一文详解 | BLE协议之链路层

一前言
BLE

经过Physical Layer的定义，通信所需的物理通道已经okay了，即40个RF Channel（后面统一使用Physical Channel指代）

此时Link Layer可以粉墨登场了，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：

• 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

• 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

• 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；

二状态（state）和角色（role）的定义

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状态外的任意一种状态。

• Advertising State：广播状态，可以发送，监听，响应广播通道包，由Standby状态进入。

• Scanning State：扫描状态，能够监听广播设备发送的广播包，由Standby状态进入。

• 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状态。该状态由Standby状态进入。

• 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状态。

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。

三空中接口数据包

该章节官方文档定位：Core5.0 P2562

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，这些事情是由一个叫做空中接口数据包（Air Interface Packets）的家伙负责。

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。

包的格式如下：

3.1Preamble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；当前导码为LE 2M PHY时，前导码为2Byte。

格式如下：

3.2Access 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来标识不同的设备，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。

3.2.1静态地址

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。

3.2.2私有地址

私有地址又分为：不可解析私有地址和可解析的私有地址。

① 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

② 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

3.3PDU字段

Air Interface Packets整体的包结构我们已经熟知，下面主要分析以下PDU字段。

PDU：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

3.3.1Advertising 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。

16bit数据头组成如下：

• PDU Type字段的类型有多种，如下：

PDU Type有多种，文章定位：core 5.0 P2567，可自行查阅。

• 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

官方文档定位：core 5.0 P2569

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

  
  

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

LLData域有对应了一些链路层参数的设置，可以详细看Core 5.0 P2578

每一种PDU Type，都会定义自己的Payload组成。

3.3.2Data Channel PDU

数据通道PDU的格式，包括16bit的Header，可变大小的Payload，以及消息完整性检查MIC.

包的格式如下：

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

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。

Opcode操作码也有多种：

每一种操作码对应不同的数据长度。详细可见core5.0 P2589

3.4CRC字段

CRC字段：在链路层包的最后，校验所有的PDU数据，大小长度为3Byte。

如果PDU数据加密，则CRC将会计算加密后的PDU数据。

CRC算法采用多项式求和的形式进行，感兴趣的可以了解。Core 5.0 P2601

四总结

本篇主要讲了BLE的Link Layer，包括链路层定义的角色和状态，空中接口数据包的通信格式以及各个字段的含义，方便我们去分析LOG和定位问题。