Android基础-Ble协议简析

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Android基础-Ble协议简析

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协议层次

从下到上分层,通过层层封装,每一层只需要关心特定的、独立的功能,易于实现和维护;

在通信实体内部,下层向上层提供服务,上层是下层的用户;

在通信实体之间,协议仅针对每一层,实体之间的通信,就像每一层之间的通信一样,这样有利于交流、理解、标准化。

协议栈

基于2.4GHz ISM频段的无线通信;

通信速率要求不高,但对功耗极为敏感;

尽量复用已有的BR/EDR技术;

组网方式自由灵活,既可以使用传统蓝牙所使用的“基于连接的星形网络(由1个master和多个slave组成)”,也可以使用“无连接的网状网络(由多个advertiser和多个scanner组成);

参与通信的设备的数量和种类众多,要从应用的角度考虑易于实现、互联互通等特性;

有强烈的安全(security)需求;

协议框架

BLE的协议可分为Bluetooth Application和Bluetooth Core两大部分,而Bluetooth Core又包含BLE Controller和BLE Host两部分

Physical Layer

任何一个通信系统,首先要确定的就是通信介质(物理通道,Physical Channel),BLE也不例外。在BLE协议中,“通信介质”的定义是由Physical Layer(其它通信协议也类似)负责。

Physical Layer是这样描述BLE的通信介质的:

由于BLE属于无线通信,则其通信介质是一定频率范围下的频带资源(Frequency Band);

BLE的市场定位是个体和民用,因此使用免费的ISM频段(频率范围是2.400-2.4835 GHz);

为了同时支持多个设备,将整个频带分为40份,每份的带宽为2MHz,称作RF Channel。

经过上面的定义之后,BLE的物理通道已经出来了,即“频点分别是‘f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39’,带宽为2MHz”的40个RF Channel。

除了物理通道之外,Physical Layer还需要定义RF收发双方的一些其它特性,包括(不影响本文后续的讨论,不用深究):

RF发射相关的特性(Transmitter Characteristics),包括发射功率(Transmission power、调制方式(Modulation),高斯频移键控(Gaussian Frequency Shift Keying ,GFSK)、Spurious Emissions、Radio Frequency Tolerance等等。(不影响本文后续的讨论,不用深究);

RF接收相关的特性(Receiver Characteristics),包括接收灵敏度等。

Link Layer

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。但仅做这些,还远远不够:

首先,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;

其次,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;

再则,Physical Channel是不可靠的,任何数据传输都可能由于干扰等问题二损毁、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;

怎么解决Physical Channel的共享问题

BLE系统只有有限的40个Physical Channel,怎么容纳多个通信实体呢?说来也简单,Link Layer将BLE的通信场景分为两类:

1) 数据量比较少、发送不频繁、对时延不是很敏感的场景

例如一个传感器节点(如温度传感器),需要定时(如1s)向处理中心发送传感器数据(如温度)。

针对这种场景,BLE的Link Layer采取了一种比较懒的处理方式----广播通信:

从40个Physical Channel中选取3个,作为广播通道(advertising channel);

在广播通道上,任何参与者,爱发就发,爱收就收,随便;

所有参与者,共享同一个逻辑传输通道(广播通道),之间的

2)数据量较大、发送频率较高、对时延较敏感的场景

BLE的Link Layer会从剩余的37个Physical Channel中,选取一个,为这种场景里面的通信双方建立单独的通道(data channel)。这就是连接(connection)的过程。

同时,为了增加容量,增大抗干扰能力,连接不会长期使用一个固定的Physical Channel,而是在多个Channel(如37个)之间随机但有规律的切换,这就是BLE的跳频(Hopping)技术。

状态(state)和角色(role)的定义

• Standby State

• Advertising State

• Scanning State

• Initiating State

• Connection State

Standby状态是初始状态,即不发送数据,也不接收数据。根据上层实体的命令(如位于host软件中GAP),可由其它任何一种状态进入,也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态。

Advertising状态是可以通过广播通道发送数据的状态,由Standby状态进入。它广播的数据可以由处于Scanning或者Initiating状态的实体接收。上层实体可通过命令将Advertising状态切换回Standby状态。另外,连接成功后,也可切换为Connection状态。

Scanning状态是可以通过广播通道接收数据的状态,由Standby状态进入。根据Advertiser所广播的数据的类型,有些Scanner还可以主动向Advertiser请求一些额外数据。上层实体可通过命令将Scanning状态切换回Standby状态。

Initiating状态和Scanning状态类似,不过是一种特殊的接收状态,由Standby状态进入,只能接收Advertiser广播的connectable的数据,并在接收到数据后,发送连接请求,以便和Advertiser建立连接。当连接成功后,Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。

Connection状态是和某个实体建立了单独通道的状态,在通道建立之后,由Initiating或者Advertising自动切换而来。通道断开后,会重新回到Standby状态。

通道建立后(通常说“已连接”),处于Connection状态的双方,分别有两种角色Master和Slave:

Initiater方称作Mater;

Advertiser方称作Slave。

Air Interface Protocol

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协议(Air Interface Protocol)的家伙负责,主要思路如下。

定义在Physical Channel上收发的数据包的格式(packet format)

在BLE中,两种类型的Physical Channel(advertising channel和data channel)统一使用一种packet format,如下:

Preamble(1 octet)    Access Address(4 octets)    PDU(2 to 257 octets)    CRC(3 octets)

关于packet format,我们可以关注如下内容:

1)Access Address,用于识别。

2)PDU,BLE在Link Layer的PDU长度最大为257 octets(不知道octets是神马意思?当做bytes就行了)。这决定了上层实体,如L2CAP、Application等,需要拆分、重组才能支持更大数据量的传输。

3)Link Layer总packet长度是9~264bytes。

定义不同类型的PDU及其格式

由5.3小节的描述,Link Layer有5种状态,每种状态下所传输数据的功能不尽相同,基于此,Air Interface Protocol定义出如下的PDU类型

 以白名单(White List)的形式定义Link Layer的数据过滤机制

主要针对广播通道,因为随着通信设备的增多,空中的广播数据将会呈几何级的增长,为了避免资源的浪费(特别是BLE Host),有必要在Link Layer过滤掉一些数据包,例如根据蓝牙地址,过滤掉不是给自己的packet。

执行广播通道上实际的packet收发操作

上层软件只需要定义一些参数,例如:

Advertising State下的Advertising Channel的选择、Advertising的间隔、Advertising PDU的类型等;

Scanning State/Initialing State下的scanWindow、scanInterval等。

Link Layer将会自动发送或者接收数据包。

定义连接建立的方式及过之后的应答、流控等机制

Link Layer Control

经过Air Interface Protocol的抽象,BLE实体已经具备广播通信、点对点连接的建立和释放、点对点通信等基本的能力。除此之外,Link Layer又抽象出来一个链路控制协议(Link Layer Control),用于管理、控制两个Link Layer实体之间所建立的这个Connection,主要功能包括:

更新Connection相关的参数,如transmitWindowSize、transmitWindowOffset、connInterval等等(具体意义这里不再详述);

更新该连接所使用的跳频图谱(使用哪些Physical Channels);

执行链路加密(Encryption)有关的过程。

HCI

定义Host和Controller(通常是两颗IC)之间的通信协议,可基于Uart、USB等物理介质,对理解蓝牙协议来说,是无关紧要的,这里暂不介绍。

L2CAP Protocol

功能介绍

经过Link Layer的抽象之后,两个BLE设备之间可存在两条逻辑上的数据通道:一条是无连接的广播通道,天高任鸟飞;另一条是基于连接的数据通道,是一个点对点(Master对Slave)的逻辑通道。

广播通道暂且不表,这个数据通道(后面简称逻辑通道,Logical Channel),要怎么使用,还需要一番思索,例如:

Logical Channel只有一条,而要利用它传输数据的上层应用却不止一个(例如图片1中的ATT和SMP),怎么复用?

Logical Channel所能传输的有效payload长度最大只有251bytes,怎是否意味着上层应用每次只能传输少于这个长度的数据?(显然不能!)

Logical Channel仅提供了简单的应答和流控机制,如果传输的数据出错怎么办?

以上问题,都是由L2CAP,一个介于应用程序(Profile、Application等)和Link Layer之间的protocol,负责回答,这也是它的缩写(Logical Link Control and Adaptation Protocol)的意义所在。它提供的功能主要包括:

Protocol/channel multiplexing,协议/通道的多路复用;

Segmentation and reassembly,上层应用数据(L2CAP Service Data Units,SDUs)的分割(和重组),生成协议数据单元(L2CAP Packet Data Units,PDUs),以满足用户数据传输对延时的要求,并便于后续的重传、流控等机制的实现;

Flow control per L2CAP channel,基于L2CAP Channel的流控机制;

Error control and retransmissions,错误控制和重传机制;

Support for Streaming,支持流式传输(如音频、视频等,不需要重传或者只需要有限重传);

Fragmentation and Recombination,协议数据单元(PDUs)的分片(和重组),生成符合Link Layer传输要求的数据片(长度不超过251,具体可参考5.4.1中有关的介绍);

Quality of Service,QoS的支持。

Protocol/channel multiplexing

所谓的multiplexing(多路复用),还是很好理解的:

可用于传输用户数据的逻辑链路只有一条,而L2CAP需要服务的上层Profile和Application的数目,肯定远不止这个数量。因此,需要使用多路复用的手段,将这些用户数据map到有限的链路资源上去。

至于multiplexing的手段,简单又直接(称的上“协议”的标配):

数据发送时,将用户数据分割为一定长度的数据包(L2CAP Packet Data Units,PDUs),加上一个包含特定“ID”的header后,通过逻辑链路发送出去。

数据接收时,从逻辑链路接收数据,解析其中的“ID”,并以此判断需要将数据转发给哪个应用。

这里所说的ID,就是多路复用的手段,L2CAP提供两种复用手段:

基于连接的方法(这里的连接为L2CAP connection,不要和Link Layer的connection混淆了)

这里的连接,是指基于L2CAP的应用程序,在通信之前,先建立一个基于Logical Channel的虚拟通道(称作L2CAP channel,和TCP/IP中的端口类似)。L2CAP会为这个通道分配一个编号,称作channel ID(简称CID)。

L2CAP channel建立之后,就可以把CID放到数据包的header中,以达到multiplexing的目的。这些基于CID实现的多路复用,就称作channel multiplexing(基于通道的多路复用)。

Attribute Protocol

由上面章节的描述可知,在BLE协议栈中:Physical Layer负责提供一系列的Physical Channel;基于这些Physical Channel,Link Layer可在两个设备之间建立用于点对点通信的Logical Channel;而L2CAP则将这个Logical Channel换分为一个个的L2CAP Channel,以便提供应用程序级别的通道复用。到此之后,基本协议栈已经构建完毕,应用程序已经可以基于L2CAP欢快的run起来了。

谈起应用程序,就不得不说BLE的初衷----物联网。物联网中传输的数据和传统的互联网有什么区别呢?抛开其它不谈,物联网中最重要、最广泛的一类应用是:信息的采集。

这些信息往往都很简单,如温度、湿度、速度、位置信息、电量、水压、等等。

采集的过程也很简单,节点设备定时的向中心设备汇报信息数据,或者,中心设备在需要的时候主动查询。

基于信息采集的需求,BLE抽象出一个协议:Attribute protocol,该协议将这些“信息”以“Attribute(属性)”的形式抽象出来,并提供一些方法,供远端设备(remote device)读取、修改这些属性的值(Attribute value)。

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Attribute Protocol的主要思路包括:

1)基于L2CAP,使用固定的Channel ID(0x004,具体可参考“图片3”)。

2)采用client-server的形式。提供信息(以后都称作Attribute)的一方称作ATT server(一般是那些传感器节点),访问信息的一方称作ATT client。

3)一个Attribute由Attribute Type、Attribute Handle和Attribute Value组成。

Attribute Type用于标示Attribute的类型,类似于我们常说的“温度”、“湿度”等人类可识别的术语,不过与人类术语不同的是,Attribute Type使用UUID(Universally Unique IDentifier,16-bit、32-bit或者128-bit的数值)区分。

Attribute Handle是一个16-bit的数值,用作唯一识别Attribute server上的所有Attribute。Attribute Handle的存在有如下意义:

        a)一个server上可能存在多个相同type的Attribute,显然,client有区分这些Attribute的需要。

        b)同一类型的多个Attribute,可以组成一个Group,client可以通过这个Group中的起、始handle访问所有的Attributes。

Attribute Value代表Attribute的值,可以是任何固定长度或者可变长度的octet array(理解为字节类型的数组即可)。

4)Attribute可以定义一些权限(Permissions),以便server控制client的访问行为,包括:

访问有关的权限(access permissions),Readable、Writeable以及Readable and writable;

加密有关的权限(encryption permissions),Encryption required和No encryption required;

认证有关的权限(authentication permissions),Authentication Required和No Authentication Required;

授权有关的权限(authorization permissions),Authorization Required和No Authorization Required。

5)根据所定义的Attribute PDU的不同,client可以对server有多种访问方式,包括:

Find Information,获取Attribute type和Attribute Handle的对应关系;

Reading Attributes,有Read by type、Read by handle、Read by blob(只读取部分信息)、Read Multiple(读取多个handle的value)等方式;

Writing Attributes,包括需要应答的writing、不需要应答的w

Generic Attribute Profile

功能介绍

ATT之所以称作“protocol”,是因为它还比较抽象,仅仅定义了一套机制,允许client和server通过Attribute的形式共享信息。而具体共享哪些信息,ATT并不关心,这是GATT(Generic Attribute Profile)的主场。

GATT相对ATT只多了一个‘G‘,但含义却大不同,因为GATT是一个profile(更准确的说是profile framework)。

在蓝牙协议中,profile一直是一个比较抽象的概念,我们可以将其理解为“应用场景、功能、使用方式”都被规定好的Application。传统的BR/EDR如此,BLE更甚。上面我们讲过,BLE很大一部分的应用场景是信息(Attribute)的共享,因此,BLE协议栈基于Attribute Protocol,定义了一个称作GATT(Generic Attribute)的profile framework(它本身也是一个profile),用于提供通用的、信息的存储和共享等功能。

层次结构

作为一个Profile framework,GATT profile提出了如下的层次结构:

由上面图片可知,GATT profile的层次结构依次是:Profile—>Service—>characteristic。

“Profile”是基于GATT所派生出的真正的Profile,位于GATT Profile hierarchy的最顶层,由一个或者多个和某一应用场景有关的Service组成。

一个Service包含一个或者多个Characteristic(特征),也可以通过Include的方式,包含其它Service。

Characteristic则是GATT profile中最基本的数据单位,由一个Properties、一个Value、一个或者多个Descriptor组成。

Characteristic Properties定义了characteristic的Value如何被使用,以及characteristic的Descriptor如何被访问。

Characteristic Value是特征的实际值,例如一个温度特征,其Characteristic Value就是温度值就。

Characteristic Descriptor则保存了一些和Characteristic Value相关的信息(比较抽象,后续文章会根据实例做进一步的理解)。

以上除“Profile”外的每一个定义,Service、Characteristic、Characteristic Properties、Characteristic Value、Characteristic Descriptor等等,都是作为一个Attribute存在的,具备第8章所描述的Attribute的所有特征:Attribute

Handle、Attribute Types、Attribute Value和AttributePermissions。

Security Manager(SM)

Security Manager负责BLE通信中有关安全的内容(毫无疑问,在物联网时代,安全变得更重要,谁也不想卧室的灯在深夜的时候会无缘无故的亮吧),包括配对(pairing,)、认证(authentication)和加密(encryption)等过程。

该部分的内容比较独立,这里先不过多介绍,后面会有单独的分析文章。

Generic Access Profile(GAP)

上面7到10章的内容,都是和基于连接的data channel有关,至于无连接的advertising channel,以及连接建立的过程,好像被我们忽略了。虽然Link Layer已经做出了定义(具体可参考第5章的介绍),但它们并没有体现到Application(或者Profile)层面,毕竟Link layer太底层了。

因此,BLE协议栈定义了一个称作Generic Access(通用访问)的profile,以实现如下功能:

1)定义GAP层的蓝牙设备角色(role)

和5.3中的Link Layer的role类似,只不过GAP层的role更接近用户(可以等同于从用户的角度看到的蓝牙设备的role),包括:

Broadcaster Role,设备正在发送advertising events;

Observer Role,设备正在接收advertising events;

Peripheral Role,设备接受Link Layer连接(对应Link Layer的slave角色);

Central Role,设备发起Link Layer连接(对应Link Layer的master角色)。

2)定义GAP层的、用于实现各种通信的操作模式(Operational Mode)和过程(Procedures),包括:

Broadcast mode and observation procedure,实现单向的、无连接的通信方式;

Discovery modes and procedures,实现蓝牙设备的发现操作;

Connection modes and procedures,实现蓝牙设备的连接操作;

Bonding modes and procedures,实现蓝牙设备的配对操作。

3)定义User Interface有关的蓝牙参数,包括:

蓝牙地址(Bluetooth Device Address);

蓝牙名称(Bluetooth Device Name);

蓝牙的pincode(Bluetooth Passkey);

蓝牙的class(Class of Device,和发射功率有关);

等等。

4)Security有关的定义,暂不介绍

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