低功耗藍牙協議框架和協議層的講解

藍牙協議是通信協議的一種，一般而言，我們把某個協議的實現代碼稱為協議棧（protocol stack），BLE協議棧就是實現低功耗藍牙協議的代碼，理解和掌握BLE協議是實現BLE協議棧的前提。 ?,當前的藍牙協議分為基礎率/增強數據率（BR/EDR）和低耗能（LE）兩種技術類型，本文云里物里將重點介紹BLE（Bluetooth Low Energy）。?,
,一、BLE低功耗藍牙協議?？蚣? ,要實現一個BLE使用，首先需要一個支持BLE射頻的芯片，然后還需要提供一個與此芯片配套的BLE協議棧，最后在協議棧上開發自己的使用?？梢钥闯鯞LE協議棧是連接芯片和使用的橋梁，是實現整個BLE使用的關鍵。那BLE協議棧具體包含哪些功能呢？簡單來說，BLE協議棧主要用來對你的使用數據進行層層封包，以生成一個滿足BLE協議的空中數據包，也就是說，把使用數據包裹在一系列的幀頭（header）和幀尾（tail）中。 ?,藍牙協議規定了兩個層次的協議，分別為藍牙核心協議（Bluetooth Core）和藍牙使用層協議（Bluetooth Application）。藍牙核心協議關心對藍牙核心技術的描述和規范，它只提供基礎的機制，并不關心如何運用這些機制；藍牙使用層協議，是在藍牙核心協議的基礎上，根據具體的使用需要，百花齊放，定義出各種各樣的策略，如FTP、文件傳輸、局域網等等。?,
,而藍牙核心協議（Bluetooth Core）又包含BLE Controller和BLE Host兩部分。這兩部分在不一樣的藍牙技術中（BR/EDR、AMP、LE），承擔角色略有不一樣，但大致的功能是相同的。Controller負責定義RF、Baseband等偏硬件的規范，并在這之上抽象出用于通信的邏輯鏈路（Logical Link）；Host負責在邏輯鏈路的基礎上，進行更為友好的封裝，這樣就可以屏蔽掉藍牙技術的細節，讓Bluetooth Application更為方便的運用。?,
,二、BLE低功耗藍牙核心協議層詳解（Bluetooth Core）?,1、物理層（Physical Layer，簡寫 PHY）：PHY層用來指定BLE所用的無線頻段，調制解調方式和方式等。是1Mbps自適應跳頻的GFSK射頻，工作于免許可證的2.4GHz ISM（工業、科學與醫療）頻段。PHY層做得好不好，直接決定整個BLE芯片的功耗，靈敏度以及selectivity等射頻指標。?,2、鏈路層（Link Layer，簡寫 LL）：LL層是整個BLE協議棧的核心，也是BLE協議棧的難點和重點。LL層要做的事情非常多，比如具體選擇哪程度 個射頻通道進行通信，怎么識別空中數據包，具體在哪個時間點把數據包發送出去，怎么保證數據的完整性，ACK如何接收，如何進行重傳，以及如何對鏈路進行管理和控制等等。LL層只負責把數據發出去或者收回來，對數據進行怎樣的解析則交給上面的GAP或者ATT。?,3、主機控制接口層（Host Controller Interface，簡寫 HCI）：HCI是可選的，HCI主要用于2顆芯片實現BLE協議棧的場合，用來規范兩者之間的通信協議和通信命令等。 ?,4、通用訪問配置文件層（Generic access profile，簡寫GAP）：GAP是對LL層payload（有效數據包）如何進行解析的兩種方式中的一種，而且是最簡單的那一種。GAP簡單的對LL payload進行一些規范和定義，因此GAP能實現的功能極其有限。GAP現在主要用來進行廣播，掃描和發起連接等。 ?,5、邏輯鏈路控制及自適應協議層（Logical Link Control and Adaptation Protocol，簡寫 L2CAP）：L2CAP對LL進行了一次簡單封裝，LL只關心傳輸的數據本身，L2CAP就要區分是加密通道還是普通通道，同時還要對連接間隔進行管理。 ?,6、安全管理層（Security Manager，簡寫 SM）：SMP用來管理BLE連接的加密和安全的，如何保證連接的安全性，同時不影響用戶的體驗，這些都是SMP要考慮的工作。 ?,7、屬性協議層（Attribute protocol，簡寫 ATT）：簡單來說，ATT層用來定義用戶命令及命令操作的數據，比如讀取某個數據或者寫某個數據。BLE協議棧中，開發者接觸最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用來描述一條一條的數據。Attribute除了定義數據，同時定義該數據可以運用的ATT命令，因此這一層被稱為ATT層。,8、通用屬性配置文件層（Generic Attribute profile，簡寫 GATT）：GATT用來規范attribute中的數據內容，并運用group（分組）的概念對attribute進行分類管理。沒有GATT，BLE協議棧也能跑，但互聯互通就會出問題，也正是因為有了GATT和各種各樣的使用profile，BLE擺脫了ZigBee等無線協議的兼容性困境，成了出貨量最大的2.4G無線通信產品。