【Bluetooth蓝牙开发】三、一篇文章，带你总览蓝牙协议

【Bluetooth|蓝牙开发】三、一篇文章，带你总览蓝牙协议 #

1、前言 #

在我们上一章节，学习了蓝牙的基础概念，发展历程，以及常见的蓝牙架构，相信大家对蓝牙也有了一定的了解！

为了更好的去踏入蓝牙开发的大门，蓝牙协议栈是一个我们不得不去跨越的门槛！

蓝牙协议及其复杂，并非一文能够道尽，本篇文章主要在于对蓝牙整体的协议架构进行梳理，文末官方协议附下载链接。

 

2、蓝牙芯片架构 #

蓝牙的核心架构，由一个Host和一个或多个Controller组成。

  • BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
  • BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

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Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

  • BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
  • LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
  • BR/EDR & LE Controller ：BR/EDR与LE的组合的控制器
  • MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替代的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

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根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种架构：

  • 单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
  • 双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

如下图：

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3、蓝牙协议架构——视角1 #

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==上图为官方协议中所提及的图片，由全局到局部来看==

3.1 全局分析 #

由下到上分析

Controller：

  • BR/EDR Controller：由BR/EDR Radio、Link Controller、Link Manager组成
  • LE Controller：由 LE Radio 、Link Controller、Link Manager组成
  • AMP Controller：由, AMP PHY 、AMP MAC, 、AMP PAL组成

Host：

  • BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 组成
  • LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成

 

5.3.2 局部分析 #

由上到下分析

Host层 #

  • Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协议和应用数据的传输。
  • L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的正确提交。
  • Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
  • Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
  • AMP Manager Protocol：直接使用L2CAP与远程设备通信。
  • Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性，用于LE设备
  • Generic Access Profile：GAP，标识了基础的蓝牙设备的通用功能

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Controller层 #

  • Device Manager：控制蓝牙设备的通用行为，负责与蓝牙通信过程中，所有的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
  • Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
  • Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责所有的访问无线电媒体
  • Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包
  • PHY：物理层，主要负责发送，接收物理通道的信息包

以上为官方手册提供的视图，Host通过HCI（Host Controll Interface）接口，来控制Controller执行相应的动作。

 

4、蓝牙协议架构——视角2 #

下面是参考网上的一位博主的文章，写的较为详细，遂分享出来。

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以上架构图，将蓝牙协议分为了HW层，Transport层，Host层。

 

4.1 HW层——蓝牙芯片层 #

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包括以下几个部分：

  • RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。

  • BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。

  • LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作

  • HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，并且接收到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。

  • BLE PHY：BLE的物理层，通信通道的划分。

  • BLE LL：BLE的链路层，对通信通道的复用以及逻辑划分。

 

4.2 Transport——数据传输层 #

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，并且接收Controller层的数据。

该部分有几个协议：

  • H2：基于USB的传输
  • H4：基于UART的传输，最简单的传输方式，只在HCI raw data前面加上一个type，基于流控
  • H5: 基于UART的传输，普通模式下即可传输。
  • BCSP: 基于UART的传输
  • SDIO ：基于SDIO的传输

H4需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；而H5只需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。

 

4.3 HOST——协议层 #

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包括多个协议：

  • L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，并提供协议复用和服务质量交换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务

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  • SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用程序提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。

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  • RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM

  • OBEX：对象交换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX

  • HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议

  • HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，目前已经没有产品在用这个了吧，至少我没有看到了。算是一个简化版的HFP。

  • SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议

  • IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能的人肯定接触过这块，有需要这块的私下联系我

  • PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议

  • MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议

  • HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有很多广泛的用途的，比如蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。

  • A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议

  • SM: 蓝牙BLE安全管理协议

  • GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。

    • 对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包括无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议功能。
    • 对于LE，它定义一个物理层，链路层，L2CAP，安全管理器，属性协议和通用属性配置文件。

    它联系了所有的不同的层之间的交互，也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。

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  • ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集 ，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。
  • GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，描述了一种使用ATT的服务框架 ，该框架定义了数据交换的格式。

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5、总结时刻 #

蓝牙芯片的架构：根据Host与Controller的结合关系，可以分为单模芯片和双模芯片。

蓝牙协议的架构：蓝牙协议分为三层，即：Host层，Transport层，Controller层。每一层又由多种不同的协议组成。

本篇文章先进行初步了解，后续会逐步深入讲解！

 

6、参考文章&下载地址 #

[1]：参考文章

[2]：蓝牙协议下载地址

 

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