轉自http://www.wowotech.net/bluetooth/bt_protocol_arch.html

1. 前言

本文是藍芽解析的第二篇文章，在part1的基礎上，從整體架構的角度，瞭解藍芽協議的組成，以便加深對藍芽的理解。

2. 協議層次

藍芽協議是通訊協議的一種，為了把複雜問題簡單化，任何通訊協議都具有層次性，特點如下：

從下到上分層，通過層層封裝，每一層只需要關心特定的、獨立的功能，易於實現和維護；

在通訊實體內部，下層向上層提供服務，上層是下層的使用者；

在通訊實體之間，協議僅針對每一層，實體之間的通訊，就像每一層之間的通訊一樣，這樣有利於交流、理解、標準化。

藍芽協議也不例外，其協議層次如下：

從OSI（Open System Interconnection）模型的角度看，藍芽是一個比較簡單的協議，它僅僅提供了物理層（Physical Layer）和資料鏈路層（Data Link Layer ）兩個OSI層次。但由於藍芽協議的特殊性、歷史演化因素等原因，其協議層次又顯的不簡單，甚至晦澀難懂（如上面圖片所示的Physical Link、Logical Transport等）。

藍芽協議分為四個層次：物理層（Physical Layer）、邏輯層（Logical Layer）、L2CAP Layer和應用層（APP Layer）。

物理層，負責提供資料傳輸的物理通道（通常稱為通道）。通常情況下，一個通訊系統中存在幾種不同型別的通道，如控制通道、資料通道、語音通道等等。

邏輯層，在物理層的基礎上，提供兩個或多個裝置之間、和物理無關的邏輯傳輸通道（也稱作邏輯鏈路）。

L2CAP層，L2CAP是邏輯鏈路控制和適配協議（Logical Link Control and Adaptation Protocol）的縮寫，負責管理邏輯層提供的邏輯鏈路。基於該協議，不同Application可共享同一個邏輯鏈路。類似TCP/IP中埠（port）的概念。

APP層，理解藍芽協議中的應用層，基於L2CAP提供的channel，實現各種各樣的應用功能。Profile是藍芽協議的特有概念，為了實現不同平臺下的不同裝置的互聯互通，藍芽協議不止規定了核心規範（稱作Bluetooth core），也為各種不同的應用場景，定義了各種Application規範，這些應用層規範稱作藍芽profile。

在以上四個層次的基礎上，藍芽協議又將物理層和邏輯層劃分了子層，分別是Physical Channel/Physical Links和Logical Transports/Logical Links，這一劃分，相當使人崩潰，要多花費大量的腦細胞去理解它們，具體請參考下面的分析。

2.1 物理層

物理層負責提供資料傳輸的物理通道，藍芽的物理層分為Physical Channel和Physical Links兩個子層。我們先介紹Physical Channel。

2.1.1 Physical Channel（物理通道）

一個通訊系統中通常存在多種型別的物理通道，藍芽也不例外。另外，由“藍芽協議分析(1)_基本概念”的介紹可知，藍芽存在BR/EDR、LE和AMP三種技術，這三種技術在物理層的實現就有很大的差異，下面讓我們一一介紹。

首先是相同點，BR/EDR、LE和AMP的RF都使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 頻段，頻率範圍是2.400-2.4835 GHz。

注1：不同國家和地區藍芽的頻率和通道分配情況是不同，本文所有的描述都以中國採用的“歐洲和美國”標準為準。

除了相同點，剩下的都是不同點了。

BR/EDR是傳統的藍芽技術，它這樣定義物理通道：

1）ISM頻率範圍內被分成79個channel，每一個channel佔用1M的頻寬，在0 channel和78 channel之外設立guard band（保護頻寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。

2）採用跳頻技術（hopping），也就是說，某一個物理通道，並不是固定的佔用79個channel中的某一個，而是以一定的規律在跳動（該規律在技術上叫做"偽隨機碼"，就是"假"的隨機碼）。因此藍芽的物理通道，也可以稱作跳頻通道（hopping channel）。

3）BR/EDR技術定義了5種物理通道（跳頻通道），BR/EDR Basic Piconet Physical Channel、BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel、BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel和BR/EDR Synchronization Scan Channel。

4）BR/EDR Page Scan Physical Channel用於藍芽裝置的發現操作（discovery），即我們常用的搜尋其它藍芽裝置（discover）以及被其它藍芽裝置搜尋（discoverable）。

5）BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel用於藍芽裝置的連線操作（connect），即我們常用的連線其它藍芽裝置（connect）以及被其它藍芽裝置連線（connectable）。

6）BR/EDR  Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR  Adapted Piconet Physical Channel主要用在處於連線狀態的藍芽裝置之間的通訊。它們的區別是，BR/EDR  Adapted Piconet Physical Channel使用較少的RF跳頻點。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79個跳頻點，而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根據當前的通道情況使用79個跳頻點中的子集，但是跳頻數目也不能少於20個。這個主要是因為藍芽使用ISM頻段，當藍芽和WIFI共存的時候，部分跳頻點被WIFI裝置佔用而使得藍芽裝置在這些跳頻點上的通訊總是失敗，因此，需要避過那些WIFI裝置佔用的頻點。

7）BR/EDR Synchronization Scan Channel可用於無連線的廣播通訊，後續文章會詳細介紹。

8）同一時刻，BT 裝置只能在其中一個物理通道上通訊，為了支援多個並行的操作，藍芽系統採用時分方式，即不同的時間點採用不同的通道。

LE是為藍芽低功耗而生的技術，為了實現低功耗的目標，其物理通道的定義與BR/EDR有些差異：

1）ISM頻率範圍內被分成40個channel，每一個channel佔用2M的頻寬，在0 channel和39 channel之外設立guard band（保護頻寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。

2）LE技術定義了2種物理通道，LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。

3）LE Piconet Channel用在處於連線狀態的藍芽裝置之間的通訊，和BR/EDR一樣，採用調頻技術。和BR/EDR不一樣的地方是，只會在40個頻率channel中的37個上面跳頻。

4）LE Advertisement Broadcast Channel用於在裝置間進行無連線的廣播通訊，這些廣播通訊可用於藍芽的裝置的發現、連線（和BR/EDR類似）操作，也可用於無連線的資料傳輸。

8）和BR/EDR一樣，同一時刻，BT 裝置只能在其中一個物理通道上通訊，為了支援多個並行的操作，藍芽系統採用時分方式，即不同的時間點採用不同的通道。

AMP是為高速資料傳輸設計的技術，其物理層規範直接採用802.11（WIFI）的PHY規範，主要有如下特點：

AMP物理通道只有一種，即AMP Physical Channel，主要用於已連線裝置之間的資料通訊，和BR/EDR技術中的BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel位於一個級別，可以互相切換使用。

2.1.2 Physical Links（物理鏈路）

由2.1.1的描述可知，藍芽協議為BR/EDR、LE和AMP三種技術定義了8種類型的物理通道，包括：

AMP physical channel

BR/EDR Basic Piconet Physical Channel 
BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel 
BR/EDR Page Scan Physical Channel 
BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel 
BR/EDR Synchronization Scan Channel

LE Piconet Channel 
LE Advertisement Broadcast Channel

而物理鏈路，則是對這些物理通道（主要是BR/EDR技術中的Basic Piconet Physical Channel和Adapted Piconet Physical Channel）的進一步封裝，其主要特徵是（可參考2.5中的圖片以輔助理解）：

1）Physical Link是一個虛擬概念，不對應協議中任何的實體，資料包封包/解包的過程中不被體現。

2）AMP Physical Channel、LE Piconet Channel、LE Advertisement Broadcast Channel均有一個一一對應的Physical Link，分別是AMP Physical Link、LE Active Physical Link、LE Advertising Physical Channel。

3）BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel、BR/EDR Synchronization Scan Channel只在特定時間段使用，且無法控制任何屬性，因此不需要再Physical Link中體現。

4）BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是BR/EDR技術中已連線裝置之間進行資料通訊的通道，且同一時刻只能根據應用場景選擇一種channel進行資料傳輸。因此這兩個channel被map到BR/EDR Active Physical Link、BR/EDR Parked Physical Link和BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link三個物理鏈路上。

5）BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有兩個方面的意義： 
        5-1）遮蔽底層的Basic/Adapted Piconet Physical Channel之間的差異，統一使用Physical Link取代。在需要的時候，可以通過上層的鏈路管理協議，指定使用哪一種physical channel（Basic or Adapted）。 
        5-2）可以通過Physical Link的抽象，控制Physical Channel的一些屬性（如發射功率、收發週期等），以達到節省功耗的目的。而上面的層次（如邏輯層）不需要對這些動作知情。

6）BR/EDR Active Physical Link定義了連線狀態的藍芽裝置在鏈路處於active狀態時的物理鏈路，該物理鏈路對應的裝置的發射功率是可修改的。

7）BR/EDR Parked Physical Link定義了連線狀態的藍芽裝置在鏈路處於parked狀態時的物理鏈路。parked狀態是一種特殊的連線狀態，連線雙方沒有正在進行的資料傳輸，所有的鏈路消耗，都是為保持連線所做的事情。此時可以通過降低在物理通道上的收發頻率而降低功耗。該物理鏈路和BR/EDR Active Physical Link使用相同的物理通道。

8）BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link使用BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel，用於一點到多點的廣播通訊。

9）由上面的描述可知，物理鏈路這一層抽象，實在是可有可無，希望大家不要糾結，知道怎麼回事即可。

2.2 邏輯層

邏輯層的主要功能，是在已連線（LE Advertisement Broadcast可以看做一類特殊的連線）的藍芽裝置之間，基於物理鏈路，建立邏輯通道。所謂的邏輯通道，和城市道路上的車道類似：

一條城市道路可以看做一個物理鏈路（可能有兩個方向，我們只考慮其中一個即可），該物理鏈路根據行車用途，可以劃分為多個邏輯通道，如直行車道、右轉車道、左轉車道、掉頭車道、快速車道、慢速車道等等。

這裡的車道（邏輯通道），從物理角度看，並沒有什麼分別，只是為了方便交通（資料傳輸），人為的抽象出來的。和車道類似，藍芽邏輯通道的劃分依據是傳輸型別，主要包括下面3類（即Logical Link）：

1）用於管理底層物理鏈路的控制類傳輸，包括AMP-C、ACL-C、PSB-C、LE-C、ADVB-C。

2）傳輸使用者資料的使用者類傳輸，包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。

3）其它比較特殊的傳輸型別，包括流式傳輸（stream）、PBD（Profile Broadcast Data）。

以上每種Logic Link都會在下層對應一個Logical Transport，這些Logical Transport具有一些屬性值，如流控、應答/重傳機制等。如下：

AMP ACL（Asynchronous Connection-Oriented Link），基於AMP技術的、面前連線的、非同步傳輸鏈路，為AMP-U提供服務。

BR/EDR ACL，基於BR/EDR技術的ACL鏈路，為ACL-C、ACL-U提供服務。

SCO/eSCO（Synchronous Connection-Oriented/Extended SCO），基於BR/EDR技術的、面向連線的、同步傳輸鏈路，為stream型別的Logical Link提供服務。

ASB（Active Slave Broadcast）、PSB（Parked Slave Broadcast），基於BR/EDR技術的、面向連線的廣播傳輸鏈路，為ACL-U、PSB-U、PSB-C提供服務。

CSB（Connectionless Slave Broadcast），基於BR/EDR技術的、無連線的廣播鏈路，為PBD提供服務。

LE ACL，基於LE技術的、面前連線的、非同步傳輸鏈路，為LE-U、LE-C提供服務。

ADVB（Advertising Broadcast），基於LE技術的、廣告/廣播鏈路，為ADVB-U、ADVB-C提供服務。

注2：AMP-C沒有對應的Logical Transport，而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。

注3：藍芽邏輯層的抽象也是讓人醉了！還是那句話，不要逼自己去理解一個瘋子的行為，不然自己也會瘋的。

2.3 L2CAP Channels

L2CAP是Logical Link Control and Adaptation Protocol（邏輯鏈路控制和適配協議）的縮寫，藍芽協議到這個層次的時候，就清爽多了：

對下，它在使用者類XXX-U Logical Link的基礎上，抽象出和具體技術無關的資料傳輸通道（包括單播和廣播兩類），至此使用者就不再需要關心繁雜的藍芽技術細節。

對上，它以L2CAP channel endpoints的概念（類似TCP/IP中的埠），為具體的應用程式（profile）提供獨立的資料傳輸通道（當然，也是一個邏輯通道）。

2.4 Profiles

profile是藍芽Application的代指，也可以翻譯為服務，為了實現不同平臺下的不同裝置的互聯互通，藍芽協議為各種可能的、有通用意義的應用場景，都制定的了規範，如SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等等。

Profiles基於L2CAP提供的L2CAP channel endpoints實現，在它們對應的層次上進行資料通訊，以完成所需功能。有關藍芽profile的介紹，會在後續文章中陸續給出，這裡就不再詳細說明了。

2.5 總結

下面圖片包含上面各個層次（除了APP layer）中涉及到的一些實體、概念以及相互關係，供大家參考。

摘錄自：Core_v4.2.pdf---->Vol1: Architecture & Terminology Overview---->Part A: Architecture---->3 DATA TRANSPORT ARCHITECTURE---->3.2 TRANSPORT ARCHITECTURE ENTITIES

3. 藍芽核心框架

藍芽規範有兩類：一類是藍芽核心規範，由Bluetooth Core Specification定義，囊括到L2CAP層，以及相關的核心profile；另一類是藍芽Application規範，包含了各種各樣的profile規範（具體可參考“https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications”中的列表）。

藍芽核心規範所定義的框架如下：

摘錄自：Core_v4.2.pdf ---->Vol1: Architecture & Terminology Overview---->Part A: Architecture---->2 CORE SYSTEM ARCHITECTURE

經過第2章協議層次的介紹，藍芽核心框架已經比較容易理解了，這裡對層次中各個模組做一個簡單的說明，更為詳細的分析，請參考後續的文章。

1）BR/EDR Radio & LE Radio & AMP PHY

藍芽RF層（物理層），包括BR/EDR、LE以及AMP三種。負責在物理channel上收發藍芽packet。

對BR/EDR和LE RF來說，還會接收來自Baseband的控制命令來控制RF頻率的選擇和timing。

AMP PHY使用802.11（WIFI）的規範，本文不再詳細介紹，後續有關AMP的內容，也不過多涉及。

2）Link Controller & Baseband resource management

Link Controller和Baseband resource management組成了藍芽的基帶（baseband）。

Link Controller負責鏈路控制，主要是根據當前物理channel的引數、邏輯channel的引數、邏輯transport的引數將資料payload組裝成bluetooth packet。另外，通過Link Control Protocol（對LE來說是LL Layer Protocol），可以實現流控、ack、重傳等機制。

Baseband resource management，主要用於管理RF資源。

3）Link Manager

Link Manager主要負責建立、修改、釋放藍芽邏輯連線（Logical Link），同時也負責維護藍芽裝置之間物理連線（Physical Link）的引數。它的功能主要是通過Link Management Protocol（LMP，for BR/EDR）和Link Layer Protocol（LL，for LE）完成。

4）Device Manager

Device Manager主要負責控制藍芽裝置的通用行為（藍芽資料傳輸除外的行為），主要是：

搜尋附近的藍芽裝置

連線到其他的藍芽裝置

使得本地的藍芽裝置connectable和discoverable

控制本地藍芽裝置的屬性（例如本地藍芽裝置的名字、link key等）

5）HCI（Host Controller Interface）

我們在“藍芽協議分析(1)_基本概念”介紹過，藍芽系統分為Bluetooth Controller和Bluetooth Host兩個大的block。它們之間通過HCI介面以HCI協議進行通訊。

6）L2CAP

L2CAP位於Bluetooth Host中，包括兩個子模組：

Channel Manager主要負責建立、管理、釋放L2CAP channel。

L2CAP Resource Manager負責統一管理、排程L2CAP channel上傳遞的PDU（Packet Data Unit），以確保那些高QoS的packet可以獲得對物理通道的控制權。

7）SMP（Security Manager Protocol）

SMP是一個點對點的協議，基於專用的L2CAP channel，用於生成加密（encryption）和識別（identity）用的密匙（keys）。

8）SDP（Service Discover Protocol）

SDP也是一個點對點的協議，基於專用的L2CAP channel，用於發現其它藍芽裝置能提供哪些profile以及這些profile有何特性。在瞭解清楚了其他藍芽裝置的profile以及特性之後，本藍芽裝置可以發起對自己感興趣的藍芽profile的連線動作。

9）AMP Manager

基於L2CAP channel，和對端的AMP manager互動，用於發現對方是否具備AMP功能，以及收集用於建立AMP物理鏈路的資訊。

10）GAP（Generic Access Profile）

GAP是一個基礎的藍芽profile，用於提供藍芽裝置的通用訪問功能，包括裝置發現、連線、鑑權、服務發現等等。

GAP 是所有其它應用模型的基礎，它定義了在 Bluetooth 裝置間建立基帶鏈路的通用方法。還定義了一些通用的操作，這些操作可供引用 GAP 的應用模型以及實施多個應用模型的裝置使用。GAP 確保了兩個 藍芽裝置（不管制造商和應用程式）可以通過 Bluetooth 技術交換資訊，以發現彼此支援的應用程式。

4. 參考文件

[1]: Core_v4.2.pdf

[2]: https://www.bluetooth.org/en-us/Documents/Bluetooth4-2FAQ.pdf

[3]: https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications

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