藍(lán)牙在我們生活中非常普遍，小到手表，大到電視洗衣機(jī)等都有藍(lán)牙的身影。

那么，你對藍(lán)牙協(xié)議了解多少？

Part101 藍(lán)牙概述

藍(lán)牙技術(shù)起源于愛立信在1994年提出的方案，旨在解決移動電話和其他配件之間進(jìn)行低功耗、低成本的無線通信連接的方法。

藍(lán)牙發(fā)展歷史

第一代藍(lán)牙主要是指90年代的V1.0～V1.2版本，是關(guān)于段距離通信的早期探索，此時還存在許多問題，應(yīng)用不是特別廣泛

第二代藍(lán)牙主要是00年中V2.0～V2.1版本，新增了EDR(Enhanced Data Rate)技術(shù)提高傳輸速率，以及體驗(yàn)及安全

第三代藍(lán)牙主要是00年末V3.0版本，新增了802.11 WiFi協(xié)議，引入了AMP(Generic Alternate MAC/PHY)交替射頻技術(shù)，極大的提高了傳輸速率并降低功耗

第四代藍(lán)牙是10年以來的V4.0～V4.2版本，主推LE(Low Energy)低功耗，大約僅消耗十分之一，將三種規(guī)格，包括經(jīng)典藍(lán)牙、高速藍(lán)牙、和藍(lán)牙低功耗，集中在一起形成一套綜合協(xié)議規(guī)范

第五代藍(lán)牙是16年開始提出的V5.0版本，主要是為了支持物聯(lián)網(wǎng)，在功耗、傳輸速率、有效傳輸距離、數(shù)據(jù)包容量方面都做了極大的提升

下面的分析都是基于V4.1版本，方便入門，可以理解很多核心協(xié)議的設(shè)計(jì)思想

Part202 藍(lán)牙技術(shù)分類

藍(lán)牙技術(shù)包含藍(lán)牙發(fā)展過程中的兩套技術(shù)，但是這兩套原理和實(shí)現(xiàn)都不一樣，也無法實(shí)現(xiàn)互通

Basic Rate（BR）/AMP

最初的藍(lán)牙技術(shù)，包括可選的EDR（Enhanced Data Rate）技術(shù)和交替使用的MAC層和PHY層擴(kuò)展 AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）【優(yōu)化傳輸速度的過程】

解釋：藍(lán)牙誕生之初使用的BR技術(shù)，傳輸速率很低，隨著發(fā)展而變得無法支持，所以引入了EDR，這時還沒有修改軟硬件架構(gòu)，但是之后又落伍了，所以直接引入了WiFi的底層協(xié)議，也就是MAC/PHY擴(kuò)展，但這部分的實(shí)現(xiàn)就無法直接更替，所以BR/EDR只能與AMP交替使用

Low Energy（LE）

藍(lán)牙低功耗，則不關(guān)心傳輸速率，而是從降低功耗的角度實(shí)現(xiàn)的另一套技術(shù)，跟前面的協(xié)議沒有絲毫關(guān)系

Part303 藍(lán)牙架構(gòu)

structure

藍(lán)牙協(xié)議將藍(lán)牙整體分成了兩層架構(gòu)，底層是核心協(xié)議，描述了藍(lán)牙核心技術(shù)的基礎(chǔ)和規(guī)范，應(yīng)用層協(xié)議則基于具體需求，使用核心協(xié)議提供的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同的功能策略

核心協(xié)議包含兩部分，Host和Controller，這兩部分在不同的藍(lán)牙協(xié)議版本中略有區(qū)別，但大致上是，Controller完成硬件側(cè)的規(guī)范制訂，包括信號調(diào)制解調(diào)，會抽象出用于通信的邏輯鏈路，可能存在一個或多個，如LE Controller、BR/EDR Controller；Host則在邏輯鏈路的基礎(chǔ)上完成更友好的封裝，屏蔽掉技術(shù)細(xì)節(jié)，方便應(yīng)用層對數(shù)據(jù)的使用

Part404 藍(lán)牙協(xié)議

藍(lán)牙協(xié)議也采用層次結(jié)構(gòu)，自下而上依次為物理層、邏輯層、L2CAP層和應(yīng)用層

protocol

應(yīng)用層（App Layer）為不同場景定義規(guī)范，提出Profile(一項(xiàng)服務(wù))的概念，實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用功能

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol Layer）

邏輯鏈路控制和適配協(xié)議，負(fù)責(zé)管理邏輯鏈路，使得不同應(yīng)用可共享一個邏輯鏈路，類似端口的實(shí)現(xiàn)

在邏輯鏈路的基礎(chǔ)上，抽象出與具體技術(shù)無關(guān)的數(shù)據(jù)傳輸信道，如單/廣播，然后對上以L2CAP channel endpoints的概念，為不同應(yīng)用程序提供獨(dú)立的傳輸通道

邏輯層（Logical Layer）

提供設(shè)備對象之間邏輯傳輸，在物理層的基礎(chǔ)上，建立邏輯信道，主要基于傳輸類型來劃分，包括控制類傳輸（負(fù)責(zé)底層物理鏈路的管理）、用戶類傳輸（負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)傳輸）和其他特殊類型的傳輸

不同的邏輯信道（Logical Link）會在下層對應(yīng)Logical Transport，實(shí)現(xiàn)流控、應(yīng)答、重傳等機(jī)制

物理層（Physical Layer）

負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢硗ǖ?/p>

物理鏈路（Physical Link）：對物理信道的進(jìn)一步封裝

物理信道（Physical channel）：三種藍(lán)牙技術(shù)都使用相同的頻段和頻率范圍，但是具體實(shí)現(xiàn)都不一樣

Advertisement Broadcast Channel：用于設(shè)備間無連接廣播通信，包括發(fā)現(xiàn)/連接操作

Piconet channel：用于連接狀態(tài)下通信

Inquiry Scan Physical Channel：用于發(fā)現(xiàn)操作，即搜索/被搜索

Page Scan Physical Channel：用于連接操作，即連接/被連接

Basic Piconet Physical Channel：用于連接狀態(tài)下通信，使用79個跳頻點(diǎn)

Adapted Piconet Physical Channel：用于連接狀態(tài)下通信，使用較少RF跳頻點(diǎn)

Synchronization Scan Channel：用于無連接的廣播通信

BR/EDR頻段分成了79個channel，每個占1M帶寬；采用跳頻技術(shù)（Hopping），即物理信道隨機(jī)占用某一channel；定義了五種物理信道，每次只能在一種物理信道上通信，采用時分方式

AMP直接使用WIFI的物理層規(guī)范，只有一個物理信道，用于已連接設(shè)備之間的高速數(shù)據(jù)通信

LE頻段分成了40個channel，每個占2M帶寬；有兩種物理信道，每次只能在一種物理信道上通信，采用時分方式

Part505 BLE協(xié)議棧

實(shí)現(xiàn)一個BLE應(yīng)用，需要一個支持BLE射頻的芯片，然后基于一個與芯片配套的協(xié)議棧，開發(fā)藍(lán)牙應(yīng)用。

協(xié)議棧的作用就是軟件和硬件之間的橋梁，對應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行封包然后生成可以通過射頻發(fā)送的空中數(shù)據(jù)包及其逆向過程。

BLE-protocol

Physical Layer（PHY）

藍(lán)牙通信系統(tǒng)的物理層，是免費(fèi)ISM頻段，整個頻帶分成40份，每份帶寬2MHz；此外還定義了RF收發(fā)相關(guān)的特性，如發(fā)射功率、調(diào)制解調(diào)方式等

Link Layer（LL）

解決在有限物理信道上傳輸遠(yuǎn)多實(shí)際信道數(shù)量的數(shù)據(jù)，即信道共享，然后為通信實(shí)體創(chuàng)建看似獨(dú)享的邏輯信道，以及解決傳輸過程中的校驗(yàn)、重傳等問題

LL中的信道設(shè)計(jì)：BLE系統(tǒng)基于通信場景，在40個物理信道中選取三個作為廣播信道，處理數(shù)據(jù)量小、發(fā)送不頻繁、時延不敏感的場景，存在的問題就是不可靠、效率低、不安全；另外的場景則在剩下的37個信道中選取一個為雙方建立單獨(dú)信道，并且為了抗干擾采用跳頻技術(shù)

為此，LL為通信雙方實(shí)體定義了以下狀態(tài)及切換條件

BLE-state

- Standby：初始狀態(tài)，不收發(fā)數(shù)據(jù)，接受上層協(xié)議命令與其他狀態(tài)切換
- Advertising：通過廣播發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)，建立連接后可進(jìn)入Connection
- Scanning：接收廣播的數(shù)據(jù)的狀態(tài)
- Initiating：特殊的接收狀態(tài)，類似Scanning，接收Advertiser廣播的連接數(shù)據(jù)，建立連接后進(jìn)入Connection
- Connection：建立連接后擁有單獨(dú)的通道
12345

這里會使用空中接口協(xié)議（Air Interface Protocol，AIP）來負(fù)責(zé)實(shí)體之間的數(shù)據(jù)交換和狀態(tài)切換

Host Controller Interface（HCI）

定義Host和Contorller之間的通信協(xié)議，如兩個芯片之間的串口

L2CAP

邏輯控制和適配協(xié)議的工作就是實(shí)現(xiàn)邏輯信道的多路復(fù)用（multiplexing），對上層數(shù)據(jù)進(jìn)行分割和重組，以及后續(xù)的流控、錯誤控制和重傳等

多路復(fù)用思想：將要發(fā)送的數(shù)據(jù)分割成一個個數(shù)據(jù)包（Packet Data Unit，PDU），添加包含特定ID的頭部，接收方解析頭部ID進(jìn)行重組

多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)

基于連接：L2CAP會為每個邏輯信道分配一個編號（Channel ID，CID），有些CID會有固定用途

基于協(xié)議（略）

Attribute Protocol（ATT）

屬性協(xié)議主要是針對物聯(lián)網(wǎng)場景，核心思想就是將采集的信息或控制的命令以屬性的形式抽象出來，提供接口供遠(yuǎn)端設(shè)備讀寫

采用C/S形式，信息提供方為ATT Server，如傳感器，訪問方為ATT Client

為每個Attribute定義了三個屬性

Type，即Attribute的類型，使用UUID區(qū)分

Handle，服務(wù)端用來唯一標(biāo)識Attribute的16-bit數(shù)值

Value，Attribute的值

為每個Attribute定義了一系列權(quán)限，方便服務(wù)端控制客戶端的行為，包括訪問/加密/認(rèn)證/授權(quán)

對于不同的Attribute，客戶端對服務(wù)端的訪問方式也不一樣，包括Find/Read/Write

傳輸過程是在L2CAP的基礎(chǔ)上，使用基于通道的多路復(fù)用，CID為0x0004

Generic Attribute Profile（GATT）

通用屬性配置文件，Attribute只是將信息（或者說通信數(shù)據(jù)）做一下抽象，但是真正對抽象的信息做分類管理則是GATT來完成，形成profile的概念（解決了很多無線協(xié)議的兼容問題），profile可以理解成應(yīng)用場景或者使用方式

GATT提供了這樣一種通用的、信息存儲與共享的profile framework，實(shí)現(xiàn)BLE雙向通信

GATT的層次結(jié)構(gòu)

GATT_profile_hierarchy

Profile位于最頂層，不是真正存在的配置文件，而是一個或多個場景相關(guān)的service的抽象集合

Service（服務(wù)）是一種行為的抽象，具有唯一標(biāo)識UUID，每個service包含一個或多個Characteristic，也可以通過include的方式包含其他service

Characteristic（特征）可以理解成一個屬性，是真正與設(shè)備通信相關(guān)的，數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的最基本單位，通過對特征的讀寫實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙雙向通信，它由一個Propertities（定義Value的使用規(guī)范和Descriptor的訪問規(guī)范）、一個Value（特征的實(shí)際取值）和一個或多個Descriptor（Value相關(guān)的描述信息）組成，每個特征也具有自己的唯一標(biāo)識，但是有三種形式：

16-bit是官方認(rèn)證，收費(fèi)，Bluetooth_Base_UUID 為 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB

16-bit轉(zhuǎn)128-bit，格式為 0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

32-bit轉(zhuǎn)128-bit，格式為 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

事實(shí)上，目前幾乎所有的BLE應(yīng)用都基于GATT實(shí)現(xiàn)通信

GATT通信基于C/S模型，外圍設(shè)備作為Server端，維護(hù)ATT結(jié)構(gòu)及產(chǎn)出數(shù)據(jù)，中心設(shè)備作為client端，請求連接獲取數(shù)據(jù)

GATT連接對外圍設(shè)備是獨(dú)占的，即一個外圍設(shè)備同時與一個中心設(shè)備建立連接，一個中心設(shè)備可同時與多個外圍設(shè)備建立連接

Security Manager（SM）

安全管理協(xié)議主要負(fù)責(zé)BLE通信過程中安全相關(guān)的內(nèi)容，包括認(rèn)證、加密這些過程

Generic Access Profile（GAP）

通用訪問配置文件，定義了藍(lán)牙設(shè)備的通用的訪問功能，與GATT的數(shù)據(jù)通信過程對應(yīng)，處理無連接及連接建立過程的通信，也就是為廣播、掃描、發(fā)起連接這些過程定義統(tǒng)一規(guī)范

定義了用戶接口的基本參數(shù)，包括藍(lán)牙地址、名稱、pincode、class等概念

定義了設(shè)備的角色：

Broadcaster Role：正在發(fā)送advertising events的設(shè)備

Observer Role：正在接收advertising events的設(shè)備

Peripheral Role：接受Link Layer連接的設(shè)備（對應(yīng)Link Layer的slave角色）

Central Role，發(fā)起Link Layer連接的設(shè)備（對應(yīng)Link Layer的master角色）

定義了通信的過程和操作模式：

Broadcast mode and observation procedure：實(shí)現(xiàn)單向的、無連接的通信

Discovery modes and procedures：實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)操作

Connection modes and procedures：實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的連接操作

Bonding modes and procedures：實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的配對操作

Part606 BLE的廣播

使用場景

單向、無連接的數(shù)據(jù)通信，發(fā)送者使用廣播信道發(fā)送數(shù)據(jù)，接受者掃描接收數(shù)據(jù)

連接建立階段

協(xié)議層次

GAP：以應(yīng)用程序角度進(jìn)行功能封裝，提供一套統(tǒng)一的、通用的廣播規(guī)范

HCI：將LL提供的功能抽象成Command/Events的形式，供上層使用

LL：負(fù)責(zé)廣播通信相關(guān)功能的定義和實(shí)現(xiàn)，包括信道選擇、鏈路狀態(tài)定義、PDU定義、設(shè)備過濾機(jī)制等

LL

信道選擇。BLE將藍(lán)牙頻段分成了40個物理信道，綜合考慮（抗干擾等）后將其中三個作為廣播信道，頻段為0/12/39，編號是37-39

鏈路狀態(tài)。參與廣播的BLE設(shè)備，總是處于這三種狀態(tài)之一

Advertising：廣播狀態(tài)，周期性地廣播，數(shù)據(jù)發(fā)送方

Scanning：掃描狀態(tài)，掃描并接受廣播數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收方

Initiating：初始化狀態(tài)，掃描到可連接的廣播時，發(fā)起連接請求，連接發(fā)起方

PDU（Packet Data Unit）格式

pdu

Type是指PDU的類型，如不同的狀態(tài)下也有不同的消息類型，TxAdd和RxAdd都是地址類型flag，針對不同的type有不同的含義，RFU都是保留字段，Length標(biāo)明payload的長度

Payload內(nèi)容

State	Type	Descriptions	Payload	length	Descriptions
Advertising	ADV_IND	常規(guī)廣播，可連接可掃描	AdvA	6	address of broadcaster
		【后續(xù)建立點(diǎn)對點(diǎn)連接，監(jiān)聽CONNECT_REQ請求】	AdvData	0~31	Broadcast data
	ADV_NONCONN_IND	同ADV_IND，不可連接不可掃描	AdvA	6	address of broadcaster
		【用于定時傳輸簡單數(shù)據(jù)】	AdvData	0~31	Broadcast data
	ADV_SCAN_IND	同ADV_IND，不可連接可掃描	AdvA	6	address of broadcaster
		【用于傳輸額外數(shù)據(jù)，監(jiān)聽SCAN_REQ請求】	AdvData	0~31	Broadcast data
	ADV_DIRECT_IND	點(diǎn)對點(diǎn)連接，已知雙方藍(lán)牙地址，無廣播數(shù)據(jù)，可被指定設(shè)備連接不可掃描	AdvA	6	address of broadcaster
		【快速建立連接，不關(guān)心廣播數(shù)據(jù)，監(jiān)聽CONNECT_REQ請求】	InitA	6	address of receiver/initiater
Scanning	SCAN_REQ	接收ADV_IND/ADV_SCAN_IND后，請求更多信息	ScanA	6	address of scanne r
		【接收廣播數(shù)據(jù)后請求更多信息】	AdvA	6	address of broadcaster
	SCAN_RSP	SCAN_REQ的響應(yīng)，返回更多信息	AdvA	6	address of broadcaster
			ScanRspData	0~31	response data
Initiating	CONNECT_REQ	接收ADV_IND/ADV_DIRECT_IND后，請求建立連接	InitA	6	address of receiver/initiater
		【請求建立連接】	AdvA	6	address of broadcaster
			LLData	22	parameters of connection

BLE設(shè)備地址類型

Static Device Address：上電生成，46-bit的random+11，斷電后可變

Private Device Address：進(jìn)一步提供定時更新和地址加密提高可靠行和安全性

Non-resolvable Private Address：按周期定時更新，46-bit的random+00

Resolvable Private Address：通過隨機(jī)數(shù)和IRK（Identity Resolving Key）生成，24-bit的hash+22-bit的random+10

Public Device Address：IEEE分配，24-bit的company_id+24-bit的company_assigned，類似MAC

Random Device Address：隨機(jī)生成，解決費(fèi)用和維護(hù)、設(shè)備身份綁定的問題

HCI

將Link Layer提供的功能封裝成Command/Event組

Command格式

command

OCF（Opcode Command Field）表示特定的HCI命令，OGF（Opcode Group Field）表示該HCI命令所屬組別，他們共同組成16位操作碼；Parameter Total Length表示所有參數(shù)總長度

所有BLE相關(guān)的HCI Command的OGF都是0x08

Event格式

event

這些Command/Event包括廣播、掃描、連接建立的相關(guān)操作，這些都可以通過hcitool命令進(jìn)行測試

GAP

會從應(yīng)用程序角度對各種狀態(tài)和操作再一次進(jìn)行封裝，包括設(shè)備角色，通信的模式和操作的定義

與GAP廣播通信相關(guān)的是廣播和發(fā)現(xiàn)模式

Broadcast mode and observation procedure，廣播模式及對應(yīng)的解析過程，對應(yīng)狀態(tài)下的角色雙方就是Broadcaster和Observer

Discovery modes and procedures，發(fā)現(xiàn)模式及對應(yīng)的發(fā)現(xiàn)過程，對應(yīng)的角色就是Peripheral和Central

廣播數(shù)據(jù)格式

adv_data

廣播/掃描應(yīng)答數(shù)據(jù)，包含有意義部分和無意義部分（補(bǔ)齊為0），有意義部分是由一個個廣播塊（AD Structure）組成，每個廣播塊包含1字節(jié)長度（指示數(shù)據(jù)部分長度）和剩下的數(shù)據(jù)部分，數(shù)據(jù)部分又分為數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)內(nèi)容，數(shù)據(jù)類型會指示真實(shí)Data部分的內(nèi)容，例如0x01表示Data內(nèi)容是描述設(shè)備物理連接狀態(tài)，再例如0x08表示Data內(nèi)容是設(shè)備名稱，更多可以參考generic-access-profile

舉個廣播數(shù)據(jù)的例子

0201060303aafe1716aafe00-10000102030405060708090a0b0e0f00000000
1

02 01 06是一個AD Structure，數(shù)據(jù)部分長度為2字節(jié)，類型是0x01，描述設(shè)備物理連接狀態(tài)，數(shù)據(jù)部分0x06，1字節(jié)8bit，每bit都是一個標(biāo)志位（[預(yù)留]|[預(yù)留]|[預(yù)留]|[同時支持BLE和BR/EDR（Host）]|[同時支持BLE和BR/EDR（Controller）]|[不支持BR/EDR]|[普通發(fā)現(xiàn)模式]|[有限發(fā)現(xiàn)模式]），那么這個廣播就是普通發(fā)現(xiàn)模式，不支持BR/EDR

03 03 aa fe是第二個AD Structure，數(shù)據(jù)部分長度為3字節(jié)，類型是0x03，表示16-bits的Service UUID

17 16 aa fe 00 -10 00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0a 0b 0e 0f 00 00 00 00是最后一個AD Structure，數(shù)據(jù)部分長度為0x17即23字節(jié)，類型是0x16，表示服務(wù)數(shù)據(jù)

AD Type	Description	AD Data
0x01	設(shè)備物理連接狀態(tài)	1字節(jié)8bit，每個bit都是一個標(biāo)志位 [預(yù)留]|[預(yù)留]|[預(yù)留]|[同時支持BLE和BR/EDR（Host）]|[同時支持BLE和BR/EDR（Controller）]|[不支持BR/EDR]|[普通發(fā)現(xiàn)模式]|[有限發(fā)現(xiàn)模式]
0x02	UUID	非完整的16-bit UUID
0x03	UUID	完整的16-bit UUID
0x04	UUID	非完整的32-bit UUID
0x05	UUID	完整的32-bit UUID
0x06	UUID	非完整的128-bit UUID
0x07	UUID	完整的128-bit UUID
0x08	設(shè)備名稱	縮寫設(shè)備名稱
0x09	設(shè)備名稱	完整設(shè)備名稱
0x0a	TX Power Level	TX Power Level
0xff	廠商數(shù)據(jù)	[廠商ID]|[廠商自定義數(shù)據(jù)]

Part707 BLE的連接

經(jīng)典藍(lán)牙中保持連接非常耗費(fèi)資源，但是每次連接建立效率又非常低，為了優(yōu)化體驗(yàn)，BLE簡化了連接過程（毫秒級），極大的降低了面向連接通信的代價

藍(lán)牙通信系統(tǒng)中，對于連接的定義是：在約定的時間段內(nèi)，雙方都到一個指定的物理Channel上通信。

LL

角色定義。BLE為處于連接狀態(tài)的兩個設(shè)備定義了兩個角色，Master和Slave。Master作為連接發(fā)起方，定義和連接相關(guān)的參數(shù)，Slave是連接的接收方，請求連接參數(shù)

PDU（Packet Data Unit）格式

DC_PDU

面向連接的通信使用特定的PDU，稱為Data channel PDU

LLID指示Data Channel傳輸?shù)腜DU類型，傳輸數(shù)據(jù)是LL Data PDU，傳輸控制信息是LL Control PDU，NESN（Next Expected Sequence Number）和SN（Sequence Number）用于數(shù)據(jù)傳輸過程中的應(yīng)答和流控，MD（More Data）用于關(guān)閉連接，RFU是預(yù)留位，Length指示有效數(shù)據(jù)長度，包括Payload和MIC

LLID	type	Description
01b	LL Data PDU	空包或未傳輸完成的消息（被拆包）
10b	LL Data PDU	（不需拆包）完整消息或第一個包
11b	LL Control PDU	用于控制、管理LL連接的數(shù)據(jù)包，此時Payload為1字節(jié)Opcode和剩余的控制數(shù)據(jù)

建立連接

可連接狀態(tài)的設(shè)備（Advertiser）按照一定周期廣播可連接數(shù)據(jù)包

主動連接的設(shè)備（Initiator）收到廣播包后回應(yīng)一個連接請求（約定時間點(diǎn)、物理信道等）

Initiator發(fā)送完畢后進(jìn)入連接狀態(tài)，成為Master

Advertiser接收到連接請求后也進(jìn)入連接狀態(tài)，成為Slave

雙方按照參數(shù)約定，定時切換到某一物理信道，開始依次收發(fā)數(shù)據(jù)，直至連接斷開

HCI

封裝Link Layer的功能，主要包括連接的建立、關(guān)閉、參數(shù)設(shè)置和管理，以及數(shù)據(jù)封裝和轉(zhuǎn)發(fā)

GAP

定義設(shè)備具有的能力和操作

Part808 BLE安全機(jī)制

White List

白名單就是一組藍(lán)牙地址列表，通過設(shè)置白名單可以允許掃描、連接特定的藍(lán)牙設(shè)備，以及被掃描、連接

LL Privacy

在白名單的基礎(chǔ)上將設(shè)備地址進(jìn)行加密，轉(zhuǎn)變成Resolvable Private addresses

本地Resolving List需要保存每一對BLE設(shè)備的key/address信息，格式為：Local IRK|Peer IRK|Peer Device Identity Address|Address Type

LL Privacy機(jī)制在Controller中完成，即加解密操作對HCI上層是透明的

LL Encryption

數(shù)據(jù)發(fā)送和接收過程進(jìn)行加解密

加解密操作在Link Layer完成

Host會保存至少1280bit的LTK（根密鑰），啟動加密傳輸時，LL會首先協(xié)商出一個128-bit的隨機(jī)數(shù)SDK（Session Key Diversifier）和64-bit的iv，經(jīng)過Encryption Engine和LTK生成此次通信的會話密鑰SessionKey

SecurityManager

為BLE設(shè)備提供加密連接相關(guān)的key，包含以下規(guī)范：

定義了配對（Pairing）的相關(guān)概念及過程

定義了密碼工具箱，包含配對、加密所需的各種算法

定義了安全管理協(xié)議（Security Manager Protocol，SMP），實(shí)現(xiàn)配對、密碼傳輸?shù)炔僮?/p>

SMP規(guī)范中，配對的定義是，Master和Slave通過協(xié)商確定用于加密通信的key的過程，包含三個階段：

階段一、Pairing Feature Exchange，交換雙方配對相關(guān)的設(shè)置，如配對方法、鑒權(quán)方式等

鑒權(quán)方式可以采用交換額外的信息（Out of band，OOB），或者彈窗引入人來判定，稱為MITM鑒權(quán)，還有輸入配對碼進(jìn)行對比（Passkey Entry/Numeric Comparison），或者不鑒權(quán)（Just Work）

階段二、通過SMP協(xié)議進(jìn)行配對操作，有兩種配對方案，LE Legacy Pairing和LE Secure Connections

階段三、協(xié)商好密鑰key，建立加密連接，傳輸密鑰信息（可選）

Part909 Android中的BLE應(yīng)用

具體可以參考開發(fā)的藍(lán)牙測試工具：BLETool

BLE，藍(lán)牙低功耗（極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗）

Android 4.3（API 18） 開始引入 BLE ，即藍(lán)牙4.0

Android 4.3 的 BLE 只支持 Central Role（中心設(shè)備，掃描并連接外圍設(shè)備）

Android 5.0 開始同時支持 Central Role 和 Peripheral Role（外圍設(shè)備，向外廣播發(fā)送數(shù)據(jù)）

1、權(quán)限

2、開啟/關(guān)閉藍(lán)牙

//判斷支持藍(lán)牙功能
if(getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)){
//獲取藍(lán)牙管理服務(wù)
BluetoothManagerbluetoothManager=(BluetoothManager)getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
//獲取藍(lán)牙適配器
BluetoothAdapterbluetoothAdapter=bluetoothManager.getAdapter();
if(bluetoothAdapter!=null){
//判斷藍(lán)牙是否開啟
if(bluetoothAdapter.isEnabled()){
//關(guān)閉藍(lán)牙
bluetoothAdapter.disable();
}else{
//1、靜默開啟藍(lán)牙
bluetoothAdapter.enable();
//2、顯式請求開啟藍(lán)牙
Intentintent=newIntent(BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ENABLE);
startActivityForResult(intent,REQUEST_BLUETOOTH_ENABLE);
}
}
}

3、掃描與監(jiān)聽

if(getPackageManager().hasSystemFeature(PackageManager.FEATURE_BLUETOOTH_LE)){
//獲取藍(lán)牙管理服務(wù)
BluetoothManagerbluetoothManager=(BluetoothManager)getSystemService(Context.BLUETOOTH_SERVICE);
//獲取藍(lán)牙適配器
BluetoothAdapterbluetoothAdapter=bluetoothManager.getAdapter();
if(bluetoothAdapter!=null){
//判斷藍(lán)牙是否開啟
if(bluetoothAdapter.isEnabled()){
//獲取掃描器實(shí)例
BluetoothLeScannerbluetoothLeScanner=bluetoothAdapter.getBluetoothLeScanner();
booleanisScanning=false;
if(bluetoothLeScanner!=null){
if(isScanning){
//停止掃描
isScanning=false;
bluetoothLeScanner.stopScan(scanCallback);
}else{
//開始掃描
isScanning=true;
bluetoothLeScanner.startScan(scanCallback);
}
}
}
}
}

Android 8 開始提供一個后臺持續(xù)掃描的API，應(yīng)用殺死后也可以繼續(xù)掃描，直到關(guān)閉藍(lán)牙【待驗(yàn)證】

publicintstartScan(Listfilters,ScanSettingssettings,PendingIntentcallbackIntent);

//設(shè)置攔截器和掃描選項(xiàng)
bluetoothLeScanner.startScan(scanFilters,scanSettings,scanCallback);

初始化掃描過濾器

scanFilters=newArrayList<>();
ScanFilterscanFilter=newScanFilter.Builder()
.setDeviceName("lalala")
.setServiceUuid(newParcelUuid(UUID.randomUUID()))
.build();
scanFilters.add(scanFilter);

初始化掃描設(shè)置

scanSettings=newScanSettings.Builder()
//設(shè)置掃描模式
.setScanMode(ScanSettings.SCAN_MODE_BALANCED)
//設(shè)置回調(diào)類型
.setCallbackType(ScanSettings.CALLBACK_TYPE_ALL_MATCHES)
//設(shè)置配對模式
.setMatchMode(ScanSettings.MATCH_MODE_STICKY)
//設(shè)置報(bào)告延遲
.setReportDelay(0)
.build();

兩個類都是通過 Builder 構(gòu)造，提供系列函數(shù)用于參數(shù)設(shè)置，如 setDeviceName()、setScanMode()、setMatchMode() 等

4、掃描回調(diào)

scanCallback=newScanCallback{
@Override
publicvoidonScanResult(intcallbackType,ScanResultresult){
super.onScanResult(callbackType,result);
}

@Override
publicvoidonScanFailed(interrorCode){
super.onScanFailed(errorCode);
}

@Override
publicvoidonBatchScanResults(Listresults){
super.onBatchScanResults(results);
}
}

其中 onBatchScanResults() 是批量返回掃描結(jié)果。可通過下面的接口判斷藍(lán)牙芯片是否支持批處理

Bluetoothadapter.isOffloadedScanBatchingSupported();
1

注意 onScanResult() 和 onBatchScanResults() 是互斥的，ScanSettings 中 setReportDelay() 設(shè)置為0（默認(rèn)）則通過 onScanResult() 返回掃描結(jié)果，否則開啟批處理掃描模式，并觸發(fā) onBatchScanResults() 回調(diào)。

5、廣播數(shù)據(jù)解析

掃描成功會返回 ScanResult 廣播數(shù)據(jù)類，然后進(jìn)一步解析

//返回遠(yuǎn)程設(shè)備類
BluetoothDevicedevice=scanResult.getDevice();
//返回掃描記錄，包含廣播和掃描響應(yīng)
ScanRecordscanRecord=scanResult.getScanRecord();
//返回信號強(qiáng)度，[-127,126]
intrssi=scanResult.getRssi()

BluetoothDevice 是設(shè)備信息類，常用的方法有

//獲取硬件地址
Stringaddress=device.getAddress();
//獲取藍(lán)牙名稱
Stringname=device.getName();
//獲取設(shè)備類型，如DEVICE_TYPE_CLASSIC、DEVICE_TYPE_LE、DEVICE_TYPE_DUAL、DEVICE_TYPE_UNKNOWN
inttype=device.getType();
//獲取綁定狀態(tài)，如BOND_NONE、BOND_BONDING、BOND_BONDED
intstate=device.getBondState();

6、連接設(shè)備

掃描返回的廣播消息中可以獲取到遠(yuǎn)程設(shè)備的MAC地址，可用于設(shè)備的連接

if(bluetoothAdapter.isEnabled()){
//獲取遠(yuǎn)程設(shè)備對象
BluetoothDevicebluetoothDevice=bluetoothAdapter.getRemoteDevice(address);
if(bluetoothDevice!=null){
handler.post(newRunnable(){
@Override
publicvoidrun(){
BluetoothGattbluetoothGatt;
if(Build.VERSION.SDK_INT>=Build.VERSION_CODES.M){
//連接遠(yuǎn)程設(shè)備
bluetoothGatt=bluetoothDevice.connectGatt(context,false,bluetoothGattCallback,BluetoothDevice.TRANSPORT_LE);
}else{
bluetoothGatt=bluetoothDevice.connectGatt(context,false,bluetoothGattCallback);
}
}
});
}
}

bluetoothGatt 是藍(lán)牙通用屬性協(xié)議的封裝，定義了BLE通信的一些基本規(guī)則和連接通信操作

7、連接回調(diào)

bluetoothGattCallback 則是 bluetoothGatt 連接的回調(diào)類，通知客戶端連接狀態(tài)和結(jié)果

bluetoothGattCallback=newBluetoothGattCallback{
@Override
publicvoidonConnectionStateChange(BluetoothGattgatt,finalintstatus,finalintnewState){
super.onConnectionStateChange(gatt,status,newState);
}

@Override
publicvoidonServicesDiscovered(BluetoothGattgatt,finalintstatus){
super.onServicesDiscovered(gatt,status);
}

@Override
publicvoidonCharacteristicChanged(BluetoothGattgatt,finalBluetoothGattCharacteristiccharacteristic){
super.onCharacteristicChanged(gatt,characteristic);
}

@Override
publicvoidonCharacteristicRead(BluetoothGattgatt,finalBluetoothGattCharacteristiccharacteristic,finalintstatus){
super.onCharacteristicRead(gatt,characteristic,status);
}

@Override
publicvoidonCharacteristicWrite(BluetoothGattgatt,finalBluetoothGattCharacteristiccharacteristic,finalintstatus){
super.onCharacteristicWrite(gatt,characteristic,status);
}

@Override
publicvoidonDescriptorRead(BluetoothGattgatt,finalBluetoothGattDescriptordescriptor,finalintstatus){
super.onDescriptorRead(gatt,descriptor,status);
}

@Override
publicvoidonDescriptorWrite(BluetoothGattgatt,finalBluetoothGattDescriptordescriptor,finalintstatus){
super.onDescriptorWrite(gatt,descriptor,status);
}
}

連接成功及其他連接狀態(tài)改變都會調(diào)用 onConnectionStateChange() 方法。status 表示這個操作的狀態(tài)，是 BluetoothGatt.GATT_SUCCESS 或者讀寫受限、超過范圍等其他錯誤狀態(tài)。newState 則表示當(dāng)前設(shè)備的連接狀態(tài)，連接成功為 BluetoothProfile.STATE_CONNECTED，連接失敗是BluetoothProfile.STATE_DISCONNECTED。

8、發(fā)現(xiàn)服務(wù)

連接成功后就可以開始通信，從請求服務(wù)開始（Profile只是一系列具有共同業(yè)務(wù)需求的服務(wù)的抽象集合，服務(wù)才是實(shí)體）

bluetoothGatt.discoverServices();
1

發(fā)現(xiàn)服務(wù)后會觸發(fā) onServicesDiscovered() 回調(diào)，然后繼續(xù)獲取服務(wù)

//獲取所有服務(wù)
ListbleServiceList=bluetoothGatt.getServices();
//通過uuid獲取特定的服務(wù)
BluetoothGattServicebleService=bluetoothGatt.getService(serviceUuid);

BluetoothGattService 是藍(lán)牙服務(wù)類，是與某個場景相關(guān)的一系列行為的抽象，具有一個唯一的UUID，然后服務(wù)類型，如SERVICE_TYPE_PRIMARY、SERVICE_TYPE_SECONDARY（主要服務(wù)可以包含二級服務(wù)），包含的特征列表

9、獲取特征

//獲取所有特征
ListbleCharacteristicList=bleService.getCharacteristics();
//通過uuid獲取特定的特征
BluetoothGattCharacteristicbleCharacteristic=bleService.getCharacteristic(characteristicUuid);

BluetoothGattCharacteristic 是藍(lán)牙特征類，是通信的基本數(shù)據(jù)單位，包含標(biāo)志特征的唯一的UUID，描述特征訪問權(quán)限的特性，如PROPERTY_BROADCAST、PROPERTY_READ、PROPERTY_WRITE等，特征的實(shí)際取值，以及特征的描述

10、讀寫特征

//讀取特征
bluetoothGatt.readCharacteristic(bleCharacteristic);
//設(shè)置并寫入特征
bleCharacteristic.setValue("XXX");
bluetoothGatt.writeCharacteristic(bleCharacteristic);

這里的讀寫特征函數(shù)都是返回布爾類型表示是否操作成功，如果成功真正的值會在 onCharacteristicRead/onCharacteristicWrite 回調(diào)中讀取/寫入

@Override
publicvoidonCharacteristicRead(BluetoothGattgatt,BluetoothGattCharacteristiccharacteristic,intstatus){
switch(status){
caseGATT_SUCCESS:
StringvalueStr=BLEUtils.byte2HexString(characteristic.getValue());
break;
caseGATT_READ_NOT_PERMITTED:
ToastUtils.showShort(context,"GATT_READ_NOT_PERMITTED");
break;
default:
ToastUtils.showShort(context,"CHARACTERISTIC_READ_FAILED");
break;
}
}

@Override
publicvoidonCharacteristicWrite(BluetoothGattgatt,BluetoothGattCharacteristiccharacteristic,intstatus){
switch(status){
caseGATT_SUCCESS:
StringvalueStr=BLEUtils.byte2HexString(characteristic.getValue());
break;
default:
ToastUtils.showShort(context,"CHARACTERISTIC_WRITE_FAILED");
break;
}
}

11、監(jiān)聽特征

真正要實(shí)現(xiàn)通信除了單方面讀寫，還需要對數(shù)據(jù)變化進(jìn)行監(jiān)聽，這樣就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

//設(shè)置特征監(jiān)聽為true，且要求特征具有NOTIFY屬性
bluetoothGatt.setCharacteristicNotification(characteristic,true);

這樣，自己或?qū)Ψ教卣鞲淖儠r就會回調(diào)函數(shù)從而獲取改變后的特征值

@Override
publicvoidonCharacteristicChanged(BluetoothGattCharacteristiccharacteristic){
Log.d("bledemo","uuid="+characteristic.getUuid().toString());
Log.d("bledemo","value=0x"+BLEUtils.byte2HexString(characteristic.getValue()));
}

12、獲取描述

//獲取所有描述
ListbleDescriptorList=bleCharacteristic.getDescriptors();
//通過uuid獲取特定的描述
BluetoothGattDescriptorbleDescriptor=bleCharacteristic.getDescriptor(descriptorUuid);

BluetoothGattDescriptor 是藍(lán)牙特征描述類，包含對特征的一些額外描述信息

13、讀寫描述

//讀取描述
bluetoothGatt.readDescriptor(bleDescriptor);
//設(shè)置并寫入描述
bleDescriptor.setValue("XXX");
bluetoothGatt.writeDescriptor(bleDescriptor);

同樣讀寫成功會觸發(fā)onDescriptorRead/onDescriptorWrite 回調(diào)

@Override
publicvoidonDescriptorRead(BluetoothGattDescriptordescriptor,intstatus){
switch(status){
caseGATT_SUCCESS:
StringvalueStr=BLEUtils.byte2HexString(descriptor.getValue());
break;
caseGATT_READ_NOT_PERMITTED:
ToastUtils.showShort(context,"GATT_READ_NOT_PERMITTED");
break;
default:
ToastUtils.showShort(context,"DESCRIPTOR_READ_FAILED");
break;
}
}

@Override
publicvoidonDescriptorWrite(BluetoothGattDescriptordescriptor,intstatus){
switch(status){
caseGATT_SUCCESS:
StringvalueStr=BLEUtils.byte2HexString(descriptor.getValue());
break;
default:
ToastUtils.showShort(context,"DESCRIPTOR_WRITE_FAILED");
break;
}
}

14、斷開連接

//斷開連接，會觸發(fā)onConnectionStateChange()回調(diào)
bluetoothGatt.disconnect();
//關(guān)閉連接，不會觸發(fā)回調(diào)
bluetoothGatt.close();
1234

15、開啟/關(guān)閉廣播

if(bluetoothAdapter.isEnabled()){
//設(shè)置廣播設(shè)備的名稱，方便搜索
bluetoothAdapter.setName("XXX");
//獲取廣播類
BluetoothLeAdvertiserbluetoothLeAdvertiser=bluetoothAdapter.getBluetoothLeAdvertiser();
if(bluetoothLeAdvertiser!=null){
if(isAdvertising){
//關(guān)閉廣播
bluetoothLeAdvertiser.stopAdvertising(advertiseCallback);
}else{
//開始廣播
bluetoothLeAdvertiser.startAdvertising(advertiseSetting,advertiseData,advertiseCallback);
}
}
}

還可以發(fā)送帶響應(yīng)報(bào)文的廣播包

bluetoothLeAdvertiser.startAdvertising(advertiseSetting,advertiseData,advertiseResData,advertiseCallback);
1

其中 advertiseSetting 為廣播設(shè)置類對象

advertiseSetting=newAdvertiseSettings.Builder()
//廣播模式，控制廣播功率和延遲
.setAdvertiseMode(AdvertiseSettings.ADVERTISE_MODE_LOW_LATENCY)
//廣播發(fā)射功率級別
.setTxPowerLevel(AdvertiseSettings.ADVERTISE_TX_POWER_HIGH)
//廣播超時時間，最大值為3*60*1000毫秒，為0時禁用超時，默認(rèn)無限廣播
.setTimeout(advertiseTimeout)
//廣播連接類型
.setConnectable(true)
.build();
12345678910

advertiseData、advertiseResData 為廣播包

advertiseData=newAdvertiseData.Builder()
//廣播是否包含設(shè)備名稱
.setIncludeDeviceName(true)
//廣播是否包含發(fā)射功率
.setIncludeTxPowerLevel(true)
//添加服務(wù)uuid
.addServiceUuid(newParcelUuid(UUID.randomUUID()))
.build();

advertiseResData=newAdvertiseData.Builder()
//添加自定義服務(wù)數(shù)據(jù)
.addServiceData(newParcelUuid(UUID.randomUUID()),newbyte[]{1,2,3,4})
//添加自定義廠商數(shù)據(jù)
.addManufacturerData(0x06,newbyte[]{5,6,7,8})
.build();

16、廣播回調(diào)

advertiseCallback 是廣播回調(diào)

advertiseCallback=newAdvertiseCallback{
@Override
publicvoidonStartSuccess(AdvertiseSettingssettingsInEffect){
super.onStartSuccess(settingsInEffect);
}

@Override
publicvoidonStartFailure(interrorCode){
super.onStartFailure(errorCode);
}
}

17、啟動GATT服務(wù)

只有廣播仍然不夠，作為外圍角色的設(shè)備還需要啟動GATT服務(wù)，等待中心設(shè)備與之建立連接之后就可以通過服務(wù)通信

//啟動Gatt服務(wù)
bluetoothGattServer=bluetoothManager.openGattServer(context,bluetoothGattServerCallback);
12

接下來可以向啟動的GATT服務(wù)中添加Service

//構(gòu)造服務(wù)
BluetoothGattServicebluetoothGattService=newBluetoothGattService(UUID.randomUUID(),BluetoothGattService.SERVICE_TYPE_PRIMARY);

//構(gòu)造特征
BluetoothGattCharacteristicbluetoothGattCharacteristic=newBluetoothGattCharacteristic(UUID.randomUUID(),BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_READ|BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE|BluetoothGattCharacteristic.PROPERTY_NOTIFY,BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_WRITE|BluetoothGattCharacteristic.PERMISSION_READ);
bluetoothGattCharacteristic.setValue("character_test_value");

//構(gòu)造描述
BluetoothGattDescriptorbluetoothGattDescriptor=newBluetoothGattDescriptor(UUID.randomUUID(),BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_READ|BluetoothGattDescriptor.PERMISSION_WRITE);
bluetoothGattDescriptor.setValue("descriptor_test_value".getBytes());

//添加描述到特征中
bluetoothGattCharacteristic.addDescriptor(bluetoothGattDescriptor);
//添加特征到服務(wù)中
bluetoothGattService.addCharacteristic(bluetoothGattCharacteristic);
//添加服務(wù)
bluetoothGattServer.addService(bluetoothGattService);

18、GATT服務(wù)回調(diào)

bluetoothGattServerCallback 是GATT服務(wù)的回調(diào)，當(dāng)設(shè)備被連接、通信（讀寫特征）時都會觸發(fā)響應(yīng)的回調(diào)函數(shù)

bluetoothGattServerCallback=newBluetoothGattServerCallback{
@Override
publicvoidonConnectionStateChange(BluetoothDevicedevice,intstatus,intnewState){
super.onConnectionStateChange(device,status,newState);
}

@Override
publicvoidonServiceAdded(intstatus,BluetoothGattServiceservice){
super.onServiceAdded(status,service);
}

@Override
publicvoidonCharacteristicReadRequest(BluetoothDevicedevice,intrequestId,intoffset,
BluetoothGattCharacteristiccharacteristic){
super.onCharacteristicReadRequest(device,requestId,offset,characteristic);
}

@Override
publicvoidonCharacteristicWriteRequest(BluetoothDevicedevice,intrequestId,
BluetoothGattCharacteristiccharacteristic,
booleanpreparedWrite,booleanresponseNeeded,
intoffset,byte[]value){
super.onCharacteristicWriteRequest(device,requestId,characteristic,preparedWrite,
responseNeeded,offset,value);
}

@Override
publicvoidonDescriptorReadRequest(BluetoothDevicedevice,intrequestId,
intoffset,BluetoothGattDescriptordescriptor){
super.onDescriptorReadRequest(device,requestId,offset,descriptor);
}

@Override
publicvoidonDescriptorWriteRequest(BluetoothDevicedevice,intrequestId,
BluetoothGattDescriptordescriptor,
booleanpreparedWrite,booleanresponseNeeded,
intoffset,byte[]value){
super.onDescriptorWriteRequest(device,requestId,descriptor,preparedWrite,responseNeeded,
offset,value);
}


@Override
publicvoidonNotificationSent(BluetoothDevicedevice,intstatus){
super.onNotificationSent(device,status);
}

審核編輯：劉清