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BLE 协议之链路层

news 2024/9/20 13:43:31

一、前言
二、状态和角色
三、Air Interface Packets
- 1、Preamble 字段
- 2、Access Address 字段
- - 2.1 静态地址
  - 2.2 私有地址
- 3、PDU 字段
- - 3.1 Advertising Channel PDU
  - - 3.1.1 Header 字段
    - 3.1.2 Payload 字段
  - 3.2 Data Channel PDU
  - - 3.2.1 Header 字段
    - 3.2.2 Payload 字段
- 4、CRC 字段
四、小结

一、前言

在 BLE 协议之物理层
一文中，我简单介绍了 BLE 的物理层。接下来就是链路层（Link Layer）了，它主要的功能，就是在这些 Physical Channel 上收发数据，与此同时，不可避免的需要控制 RF 收发相关的参数。除此之外，还要做到以下几个功能：

通道共享 ： Physical Layer 仅仅提供了有限的 40 个 Physical Channel，而 BLE 中参与通信的实体的数量，肯定不是这个数量级。 Link Layer 需要解决 Physical Channel 的共享问题
抽象出逻辑链路 ：通信是两个实体之间的事情，对这两个实体来说，它们希望看到一条为自己独享的传输通道（就是我们所熟悉的逻辑链路，Logical Link）。这也是 Link Layer 需要解决的
可靠传输 ： Physical Channel 是不可靠的，任何数据传输都可能由于干扰等问题而损毁、丢失，这对有些应用来说，是接受不了的。因此 Link Layer 需要提供校验、重传等机制，确保数据传输的可靠性

接下来，就看一下链路层都做了哪些事。

二、状态和角色

BLE 协议在 Link Layer 层抽象出 5 种状态：

Standby State ：待机状态，不发送数据，也不接收数据。该状态可以由任何状态进入，也可以切换到除 Connection State 外的任意一种状态。
Advertising State ：广播状态，可以发送，监听，响应广播通道包，由 Standby State 进入。
Scanning State ：扫描状态，能够监听广播设备发送的广播包，由 Standby State 进入。
Initiating State ：初始化状态，监听指定设备的广播通道包，并且响应广播包，并发送连接请求，以便和广播设备建立连接。当连接成功后， Initiater 和对应的 Advertiser 都会切换到 Connection State。该状态由 Standby State 进入。
Connection State ：和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由 Initiating State 或 Advertising State 进入。通道断开后，会重新回到 Standby State。

进入 Connect State 后，又定义了两种角色：

Master Role ：由 Initiating State 进入的 Connect State ，连接成功后，变成了 Master Role 。
Slave Role ：由 Advertising State 进入的 Connect State ，连接成功后，变成了 Slave Role 。

一个状态机在同一时刻有且只能处于一个状态。但是，一个 BLE 设备在同一时刻可以拥有多个独立的状态机！多个状态机并存的情况有限制条件。以下为几种有效的组合状态：

Connection + Advertising
Connection + Initiating
Connection(Master) + Connection(Master)

这也就意味着，BLE 协议栈是支持一主多从这种连接模式的。不过要注意，不支持一从多主模式，即一个从机同时与多个主机相连。并且，一个 BLE 设备在同一时刻不能同时为主机和从机角色。

三、Air Interface Packets

状态和角色定义完成后，剩下的事情就简单了，主要包括两类：

提供某一状态下，和其它实体对应状态之间的数据交换机制；
根据上层实体的指令，以及当前的实际情况，负责状态之间的切换。

BLE 协议中，这些事情是由空中接口数据包（Air Interface Packets）完成的。

Air Interface Packets 定义了一种包的格式，主要用于描述 LE Uncoded PHY、advertising channel 和 data channel 的通信格式。

其格式如下：

见 Core5.4 P2684

下面对各个字段继续详细分析。

1、Preamble 字段

Preamble（前导码）：是 0 和 1 的交替序列：

当物理通道为 LE 1M PHY 时，前导码为 1Byte ；
当物理通道码为 LE 2M PHY 时，前导码为 2Byte 。

2、Access Address 字段

Access Address ：对于所有在广播通道发送的数据包，其值都为 0x8E89BED6。

一旦链路层处于 Initiating State 状态时，会生成一个新的 Access Address 用于连接。该 Access Address 为一个 4Byte 的值。

蓝牙使用 Access Address 来标识不同的设，Access Address 可以是一个公共的地址，也可以是一个随机的地址，无论是哪一种类型的地址，均为 48bits 长度。

公共地址：官方定义的一些规范，通用的地址，这里不做解释。
随机地址：可能是静态地址，或者是私有地址。

2.1 静态地址

见 Core5.4 P2679

静态地址一般都是随机生成的，但是需要满足下面的几点规则：

地址的两个最高有效位应该等于 1
随机地址部分，至少有一位为 0
随机地址部分，至少有一位为 1

大多数的设备（手机）都是在上电之后，初始化一次静态地址，一旦初始化后，静态地址就不变了；重新上电后，会生成新的静态地址。

2.2 私有地址

见 Core5.4 P2680

私有地址又分为：不可解析私有地址和可解析的私有地址。

不可解析的私有地址

不可解析私有地址，遵守以下生成规则：

地址的两个最高有效位应该等于 0
随机地址部分，至少有一位为 0
随机地址部分，至少有一位为 1
不能与公共地址有冲突

可解析的私有地址

可解析的私有地址，说直白点就是带加密算法所生成的。设备需要有 Local Identity Resolving Key(IRK) 或者 the Peer Identity Resolving Key (IRK) 这两个密钥，生成 24bit 的号码，

可解析的私有地址，遵守以下规则：

地址的两个最高有效位为 0 和 1
随机地址部分，至少有一位为 0
随机地址部分，至少有一位为 1

总结：最高有效位的前两位，代表了设备地址的类型

3、PDU 字段

前面介绍过，Physical Layer 将通道分为广播通道和数据通道，那么 Link Layer 也随之对应划分了两种 PDU 类型。

PDU（Package Data Unit）：分为两种：

广播通道上传输（Advertising Channel PDU）；
数据通道上传输（Data Channel PDU），长度为 2-257 字节。

3.1 Advertising Channel PDU

广播通道 PDU ，包括 Advertising PDU、Scanning PDU、Initiating PDU 三种类型。

广播通道的 PDU ，由 16bit 的数据头和 1-255Byte 的可变大小数据组成。

3.1.1 Header 字段

下面是 16bit 的数据头格式：

PDU Type 有多种，详细参考 core 5.0 P2690

ChSel ：该位为 1，支持 LE Channel Selection Algorithm ，即 LE通道选择算法，反之，不支持。
TxAdd ：该位为 0，表明 Payload 的 AdvA 字段为公共的；该位为 1，表明 Payload 的 AdvA 字段为随机的。
Length ：该字段表明了 Payload 的长度

3.1.2 Payload 字段

Payload字段组成如下：

常见的 Advertising PDU 有：

ADV_IND ：该 PDU 用于连接和扫描无定向的广播事件。
ADV_DIRECT_IND ：该 PDU 用于连接和扫描定向的广播事件。
ADV_NONCONN_IND ：该 PDU 用于不可连接和不可扫描的非定向广播事件
ADV_SCAN_IND ：该 PDU 仅可用于可扫描的非定向广播事件

常见的 Scaning PDU 有：

SCAN_REQ ：该 PDU 为发送扫描请求
SCAN_RSP ：该 PDU 包括了广播者的地址和返回的扫描响应数据。

常见的 Initiating PDU 有：

CONNECT_IND ：该 PDU 用于建立连接

综上可见，每一种 PDU Type ，都会定义自己的 Payload 组成。

3.2 Data Channel PDU

数据通道 PDU 的格式，包括 16bit 的 Header ，可变大小的 Payload ，以及可选的消息完整性检查 MIC 字段。

包的格式如下：

3.2.1 Header 字段

Header 包括：

LLID ：该字段标识了这个包为 LL Data PDU 或者 LL Control PDU
NESN ：下次期望的序列号

3.2.2 Payload 字段

根据 LLID 字段，Data Channel PDU 又分为 LL Data PDU 和 LL Control PDU 两种类型。

LL Data PDU ：该 PDU 用于发送链路层的数据。
- 当 LLID 为 01b 时，并且 Length=0 时，表示一个 Empty PDU 。
- 当 LLID 为 10b 时，则 Length 不能设置为 0。
LL Control PDU ：该 PDU 用于控制链路层的连接。