Bluetooth&BLE协议

蓝牙协议栈

物理层

射频层(Radio):

• 负责信号调制解调
• 将数字信号转换为射频信号传输

基带层(Baseband):

• 管理设备间物理连接
• 负责组建微微网

数据链路与传输层

链路管理层(Link Manager):

• 建立和维护蓝牙设备间连接
• 处理配对、连接管理等操作

L2CAP层:

• 数据封装与传输适配
• 将上层数据打包为下层可处理格式

音频传输特殊通道:

• 音频信号可不经协议栈转换
• 直接通过基带层传输（如音乐播放）

中间协议层

串口仿真层(RF COMM):

• 模拟串口进行无线数据传输
• 承载多种高层协议

服务发现协议(SDP):

• 关键协议（黄色标注）
• 用于查询设备详细信息和服务

高层协议组

• OBEX：对象交换协议（文件传输）
• PPP/BNEP：网络封装协议（TCP/IP数据传输）
• AT指令集：调制解调器控制
• TCS BIN：电话控制协议

白色部分协议为可选协议

BLE协议栈

物理层

• 通信介质：使用2.4GHz无线电磁波进行通信，为民用无线电频率
• 信道划分：将总带宽划分为40个信道，每个信道带宽2MHz
• 特殊信道：包含3个广播信道（用于广播通信）
• 工作特性：定义了物理通道上的工作频率和物理信道特性

链路层

• 信道复用：管理40个信道的复用，区分不同设备间的连接（如区分a-b连接和a-c连接）
• 错误控制：加入CRC校验等机制应对无线传输干扰
• 通信模式：控制广播和单播通信（如智能体脂秤通过广播发送数据）
• 设备状态：定义设备状态机制（就绪态、广播态、扫描态、连接态等），设备同一时刻只能处于一种状态

逻辑链路控制协议层

• 核心功能：实现逻辑链路控制，为上层不同应用提供不同逻辑链路
• 数据处理：对上层数据进行打包、封装和分片后传递给下层
• 中间层角色：处于协议栈中间位置，连接上层应用和下层传输

通用属性配置文件

属性协议(ATT)

设计目的：专为物联网设备抽象出的协议，处理简单数据采集和传输

数据结构：由三部分组成：

• Type：标识属性类型（如温度、湿度等）
• Handle：唯一标识属性（16比特数据标识不同属性）
• Value：属性具体值（如温度值28度）

GATT实现

• 架构组成：通过Profile、Service和Characteristic三级结构实现
• 重要性：BLE协议中数据传输的主要实现，非常关键的部分

安全管理器

• 核心功能：管理设备间连接的安全机制
• 密钥管理：控制连接使用的密钥类型
• 重连策略：决定重新连接时是否需要重新配对

逻辑设备控制接口

• 设备角色：定义设备角色（中心设备如手机/周边设备如手环）
• 标识管理：管理蓝牙MAC地址、名称等设备标识信息
• 接入协议：定义服务接入协议规范

应用层

• 通信基础：通过GATT进行数据传输
• 协议协作：结合其他协议实现逻辑链路控制和连接接入
• 层间通信：协调各协议层之间的交互

BLE连接过程

传统蓝牙连接与BLE广播连接对比

• 传统蓝牙采用跳频方式进行扫描，当两个设备相互扫描到对方后即可发起连接。

• 低功耗蓝牙(BLE)使用广播连接方式，在三个广播信道中的一个或多个上发起广播。

中心设备和周边设备

• 中心设备: 运算能力较强的设备，如手机，负责接收和处理信息。例如手机APP接收手环数据后可能联动控制空调、窗帘等设备。
• 周边设备: 主要负责信息采集和发送的设备，如智能手环、温湿度计等传感器设备，定时广播采集到的心率、温湿度等数据。

广播状态

• ADV_IND: 正常广播状态，允许被连接和扫描
• ADV_NONCONN_IND: 仅允许广播，不允许连接和扫描
• ADV_SCAN_IND: 仅允许扫描，不允许连接
• ADV_DIRECT_IND: 仅允许特定设备连接

扫描状态

• 扫描过程: 中心设备(如手机)打开APP后扫描周围广播设备，获取设备厂商、名称、电量、版本等信息
• 设备识别: 通过SCAN_RSP回复区分不同厂商设备，如小米APP识别华为手环时会因业务不匹配而无法连接

发起连接状态

• 连接建立: 中心设备确认目标设备后发送CONNECT_REQ连接请求
• 状态转换: 周边设备接收连接请求后关闭广播，进入连接阶段
• 角色转换: 连接后中心设备成为主设备(Master)，周边设备成为从设备(Slave)

连接后

• 明文传输阶段: 初始连接后数据传输为明文
• 配对阶段: 三种安全级别配对方式：
  • Just Work: 不考虑安全性，持续明文传输
  • 输入密钥: 两设备输入相同随机或默认密钥(如手机显示数字需另一设备输入相同数字)
  • OOB(外带): 通过NFC或红外等方式传递密钥
• 加密过程: 将短期密钥通过算法加密为长期密钥存储
• 绑定阶段: 存储设备信息，断开重连时直接使用存储的长期密钥加密通信
• 密文传输阶段: 配对完成后所有数据传输均使用长期密钥加密

GATT

GATT（Generic Attribute Profile）是BLE设备间传递实际数据（如心率、温湿度等）的标准协议格式

组成结构：

Profile：虚拟的配置文件，仅存在于周边设备（如手环、传感器）

Service：服务单元（如心率服务），类比数据库中的表，利用UUID识别service名

• UUID识别机制：
  • 短UUID（16bit）：由BLE联盟定义（如心率服务0x180D）
  • 长UUID（128bit）：厂商自定义（如0000fee0-0000-1000-8000-00805f9b34fb）

Characteristic：特征值（如心率值），包含值和描述符，每个特征值只能存储一个Value

• 特征值权限：
  • READ：中心设备读取周边设备数据（如获取心率）
  • WRITE：中心设备写入周边设备（如设置闹钟、校准时间）
  • NOTIFY：主动通知机制（如心率实时推送）