BLE有幾種空中包格式？常見的PDU命令有哪些？PDU和MTU的區別是什麽？DLE又是什麽？BLE怎麽實現重傳的？BLE ACK機制原理是什麽？希望這篇文章能幫你回答以上問題。

雖然BLE空中包（packet）涉及BLE協議棧link layer，L2CAP，SMP和ATT等各層次，但link layer跟空中包格式關系最緊密，掌握了BLE packet的格式，就很容易理解BLE link layer協議的工作原理，因此文章取名“詳解BLE空中包格式—兼BLE link layer協議解析”

BLE Packet格式

BLE鏈路層（link layer）只定義了一種packet（空中包）格式，如下所示：

而且PDU（protocol data unit，協議數據單元）前兩個字節固定為LL header（1個字節長）和payload length（1個字節長，又稱data length），即上面的Packet可以展開為：

preamble（前導幀）為1個字節，根據Access Address第一個Bit，有兩種取值情況：0x55或者0xAA（純PHY層行為），如下所示：

Access Address用來標示接收者ID或者空中包身份，如前所示，BLE只有一種packet格式，根據Access Address的不同，又區分兩種Packet類型：廣播包和數據包：

• 廣播包Access Address
  固定為0x8E89BED6，廣播包只能在廣播信道（channel）上傳輸，即只能在37/38/39信道上傳輸。廣播包發送給附近所有的observer（掃描者）。
• 數據包Access Address為一個32bit的隨機值，由Initiator生成。數據包，其實是數據信道上的空中包的簡稱，數據包只在數據信道上傳輸，即除37/38/39之外的其余37信道（BLE總共占用40個信道）。每建立一次連接，重新生成一次Access address。數據包是給連接通信使用的，即用於master和slave之間通信的。

CRC為24bit，初始向量為：

藍牙廣播包

藍牙廣播包，全名藍牙廣播通道（channel）空中包，即在藍牙廣播通道（37/38/39信道（channel））上傳輸的空中包，為兩種空中包的一種，其具體格式如下所示：

Advertising Header即前述的LL header，長度為一個字節，其每bit定義如下所示：

• PDU Type為3bit，具體定義如下。可以看出掃描PDU和發起連接PDU都屬於廣播包。

註：CONNECT_REQ也可寫作CONNECT_IND

• TxAdd/RxAdd，各占1bit，表示隨後的Device Address字段代表的藍牙MAC地址類型，值0代表Public地址，值1代表Random地址。

Payload length定義如下所示，所以廣播包PDU最長37個字節。

Device Address，廣播包中的強制字段，俗稱藍牙MAC地址，如果是廣播包，則是advertiser的MAC地址；如果是scan包或者連接請求包，則是scanner的MAC地址。藍牙device address為6個字節，這樣Advertising data最長為：37-6 = 31B，這就是廣播包數據最長只能31個字節的由來。如前所述，device address分public和random兩種，定義如下所示：

Random device address又有三種類型，定義如下所示：

Advertising data我會另寫一篇文章來詳述，這裏就不再介紹了。

如下為一個完整的真實的廣播包示例，註意：BLE空中包采用小端模式。

• AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
  • AA – 前導幀(preamble)
  • D6BE898E – 訪問地址(access address)
  • 60 – LL幀頭字段(LL header)
  • 0E – 有效數據包長度(payload length)
  • 3B75AB2A02E1 – 廣播者設備地址(advertiser address)
  • 02010504FF590053 – 廣播數據
  • 8EC7B2 – CRC24值

註：上述廣播包是藍牙4.x格式，藍牙5.0廣播包除了包含上述格式外（記住：藍牙5是跟藍牙4.x兼容的！），還有一些新的定義，以後我也會寫一篇關於藍牙5廣播的文章來專門闡述藍牙5擴展廣播包。

藍牙數據通道空中包（數據包）

與藍牙廣播包相對應，藍牙數據包是另一種BLE packet。藍牙數據包是藍牙數據信道空中包的簡稱，表示空中包只在藍牙數據信道上傳輸，即除37/38/39之外的其他37信道。從格式上來說，藍牙數據包分空包（empty packet）和普通數據包（data packet）兩種，空包格式如下。

由圖可見，空包整個payload為空，故名空包。

普通數據包格式如下所示：

Data header，即前述的LL header，在數據包中的定義如下所示：

• LLID（2bits）， link layer ID，對LL PDU進行分類：LL data PDU和LL control PDU。也就是說，普通的數據信道空中包包含LL數據包和LL控制包兩種，具體定義如下所示。請大家註意分清data channel packet（數據信道空中包）和LL data packet（LL數據包）的區別，如前所示data channel packet包含LL data packet和LL control packet，LL data packet只是data channel packet的一種。在不引起上下文歧義的時候，我們把他們統一稱作“數據包”。

Link layer支持如下control PDU：

• NESN/SN，NESN和SN各占1bit。SN全稱為sequence number，表示當前發送的packet編號。NESN，next expected sequence number，用來告知對方下一個期待的packet的編號。Link layer使用SN來告知對方這個packet是新數據包還是重傳包，用NESN來告訴對方你之前發我的包已經收到了（相當於ACK的作用），我現在期待下一個新的數據包了，因此BLE沒有專門的ACK包，它是通過NESN/SN來實現ACK和重傳雙重功能的。請參考如下表格，仔細揣摩NESN和SN是如何編碼的，以同時完成ACK和重傳功能。

我們來分析#3數據包，#3是master發給slave的，那麽#3的NESN和SN是如何確定的呢？其實#3的NESN和SN是通過比較#1和#2的NESN/SN的值來確定的，Master把#1傳完之後，會把#1包的NESN和SN記錄下來，即表格右邊的NESN?和SN?。然後Master會拿SN?跟#2的NESN相比，兩者不等，說明slave已經收到了#1包，並期待master發一個新的包給它，此時Master會把SN?增1，形成#3包的SN，表示這個數據包是一個新包，然後發出去；兩者相等，說明slave沒有收到#1包，此時master需要重傳。Master還會拿NESN?跟#2的SN相比，兩者相等，說明#2包為新包，然後Master會把NESN?增1，形成#3包的NESN發出去，告訴slave我已經收到#2包了並期待你的下一個包；兩者不等，說明#2包為重傳包。註意：大家可以從上述表格發現一個規律，就是同一方向相鄰的兩個數據包，他們的NESN和SN與另一個包的NESN和SN是相反的，比如#3 NESN = #1 #NESN ，#3 SN = #1 #SN ，同樣#2和#4 各自的NESN和SN是相互相反的。

我們可以用下面的流程圖來描述上述過程。

• MD（1bit），more data，用來指示對方我還有數據包要傳，請繼續打開射頻窗口準備接收。比如Nordic nRF51822一個connection interval可以發6個包或者更多的包（也就是說，一個connection event包含多個數據包交互），用的就是MD來實現的。以notify命令為例，設備（Server）notify第一個數據包並將MD置1，Client（比如手機）收到這個notify命令後，就知道Server還有數據包要傳，此時手機可以繼續發一個空包給設備，以讓設備把第二個notify命令發過來，詳情如下所示。註：Master為手機（Client），Slave為設備（Server）。

Payload Length or Data Length，BT4.0/4.1定義如下所示，這就是藍牙4.0/4.1一個包只能傳20個字節的根源。

BT4.2之後，Payload length 8 bits全部用來表示長度，這樣的話，payload size最大可達251字節（255 – MIC size）。BLE連接建立之後，可以動態更改data length長度（默認為27字節），這個特性叫做Data Length Extension（DLE），DLE是通過Link layer命令：LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP來實現的。Data length直接跟藍牙芯片的射頻能力有關，像Nordic的nRF51822只支持BT4.1的Data length，就是因為PHY層已經做死了，無法擴展，但Nordic最新的nRF52832和nRF52840，就都支持DLE，即data length最大可到251字節。

L2CAP length，2字節長度，表示後面information payload的長度，information payload最大長度除了受這個L2CAP length字段約束，同時還受MTU的限制。MTU，Maximum Transmission Unit，是ATT層與L2CAP層可以交互的最大數據長度，或者說是Client與Server可以交互的最大長度。

總結一下，藍牙spec裏面定義了2個長度字段：LL data length和L2CAP length，同時ATT層還定義了一個MTU，以限制ATT PDU最大長度。LL data length可以通過LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP動態改變，MTU size則可以通過後面要講到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response來改變，而L2CAP length無法動態改變，也就是說不能超過65535。

L2CAP CID，2字節長度，邏輯通道的ID，BLE使用固定的通道編號，定義如下所示：

BLE L2CAP Signaling Channel支持的PDU命令只有三個：

• Command reject
• Connection parameter update request，更新連接參數，比如最小連接間隔，最大連接間隔，slave latency等
• Connection parameter update response，接受或者拒絕上面的請求

Security Manager Protocol（SMP）用來實現配對和密鑰分發的，SMP支持如下PDU命令：

Attribute Protocol（ATT），就是我們經常用到的應用層，應用數據就跟在ATT命令後面，ATT支持如下命令列表：

如下為一個完整的真實的數據包示例，註意：BLE空中包采用小端模式。

• AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
  • AA – 前導幀(preamble)
  • 0x50655DAB – 訪問地址(access address)
  • 1E – LL幀頭字段(LL header)
  • 08 – 有效數據包長度(payload length)
  • 04000400 – ATT數據長度，以及L2CAP通道編號
  • 1B – notify command
  • 0x0013 – 電量數據handle
  • 0x53 – 真正要發送的電量數據
  • 0xF650D5 – CRC24值

詳解BLE 空中包格式—兼BLE Link layer協議解析