一分钟快速理解和掌握低功耗蓝牙(BLE)协议基础知识

发布日期:2019.08.05     浏览次数:

    蓝牙协议是通信协议的一种,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。


    当前的蓝牙协议分为基础率/增强数据率(BR/EDR)和低耗能(LE)两种技术类型,本文将重点介绍BLE(Bluetooth Low Energy)。



1、BLE低功耗蓝牙协议栈框架


    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。


    蓝牙协议规定了两个层次的协议,分别为蓝牙核心协议(Bluetooth Core)和蓝牙应用层协议(Bluetooth Application)。蓝牙核心协议关注对蓝牙核心技术的描述和规范,它只提供基础的机制,并不关心如何使用这些机制;蓝牙应用层协议,是在蓝牙核心协议的基础上,根据具体的应用需求,百花齐放,定义出各种各样的策略,如FTP、文件传输、局域网等等。



    而蓝牙核心协议(Bluetooth Core)又包含BLE Controller和BLE Host两部分。这两部分在不同的蓝牙技术中(BR/EDR、AMP、LE),承担角色略有不同,但大致的功能是相同的。Controller负责定义RF、Baseband等偏硬件的规范,并在这之上抽象出用于通信的逻辑链路(Logical Link);Host负责在逻辑链路的基础上,进行更为友好的封装,这样就可以屏蔽掉蓝牙技术的细节,让Bluetooth Application更为方便的使用。



2、BLE低功耗蓝牙核心协议层详解(Bluetooth Core)


1、物理层(Physical Layer,简写 PHY):PHY层用来指定BLE所用的无线频段,调制解调方式和方法等。是1Mbps自适应跳频的GFSK射频,工作于免许可证的2.4GHz ISM(工业、科学与医疗)频段。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。


2、链路层(Link Layer,简写 LL):LL层是整个BLE协议栈的核心,也是BLE协议栈的难点和重点。LL层要做的事情非常多,比如具体选择哪程度 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ATT。


3.主机控制接口层(Host Controller Interface,简写 HCI):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。


4、通用访问配置文件层(Generic access profile,简写GAP):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。


5、逻辑链路控制及自适应协议层(Logical Link Control and Adaptation Protocol,简写 L2CAP):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。


6、安全管理层(Security Manager,简写 SM):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。


7、属性协议层(Attribute protocol,简写 ATT):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。


8、通用属性配置文件层(Generic Attribute profile,简写 GATT):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。