BLE協議棧為什麼要分層？怎麼理解BLE“連線”？如果BLE協議只有ATT層沒有GATT層會發生什麼？

協議棧框架

 一般而言，我們把某個協議的實現程式碼稱為協議棧（protocol stack），BLE協議棧就是實現低功耗藍芽協議的程式碼，理解和掌握BLE協議是實現BLE協議棧的前提。在深入BLE協議棧各個組成部分之前，我們先看一下BLE協議棧整體架構。

 如上圖所述，要實現一個BLE應用，首先需要一個支援BLE射頻的晶片，然後還需要提供一個與此晶片配套的BLE協議棧，最後在協議棧上開發自己的應用。可以看出BLE協議棧是連線晶片和應用的橋樑，是實現整個BLE應用的關鍵。那BLE協議棧具體包含哪些功能呢？簡單來說，BLE協議棧主要用來對你的應用資料進行層層封包，以生成一個滿足BLE協議的空中資料包，也就是說，把應用資料包裹在一系列的幀頭（header）和幀尾（tail）中。具體來說，BLE協議棧主要由如下幾部分組成：

• PHY層（Physical layer物理層）。PHY層用來指定BLE所用的無線頻段，調製解調方式和方法等。PHY層做得好不好，直接決定整個BLE晶片的功耗，靈敏度以及selectivity等射頻指標。
• LL層（Link Layer鏈路層）。LL層是整個BLE協議棧的核心，也是BLE協議棧的難點和重點。像Nordic的BLE協議棧能同時支援20個link（連線），就是LL層的功勞。LL層要做的事情非常多，比如具體選擇哪個射頻通道進行通訊，怎麼識別空中資料包，具體在哪個時間點把資料包傳送出去，怎麼保證資料的完整性，ACK如何接收，如何進行重傳，以及如何對鏈路進行管理和控制等等。LL層只負責把資料發出去或者收回來，對資料進行怎樣的解析則交給上面的GAP或者GATT。
• HCI（Host controller interface）。HCI是可選的（具體請參考文章： 三種藍芽架構實現方案（藍芽協議棧方案）），HCI主要用於2顆晶片實現BLE協議棧的場合，用來規範兩者之間的通訊協議和通訊命令等。
• GAP層（Generic access profile）。GAP是對LL層payload（有效資料包）如何進行解析的兩種方式中的一種，而且是最簡單的那一種。GAP簡單的對LL payload進行一些規範和定義，因此GAP能實現的功能極其有限。GAP目前主要用來進行廣播，掃描和發起連線等。
• L2CAP層（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP對LL進行了一次簡單封裝，LL只關心傳輸的資料本身，L2CAP就要區分是加密通道還是普通通道，同時還要對連線間隔進行管理。
• SMP（Secure manager protocol）。SMP用來管理BLE連線的加密和安全的，如何保證連線的安全性，同時不影響使用者的體驗，這些都是SMP要考慮的工作。
• ATT（Attribute protocol）。簡單來說，ATT層用來定義使用者命令及命令操作的資料，比如讀取某個資料或者寫某個資料。BLE協議棧中，開發者接觸最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用來描述一條一條的資料。Attribute除了定義資料，同時定義該資料可以使用的ATT命令，因此這一層被稱為ATT層。
• GATT（Generic attribute profile ）。GATT用來規範attribute中的資料內容，並運用group（分組）的概念對attribute進行分類管理。沒有GATT，BLE協議棧也能跑，但互聯互通就會出問題，也正是因為有了GATT和各種各樣的應用profile，BLE擺脫了ZigBee等無線協議的相容性困境，成了出貨量最大的2.4G無線通訊產品。

 我相信很多人看了上面的介紹，還是不懂BLE協議棧的工作原理，以及每一層具體幹什麼的，為什麼要這麼分層。下面我以如何傳送一個數據包為例來講解BLE協議棧各層是如何緊密配合，以完成傳送任務的。

如何通過無線傳送一個數據包

 假設有裝置A和裝置B，裝置A要把自己目前的電量狀態83%（十六進位制表示為0x53）發給裝置B，該怎麼做呢？作為一個開發者，他希望越簡單越好，對他而言，他希望呼叫一個簡單的API就能完成這件事，比如send(0x53)，實際上我們的BLE協議棧就是這樣設計的，開發者只需呼叫send(0x53)就可以把資料傳送出去了，其餘的事情BLE協議棧幫你搞定。很多人會想，BLE協議棧是不是直接在物理層就把0x53發出去，就如下圖所示：

 這種方式初看起來挺美的，但由於很多細節沒有考慮到，實際是不可行的。首先，它沒有考慮用哪一個射頻通道來進行傳輸，在不更改API的情況下，我們只能對協議棧進行分層，為此引入LL層，開發者還是呼叫send(0x53)，send(0x53)再呼叫send_LL(0x53,2402M)（注：2402M為通道頻率）。這裡還有一個問題，裝置B怎麼知道這個資料包是發給自己的還是其他人的，為此BLE引入access address概念，用來指明接收者身份，其中，0x8E89BED6這個access address比較特殊，它表示要發給周邊所有裝置，即廣播。如果你要一對一的進行通訊（BLE協議將其稱為連線），即裝置A的資料包只能裝置B接收，同樣裝置B的資料包只能裝置A接收，那麼就必須生成一個獨特的隨機access address以標識裝置A和裝置B兩者之間的連線。

廣播方式–傳送資料

 我們先來看一下簡單的廣播情況，這種情況下，我們把裝置A叫advertiser（廣播者），裝置B叫scanner或者observer（掃描者）。廣播狀態下裝置A的LL層API將變成send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)。由於裝置B可以同時接收到很多裝置的廣播，因此資料包還必須包含裝置A的device address（0xE1022AAB753B）以確認該廣播包來自裝置A，為此send_LL引數需要變成(0x53,2402M, 0x8E89BED6, 0xE1022AAB753B)。LL層還要檢查資料的完整性，即資料在傳輸過程中有沒有發生竄改，為此引入CRC24對資料包進行檢驗 (假設為0xB2C78E) 。同時為了調製解調電路工作更高效，每一個數據包的最前面會加上1個位元組的preamble（前導幀），preamble一般為0x55或者0xAA。這樣，整個空中包就變成（注：空中包用小端模式表示！）：

上面這個資料包還有如下問題：

• 沒有對資料包進行分類組織，裝置B無法找到自己想要的資料0x53。為此我們需要在access address之後加入兩個欄位：LL header和長度位元組。LL header用來表示資料包的LL型別，長度位元組用來指明payload的長度
• 裝置B什麼時候開啟射頻視窗以接收空中資料包？如上圖case1所示，當裝置A的資料包在空中傳輸的時候，裝置B把接收視窗關閉，此時通訊將失敗；同樣對case2來說，當裝置A沒有在空中傳送資料包時，裝置B把接收視窗開啟，此時通訊也將失敗。只有case3的情況，通訊才能成功，即裝置A的資料包在空中傳輸時，裝置B正好開啟射頻接收視窗，此時通訊才能成功，換句話說，LL層還必須定義通訊時序。
• 當裝置B拿到資料0x53後，該如何解析這個資料呢？它到底表示溼度還是電量，還是別的意思？這個就是GAP層要做的工作，GAP層引入了LTV（Length-Type-Value）結構來定義資料，比如020105，02-長度，01-型別（強制欄位，表示廣播flag，廣播包必須包含該欄位），05-值。由於廣播包最大隻能為31個位元組，它能定義的資料型別極其有限，像這裡說的電量，GAP就沒有定義，因此要通過廣播方式把電量資料發出去，只能使用供應商自定義資料型別0xFF，即04FF590053，其中04表示長度，FF表示資料型別（自定義資料），0x0059是供應商ID（自定義資料中的強制欄位），0x53就是我們的資料(裝置雙方約定0x53就是表示電量，而不是其他意思)。

最終空中傳輸的資料包將變成：

• AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
  • AA – 前導幀(preamble)
  • D6BE898E – 訪問地址(access address)
  • 60 – LL幀頭欄位(LL header)
  • 0E – 有效資料包長度(payload length)
  • 3B75AB2A02E1 – 廣播者裝置地址(advertiser address)
  • 02010504FF590053 – 廣播資料
  • 8EC7B2 – CRC24值

有了PHY，LL和GAP，就可以傳送廣播包了，但廣播包攜帶的資訊極其有限，而且還有如下幾大限制：

• 無法進行一對一雙向通訊 （廣播是一對多通訊，而且是單方向的通訊）
• 由於不支援組包和拆包，因此無法傳輸大資料
• 通訊不可靠及效率低下。廣播通道不能太多，否則將導致掃描端效率低下。為此，BLE只使用37(2402MHz) /38(2426MHz) /39(2480MHz)三個通道進行廣播和掃描，因此廣播不支援跳頻。由於廣播是一對多的，所以廣播也無法支援ACK。這些都使廣播通訊變得不可靠。
• 掃描端功耗高。由於掃描端不知道裝置端何時廣播，也不知道裝置端選用哪個頻道進行廣播，掃描端只能拉長掃描視窗時間，並同時對37/38/39三個通道進行掃描，這樣功耗就會比較高。

而連線則可以很好解決上述問題，下面我們就來看看連線是如何將0x53傳送出去的。

連線方式–傳送資料

 到底什麼叫連線(connection)？像有線UART，很容易理解，就是用線（Rx和Tx等）把裝置A和裝置B相連，即為連線。用“線”把兩個裝置相連，實際是讓2個裝置有共同的通訊媒介，並讓兩者時鐘同步起來。藍芽連線有何嘗不是這個道理，所謂裝置A和裝置B建立藍芽連線，就是指裝置A和裝置B兩者一對一“同步”成功，其具體包含以下幾方面：

• 裝置A和裝置B對接下來要使用的物理通道達成一致
• 裝置A和裝置B雙方建立一個共同的時間錨點，也就是說，把雙方的時間原點變成同一個點
• 裝置A和裝置B兩者時鐘同步成功，即雙方都知道對方什麼時候傳送資料包什麼時候接收資料包
• 連線成功後，裝置A和裝置B通訊流程如下所示：

 如上圖所示，一旦裝置A和裝置B連線成功（此種情況下，我們把裝置A稱為Master或者Central，把裝置B稱為Slave或者Peripheral），裝置A將週期性以CI（connection interval）為間隔向裝置B傳送資料包，而裝置B也週期性地以CI為間隔開啟射頻接收視窗以接收裝置A的資料包。同時按照藍芽spec要求，裝置B收到裝置A資料包150us後，裝置B切換到傳送狀態，把自己的資料發給裝置A；裝置A則切換到接收狀態，接收裝置B發過來的資料。由此可見，連線狀態下，裝置A和裝置B的射頻傳送和接收視窗都是週期性地有計劃地開和關，而且開的時間非常短，從而大大降低系統功耗並大大提高系統效率。

現在我們看看連線狀態下是如何把資料0x53傳送出去的，從中大家可以體會到藍芽協議棧分層的妙處。

• 對開發者來說，很簡單，他只需要呼叫send(0x53)
• GATT層定義資料的型別和分組，方便起見，我們用0x0013表示電量這種資料型別，這樣GATT層把資料打包成130053（小端模式！）
• ATT層用來選擇具體的通訊命令，比如讀/寫/notify/indicate等，這裡選擇notify命令0x1B，這樣資料包變成了：1B130053
• L2CAP用來指定connection interval（連線間隔），比如每10ms同步一次（CI不體現在資料包中），同時指定邏輯通道編號0004（表示ATT命令），最後把ATT資料長度0x0004加在包頭，這樣資料就變為：040004001B130053
• LL層要做的工作很多，首先LL層需要指定用哪個物理通道進行傳輸（物理通道不體現在資料包中），然後再給此連線分配一個Access address（0x50655DAB）以標識此連線只為裝置A和裝置B直連服務，然後加上LL header和payload length欄位，LL header標識此packet為資料packet，而不是control packet等，payload length為整個L2CAP欄位的長度，最後加上CRC24欄位，以保證整個packet的資料完整性，所以資料包最後變成：
  • AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
    • AA – 前導幀(preamble)
    • 0x50655DAB – 訪問地址(access address)
    • 1E – LL幀頭欄位(LL header)
    • 08 – 有效資料包長度(payload length)
    • 04000400 – ATT資料長度，以及L2CAP通道編號
    • 1B – notify command
    • 0x0013 – 電量資料handle
    • 0x53 – 真正要傳送的電量資料
    • 0xF650D5 – CRC24值
    • 雖然開發者只調用了 send(0x53)，但由於低功耗藍芽協議棧層層打包，最後空中實際傳輸的資料將變成下圖所示的模樣，這就既滿足了低功耗藍芽通訊的需求，又讓使用者API變得簡單，可謂一箭雙鵰！

 上面只是對BLE協議棧實現原理做了一個簡單概述，即便如此，由於都是關於BLE協議棧底層的東西，很多開發者還是會覺得比較枯燥和晦澀，而且對很多開發者來說，他們也不關心BLE協議棧是如何實現的，他們更關心的是BLE協議棧的使用，即怎麼開發一個BLE應用。BLE應用是實打實的東西，不能像上面講述協議棧一樣泛泛而談，必須結合具體的藍芽晶片和藍芽協議棧來講解，為此後面將以Nordic晶片及協議棧作為範例，來具體講解如何開發BLE應用，以及如何通過程式碼去理解BLE協議中定義的一些概念和術語。