ble l2cap 工作过程_BLE协议 01

简介

本文将按照如下层次分析

PHY(物理层)

LL(链路控制层)

HCI(主机和控制接口)

L2CAP层(逻辑链路控制和适配层)

GATT(通用属性规范)

ATT(属性传输协议)

SMP(安全管理)

协议的组成图：

PHY(物理层)

频段

BLE使用2.4GHz工业、科学及医疗(ISM)频段。

这个频段有两个特别之处：

它是一个无需授权的频段

它是唯一一个在任何国家都通用的频段，即对于2.4GHz的频段，从2400MHz~2483.5MHz约83.5MHz的频谱资源在任何地方都可以使用。

调制

BLE采用的GFSK调制方式(髙斯频移键控)，物理层的比特率为1Mbit/s(1Mbps)。

射频信道

LL(链路控制层)

描述

链路层定义了两个设备如何利用无线电传输信息，包含了报文、广播、数据通道的详细定义，也规定了发现其他设备的流程、广播的数据、连接建立、连接管理以及连接中的数据传输。

链路层状态机

就绪态(Standby)

广播态(Advertising)

扫描态(Scanning)

发起态(Initiating)

连接态(Connection)

空中数据包结构

前导码：1字节

访问地址：4字节

数据包单元：29字节

CRC校验：3字节

基本概念

Bit流

在4.0协议中规定数据都是以小端模式存放

在内存中，并且发送到空中的数据都是以低字节的最低bit位进行发送。当然也有例外，CRC是先发送的高字节的最低bit位。例

数据白化

数据白化的目的是避免长0长1。

三种“地址”区分

前导码Preamble：1字节

前导码的作用是：频率同步和增益控制。只有两个值： 0xAA和0x55

接入地址Access Address：4字节

广播包固定---- 0x8e89bed6

数据包变化----每一次连接都不同

芯片物理地址：6字节

它分为：公共地址和随机地址。随机地址分为：静态地址和私有地址。私有地址分为：不可解析和可解析地址。

报文结构详细组成

广播通道PDU结构

同一广播事件中3个信道之间的时间间隔----以ADV-IND为例

连接请求CONNECT_REQ包

Sniffer采集到的连接请求包

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数据通道PDU结构

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连接事件

和广播事件一样，每隔一定的时间连接事件由主机从数据信道发送一个数据包，从机接到数据如果有数据发送需要在150±2 µs做成应答。也就是说每一个连接事件中至少包含主机发送的一个包，从机可以不发送包。

连接事件的时间由两个参数决定：connection event interval (connInterval), and slave latency (connSlaveLatency).即连接间隔和从机潜伏期。

lanchor point

连接事件开始的点叫做锚点(The start of aconnection event is called an anchor point)。主机在锚点开始连接事件，从机需要在锚点前进入侦听状态。

connEventCounter

主机和从机都有一个16位的连接事件计数器，这个值是为了这两个设备之间的同步。这个值只要是连接事件参数就会加1，当然第一个连接事件时这个值为0而不是1。无论从机潜伏期的值是多少，只有从机接收到主机的连接事件这个值在从机里面就要加1。当这个值到了0xFFFF时，会翻转到0x0000，重新开始计算。

连接事件传输窗口

在上面讲到了CONNECT_REQ包，这个包中包含了传输窗口，并且窗口偏移(WinOffset)只有是从广播态进入连接态时使用，或者在参数更新时使用，而WinSize时间是每个连接事件都必须使用的。

Ø连接间隔时间的起点有两个位置：•当从机接收报文成功，连接间隔时间起点，就是接收到报文的那个时刻，当然对于nrf51822来说，就是Radio的END事件产生的时候了。

当从机接收报文失败，连接间隔时间起点，就是扫描窗口的开始时刻。

从机在传输窗口中没有接收到第一个连接事件

这种情况，从机不得不等待连接间隔时间后再次进入传输窗口，等待接收下一个报文。虽然接收失败，但是还是有几点要注意的：

连接事件计数值connEventCount这个值还是得加1的。

数据通道的频率还得接着跳到下一个频率。

HCI(主机和控制接口)

HCI Commands and Events

L2CAP层(逻辑链路控制和适配层)

L2CAP逻辑链路控制和适配层

这个层的目的是将上层的数据进行简单包装，使得对于LL层来说，非常方便地进行再次包装后进行发送。

L2CAP包结构以及信道标识

属性

什么是属性

属性是一条公开的带有标签的，可以被寻址的数据。属性构成就是规定数据怎么组成。在L2CAP中可以知道，HOST通往下层的数据只有3条路，并且如果是应用的话，只有一条CID=0x0004的通道，看来对于BLE所有应用数据都是通过ATT进行传输的。那么到沙子里面淘金子，为什么可以认出沙子里面的金子呢？因为金子发光，黄色的，这两个就是金子的基本属性。对于ATT跑到GATT哪里去找数据，肯定得规定数据怎么放，也就是人为规定数据属性，这样才好找吧！在4.0协议规范中规定的这个格式就是属性，也就是数据按照一定规则存放的规定，这个存放的规定就是组成服务的最小单元。

属性组成最小单元

属性句柄(Attribute Handle)

两个作用

为了方便寻找属性的一种方式

通过属性句柄操作多个同样属性类型

属性类型(Attribute Type)

属性类型其实就是对某个东西取一个别名，让机器可以理解，对于机器理解东西就是数字了，所以属性类型采用了2bytes或者是16bytes的长度的数字表示某个东西。例如心率计，我们人听到心率计都知道是什么，但是机器并不知道，同样对于一个不懂中文的人对他说“心率计”，他也不知道是什么。所以为了全球统一，心率计有一个数字代号：0x180D，这是唯一的识别码叫做通用唯一识别码(Universally Unique IDentifier (UUID))。在服务器的数据库中只要找到服务是 0x180D的值，所有设备都知道这是一个含有心率计服务的蓝牙设备。

书名号

对于机器读到0x180D就知道是心率计服务，但是对于人来说还是喜欢形象的东西，所以又有一种方法，对于2bytes的UUID，通常不直接用它的值，而是用一个名称并加上书名号，例如心率计通常用«Heart Rate service »表示数值为0x180D的UUID

属性值(Attribute Value)

属性值是一个0~512字节的数据，对于属性本身来说，属性值是没有用的，属性值是给应用用的。那么值可以有哪些呢？

服务通用唯一识别码(UUID)

单位

属性类型

特性描述符

特性类型

属性许可(Attribute Permissions)

可读

可写

可读且可写

需要认证

不需要认证

无授权

授权

GATT 服务组成

服务是指一系列由数据和相关行为组成的集合，为了去完成某个特定的功能或者特性。而一个服务可以包含引用服务即《Include》、强制性和可选的特征即 《Characteristic》。

心率计服务

服务声明

服务声明是干什么用的？简单地讲，就是告诉其他蓝牙设备，我可以为你提供什么服务，对于心率计，就是告诉对方我可以提供心率的服务。

特性«Characteristic»声明

属性值—特性性质(CharacteristicProperties)

属性值—特性的属性句柄(Characteristic ValueAttribute Handle)

属性值—特性的属性类型(Characteristic UUID)

属性值—特性性质(CharacteristicProperties)

属性许可(Attribute Permissions)和特性性质(Characteristic Properties)区别

Permissions：对设备本身的权限，相当于家里卧室中也需要门锁，防止爸妈偷看日记

Properties：对于对方设备而言的权限，相当于大门的门锁是防止外人非法进入的。

特性值声明

特性值的声明是在特性声明后的第一个属性，所有的特性定义中一定包含有一个特性值声明。

特性描述符声明

特性描述是用来包含一些关于特性值的关联信息，特性描述有多种类型，一个特性的定义可以有任意多个的描述符，而所有描述符都是用来为特性值服务的

特性扩展性质 «Characteristic Extended Properties»：0x2900

特性用户描述 «Characteristic User Description» ：0x2901

客户端特性配置«Client Characteristic Configuration» ：0x2902

服务器特性配置«Server Characteristic Configuration»：0x2903

特性表示格式 «Characteristic Presentation Format»：0x2904

特性聚合格式 «Characteristic Aggregate Format» ：0x2905

心率计的特性

GATT(通用属性规范)

ATT(属性传输协议)

ATT干啥用的？

ATT协议存在的目的是规定用什么样的方法去访问GATT服务，并将访问的到的数据传输给L2CAP；或者是规定L2CAP的数据怎么样传到GATT服务的一种规定的传输协议。

通信方法

属性协议PDU

GATT映射到 ATT

ATTPDU 映射到 GATT规程

SMP(安全管理)

安全管理难点

安全管理难点在于：怎么将公共密钥进行安全共享

加密标准

AES-CCM 是计数器密码块链消息认证码模式，融合有3 种技术： AES 加密引擎、计数模式和消息认证

AES(Advanced Encyption Standard)即先进加密标准

安全管理配对绑定数据包交互全过程

参考