL header和payload length字段，LL header标识此packet为数据packet，⽽不是control packet等，payload length为整个L2CAP字段的长度，最后加上CRC24字段，以保证整个packet 的数据完整性，所以数据包最后变成：
AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
AA – 前导帧(preamble)
0x50655DAB – 访问地址(access address)
1E – LL帧头字段(LL header)
08 – 有效数据包长度(payload length)
04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号
1B – notify command
0x0013 – 电量数据handle
0x53 – 真正要发送的电量数据
0xF650D5 – CRC24值
虽然开发者只调⽤了 send(0x53)，但由于低功耗蓝⽛协议栈层层打包，最后空中实际传输的数据将变成下图所⽰的模样，
这就既满⾜了低功耗蓝⽛通信的需求，⼜让⽤户API变得简单，可谓⼀箭双雕！
上⾯只是对BLE协议栈实现原理做了⼀个简单概述，即便如此，由于都是关于BLE协议栈底层的东西，很多开发者还是会觉得⽐较枯燥和晦涩，⽽且对很多开发者来说，他们也不关⼼BLE协议栈是如何实现
的，他们更关⼼的是BLE协议栈的使⽤，即怎么开发⼀个BLE应⽤。BLE 应⽤是实打实的东西，不能像上⾯讲述协议栈⼀样泛泛⽽谈，必须结合具体的蓝⽛芯⽚和蓝⽛协议栈来讲解，为此后⾯将以Nordic芯⽚及协议栈作为范例，来具体讲解如何开发BLE应⽤，以及如何通过代码去理解BLE协议中定义的⼀些概念和术语。

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