蓝牙BLE学习

1. 简介

1.1 蓝牙发展历程

蓝牙，直接来自于一位国王的名字--King Harald ‘Bluetooth' Gromsson。这位国王因两件事留名于史，其一是在公园958年统一了丹麦和挪威，其二是在其死后，其牙齿呈现出暗蓝色的颜色，因而得名蓝牙为绰号。而蓝牙联盟之所以选择它作为联盟的名字，则是看中了King Harald在统一丹麦和挪威上的贡献。联盟希望，该技术能够像他一样，将PC和无线产业用短距离无线传输连接在一起。

人们日常使用的蓝牙，是在1996年由英特尔、爱立信和诺基亚共同发起而成立的联盟，意在为短距离无线传输制定标准，低功耗、低成本的无线通信连接的方法，以支持不同产品和行业之间的连通与协作

第一代蓝牙主要是指90年代的V1.0～V1.2版本，是关于段距离通信的早期探索，此时还存在许多问题，应用不是特别广泛
第二代蓝牙主要是00年中V2.0～V2.1版本，新增了EDR(Enhanced Data Rate)技术提高传输速率，以及体验及安全
第三代蓝牙主要是00年末V3.0版本，新增了802.11 WiFi协议，引入了AMP(Generic Alternate MAC/PHY)交替射频技术，极大的提高了传输速率并降低功耗
第四代蓝牙是10年以来的V4.0～V4.2版本，主推LE(Low Energy)低功耗，大约仅消耗十分之一，将三种规格，包括经典蓝牙、高速蓝牙、和蓝牙低功耗，集中在一起形成一套综合协议规范
第五代蓝牙是16年开始提出的V5.0版本，主要是为了支持物联网，在功耗、传输速率、有效传输距离、数据包容量方面都做了极大的提升

1.2 蓝牙技术概述

蓝牙分为经典蓝牙（BT-Bluetooth）和低功耗蓝牙（BLE-Bluetooth Low Energy）。这两套原理和实现都不一样，也无法实现互通。

Basic Rate（BR）/AMP

最初的蓝牙技术，包括可选的EDR（Enhanced Data Rate）技术和交替使用的MAC层和PHY层扩展 AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）【优化传输速度的过程】

蓝牙诞生之初使用的BR技术，传输速率很低，随着发展而变得无法支持，所以引入了EDR，这时还没有修改软硬件架构，但是之后又落伍了，所以直接引入了WiFi的底层协议，也就是MAC/PHY扩展，但这部分的实现就无法直接更替，所以BR/EDR只能与AMP交替使用。

经典蓝牙主要用于数据量较大的传输，如蓝牙耳机/音箱等

Low Energy（LE）

蓝牙低功耗，则不关心传输速率，而是从降低功耗的角度实现的另一套技术，跟前面的协议没有丝毫关系。

BLE分了很多个版本，现在用的比较多的就是4.2和5.X。那4.2到5.0之间有哪些升级呢？首先，4.2版本传输速度只有1Mbps，广播包最大长度为31字节。而5.0版本开始，传输速度就已经增加到2Mbps了，并且广播包的最大长度也增加为254字节。除此之外，5.X版本还增加了Mesh的功能，且通讯距离也增加至300米以上。

2. 蓝牙架构

蓝牙协议将蓝牙整体分成了两层架构，底层是核心协议，描述了蓝牙核心技术的基础和规范，应用层协议则基于具体需求，使用核心协议提供的机制，实现不同的功能策略

核心协议包含两部分，Host和Controller，这两部分在不同的蓝牙协议版本中略有区别，但大致上是，Controller完成硬件侧的规范制订，包括信号调制解调，会抽象出用于通信的逻辑链路，可能存在一个或多个，如LE Controller、BR/EDR Controller；Host则在逻辑链路的基础上完成更友好的封装，屏蔽掉技术细节，方便应用层对数据的使用。

2.1 蓝牙协议

2.1.1 应用层

应用层（App Layer）为不同场景定义规范，提出Profile(一项服务)的概念，实现各种应用功能

2.1.2 主协议层

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol Layer）

L2CAP对LL进行了一次简单的封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

逻辑链路控制和适配协议，负责管理逻辑链路，使得不同应用可共享一个逻辑链路，类似端口的实现
在逻辑链路的基础上，抽象出与具体技术无关的数据传输信道，如单/广播，然后对上以L2CAP channel endpoints的概念，为不同应用程序提供独立的传输通道
逻辑控制和适配协议的工作就是实现逻辑信道的多路复用（multiplexing），对上层数据进行分割和重组，以及后续的流控、错误控制和重传等
多路复用思想：将要发送的数据分割成一个个数据包（Packet Data Unit，PDU），添加包含特定ID的头部，接收方解析头部ID进行重组
多路复用实现
基于连接：L2CAP会为每个逻辑信道分配一个编号（Channel ID，CID），有些CID会有固定用途.

GAP层（Generic access profile-通用访问配置文件）

GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式的一种，而且也是最简单的一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接。

通用访问配置文件，定义了蓝牙设备的通用的访问功能，与GATT的数据通信过程对应，处理无连接及连接建立过程的通信，也就是为广播、扫描、发起连接这些过程定义统一规范
定义了用户接口的基本参数，包括蓝牙地址、名称、pincode、class等概念
定义了设备的角色：

Broadcaster Role：正在发送advertising events的设备
Observer Role：正在接收advertising events的设备
Peripheral Role：接受Link Layer连接的设备（对应Link Layer的slave角色）
Central Role，发起Link Layer连接的设备（对应Link Layer的master角色）

定义了通信的过程和操作模式：

Broadcast mode and observation procedure：实现单向的、无连接的通信
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

SMP（Secure manager protocol-加密管理协议）

SMP用来管理BLE连接的加密和安全。如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。

ATT（Attribute protocol-属性协议）

简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据。比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attrubute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

属性协议主要是针对物联网场景，核心思想就是将采集的信息或控制的命令以属性的形式抽象出来，提供接口供远端设备读写
采用C/S形式，信息提供方为ATT Server，如传感器，访问方为ATT Client
为每个Attribute定义了三个属性

Type，即Attribute的类型，使用UUID区分
Handle，服务端用来唯一标识Attribute的16-bit数值
Value，Attribute的值

为每个Attribute定义了一系列权限，方便服务端控制客户端的行为，包括访问/加密/认证/授权
对于不同的Attribute，客户端对服务端的访问方式也不一样，包括Find/Read/Write
传输过程是在L2CAP的基础上，使用基于通道的多路复用，CID为0x0004

GATT（Generic attribute profile-通用属性配置文件）

GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑。但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了Zigbee等无线协议的兼容性困境，成为了出货量最大的2.4G无线通信产品。

通用属性配置文件，Attribute只是将信息（或者说通信数据）做一下抽象，但是真正对抽象的信息做分类管理则是GATT来完成，形成profile的概念（解决了很多无线协议的兼容问题），profile可以理解成应用场景或者使用方式
GATT提供了这样一种通用的、信息存储与共享的profile framework，实现BLE双向通信
GATT的层次结构

Profile位于最顶层，不是真正存在的配置文件，而是一个或多个场景相关的service的抽象集合
Service（服务）是一种行为的抽象，具有唯一标识UUID，每个service包含一个或多个Characteristic，也可以通过include的方式包含其他service
Characteristic（特征）可以理解成一个属性，是真正与设备通信相关的，数据发送和接收的最基本单位，通过对特征的读写实现蓝牙双向通信，它由一个Propertities（定义Value的使用规范和Descriptor的访问规范）、一个Value（特征的实际取值）和一个或多个Descriptor（Value相关的描述信息）组成，每个特征也具有自己的唯一标识，但是有三种形式：

16-bit是官方认证，收费，Bluetooth_Base_UUID 为 00000000-0000-1000-8000-00805F9B34FB
16-bit转128-bit，格式为 0000xxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB
32-bit转128-bit，格式为 xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB

事实上，目前几乎所有的BLE应用都基于GATT实现通信
GATT通信基于C/S模型，外围设备作为Server端，维护ATT结构及产出数据，中心设备作为client端，请求连接获取数据
GATT连接对外围设备是独占的，即一个外围设备同时与一个中心设备建立连接，一个中心设备可同时与多个外围设备建立连接.

2.1.3 控制层

物理层（Physical Layer）

PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做的好不好，直接决定了BLE芯片的功耗、灵敏度等射频指标。

负责提供数据传输的物理通道
物理链路（Physical Link）：对物理信道的进一步封装
物理信道（Physical channel）：三种蓝牙技术都使用相同的频段和频率范围，但是具体实现都不一样
Advertisement Broadcast Channel：用于设备间无连接广播通信，包括发现/连接操作
Piconet channel：用于连接状态下通信
Inquiry Scan Physical Channel：用于发现操作，即搜索/被搜索
Page Scan Physical Channel：用于连接操作，即连接/被连接
Basic Piconet Physical Channel：用于连接状态下通信，使用79个跳频点
Adapted Piconet Physical Channel：用于连接状态下通信，使用较少RF跳频点
Synchronization Scan Channel：用于无连接的广播通信
BR/EDR频段分成了79个channel，每个占1M带宽；采用跳频技术（Hopping），即物理信道随机占用某一channel；定义了五种物理信道，每次只能在一种物理信道上通信，采用时分方式
AMP直接使用WIFI的物理层规范，只有一个物理信道，用于已连接设备之间的高速数据通信
LE频段分成了40个channel，每个占2M带宽；有两种物理信道，每次只能在一种物理信道上通信，采用时分方式

LL层（Link Layer-链路层）

LL层是整个协议栈的核心。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信。怎么识别空中数据包。具体在哪个时间点把数据包发送出去。怎么保证数据的完整性。ACK如何接收。如何进行重发。以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发送出去或者接收回来，对数据进行怎样的解析则由GAP或ATT来负责。

解决在有限物理信道上传输远多实际信道数量的数据，即信道共享，然后为通信实体创建看似独享的逻辑信道，以及解决传输过程中的校验、重传等问题
LL中的信道设计：BLE系统基于通信场景，在40个物理信道中选取三个作为广播信道，处理数据量小、发送不频繁、时延不敏感的场景，存在的问题就是不可靠、效率低、不安全；另外的场景则在剩下的37个信道中选取一个为双方建立单独信道，并且为了抗干扰采用跳频技术
为此，LL为通信双方实体定义了以下状态及切换条件

- Standby：初始状态，不收发数据，接受上层协议命令与其他状态切换
- Advertising：通过广播发送数据的状态，建立连接后可进入Connection
- Scanning：接收广播的数据的状态
- Initiating：特殊的接收状态，类似Scanning，接收Advertiser广播的连接数据，建立连接后进入Connection
- Connection：建立连接后拥有单独的通道

这里会使用空中接口协议（Air Interface Protocol，AIP）来负责实体之间的数据交换和状态切换

HCI（Host controller interface）

HCI是可选择的。HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通讯协议和通信命令等。

说明：

ATT和GATT的关系就像车辆和交通规则一样。ATT就是车辆，而GATT就是规范车辆该如何行驶的交通规则。只有GATT存在的时候，多个ATT见面才知道该如何行驶，到底是拐弯让直行还是坐车道超车。

从上边的名字可以看到，主要分为protocol和profile。其中L2CAP、SMP、ATT属于protocol，而GAP和GATT属于profile。

profile和protocol有什么区别呢? 在蓝牙核心规范（Bluetooth Core Specification）中，profile的定义不同于protocol的定义。Protocol被定义为各层协议。而Profile从使用蓝牙核心规范中各层协议的角度，定义蓝牙应用互操作性的实现。Profile定义Protocol中的可用特性和功能，以及蓝牙设备互操作性的实现，使蓝牙协议栈适用于各种场景的应用开发。

在蓝牙核心规范中，Profile和Protocol的关联如下图

Profile由红色矩形框表示，包括GAP、Profile#1、Profile#2和Profile#3。蓝牙核心规范中的Profile分为两种类型：GAP，途中红色矩形框所示的GAP；基于GATT的Profile，图中红色矩形框所示的Profile#123。

3. 连接和通信

蓝牙的通信是双向的，为了创建和维护一个BLE通信连接，在蓝牙中引入了“角色”这一概念，一个BLE设备不是主机（集中器）就是从机（外围设备）角色，这是根据是谁发起这个连接来确定的。主机（集中器）设备总是连接的发起者，而从机（外围设备）总是被连接者。整个访问与连接过程都是在GAP（Generic Access Profile-通用访问规范）进行实现的。

3.1 BLE 蓝牙数据包

3.1.1 信道

BLE的物理通道即“频道，分别是‘f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39’，带宽为2MHz”的40个RF Channel。其中，有3个信道是advertising channel（广播通道），分别是37、38、39，用于发现设备（Scanning devices）、初始化连接（initiating a connection）和广播数据（broadcasting date）；其他的37个信道为data channel（数据通道），用于两个连接的设备间的通讯。

3.1.2 数据包格式

在低功耗蓝牙规范中，数据包格式分广播报文和数据报文两种。

广播报文：设备发现、连接建立、传输广播

数据报文：自适应跳频以及设备间数据传输

设备利用广播报文发现、连接其它设备，而在连接建立之后，便开始使用数据报文。无论是广播报文还是数据报文，链路层只使用一种数据包格式。

它由“前导码”（preamble）、“访问码”（access code）、”有效载荷“和”循环冗余校验“（Cyclical Redundancy Check，CRC）校验码组成。其中，”访问码“又称为”访问地址/接入地址“（access address）。

前导码：1个字节长度，接收中用于频率同步、数据速率同步、自动增益控制调整。前导是一个8比特的交替序列。对于在LE 1M物理层上发送的数据包前导码为8比特；对于在LE 2M物理层上发送的数据包前导码为16比特。不是01010101就是10101010，取决于接入地址的第一个比特。
若接入地址的第一个比特为0：01010101
若接入地址的第一个比特为1：10101010

访问地址：4个字节长度，访问地址有两种类型（广播访问地址和数据访问地址）
广播访问地址：固定为0x8E89BED6，在广播、扫描、发起连接时使用。
数据访问地址：随机值地址，不同的连接有不同的值。在连接建立之后的两个设备间使用。

PDU(Protocol Data Unit): 数据载荷

CRC:数据循环冗余校验

3.2 BLE广播

3.2.1 使用场景

单向、无连接的数据通信，发送者使用广播信道发送数据，接受者扫描接收数据
连接建立阶段

3.2.2 协议层次

GAP：以应用程序角度进行功能封装，提供一套统一的、通用的广播规范

HCI：将LL提供的功能抽象成Command/Events的形式，供上层使用

LL：负责广播通信相关功能的定义和实现，包括信道选择、链路状态定义、PDU定义、设备过滤机制等

3.2.3 LL

信道选择。BLE将蓝牙频段分成了40个物理信道，综合考虑（抗干扰等）后将其中三个作为广播信道，频段为0/12/39，编号是37-39
链路状态。参与广播的BLE设备，总是处于这三种状态之一

Advertising：广播状态，周期性地广播，数据发送方

Scanning：扫描状态，扫描并接受广播数据，数据接收方

Initiating：初始化状态，扫描到可连接的广播时，发起连接请求，连接发起方

广播PDU

Type是指PDU的类型，如不同的状态下也有不同的消息类型，TxAdd和RxAdd都是地址类型flag，针对不同的type有不同的含义，RFU都是保留字段，Length标明payload的长度.

PDU type	PDU name	Description	Physical Channel	Permitted PHYs
PDU type	PDU name	Description	Physical Channel	LE 1M	LE 2M	LE coded
0000b	ADV_IND	常规广播，可连接可扫描【后续建立点对点连接，监听CONNECT_REQ请求】	Primary	●
0001b	ADV_DIRECT_IND	点对点连接，已知双方蓝牙地址，无广播数据，可被指定设备连接不可扫描【快速建立连接，不关心广播数据，监听CONNECT_REQ请求】	Primary	●
0010b	ADV_NONCONN_IND	同ADV_IND，不可连接不可扫描【用于定时传输简单数据】	Primary	●
0011b	SCAN_REQ	接收ADV_IND/ADV_SCAN_IND后，请求更多信息【接收广播数据后请求更多信息】	Primary	●
0011b	AUX_SCAN_REQ	接收ADV_IND/ADV_SCAN_IND后，请求更多信息【接收广播数据后请求更多信息】	Secondary	●	●	●
0100b	SCAN_RSP	SCAN_REQ的响应，返回更多信息	Primary	●
0101b	CONNECT_REQ	接收ADV_IND/ADV_DIRECT_IND后，请求建立连接【请求建立连接】	Primary	●
0101b	AUX_CONNECT_REQ	接收ADV_IND/ADV_DIRECT_IND后，请求建立连接【请求建立连接】	Secondary	●	●	●
0110b	ADV_SCAN_IND	同ADV_IND，不可连接可扫描【用于传输额外数据，监SCAN_REQ请求】	Primary	●
0111b	ADV_EXT_IND		Primary	●		●
	AUX_ADV_REQ		Secondary	●	●	●
	AUX_SCAN_RSP		Secondary	●	●	●
	AUX_SYN_IND		Secondary	●	●	●
	AUX_Chain_IND		Secondary	●	●	●
1000b	AUX_CONNECT_RSP		Secondary	●	●	●

Payload

ADV_IND

这个比较经典和常用的 ADV PDU 了，它代表了咱们发出去的这个 ADV 包，是一个可连接的，并且可扫描的广播包。什么是可连接呢？意思是，我发出去这个包，别人想连接我，OK，没问题。可扫描指的是，有人处于 Scanning 状态，收到我的这个 ADV_IND 后，对端发起 SCAN_REQ，咱们回复他 SCAN_RSP。

AdvA：本机地址 48bits

AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

ADV_DIRECT_IND

顾名思义，咱们可以知道这种类型的数据包，是可连接的并且带指向性的（不可扫描），什么叫指向性呢，也就是，我指着对端的鼻子说，我这个包是专门给你准备的（来连接我啊）。所以这个包携带了本机地址和指着的那个地址。同时不允许携带数据：

AdvA：本机地址 48bits

TargetA：对端地址 48bit

ADV_NONCONN_IND

这种类型的 ADV PDU，属于不可连接，不可扫描，不定向的 ADV 包，包含了本机地址和数据（类似于，在空中散布谣言类型）

AdvA：本机地址 48bits

AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

ADV_SCAN_IND

这种类型的 ADV PDU 是只能扫描的不定向的，不连接的 ADV

AdvA：本机地址 48bits

AdvData：携带的数据 0 - 31 字节

BLE设备地址类型：

TxAdd：发送地址字段

RxAdd：接收地址字段

发送地址字段和接收地址字段指示了设备使用公共地址(Public Address)还是随机地址(Random Address)。公共地址和随机地址的长度一样，都包含6个字节共48位。BLE设备至少要拥有这两种地址类型中的一种，当然也可以同时拥有这两种地址类型。

1. 公共地址(Public Address)

公共地址由两部分组成，如下图。公共地址由制造商从IEEE申请，由IEEE注册机构为该制造商分配的机构唯一标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)。这个地址是独一无二，不能修改的。

2. 随机地址

随机地址有包含两种：静态地址（Static Device Address）和私有地址（PrivateDevice Address）。

静态地址有如下要求：

a)静态地址的最高2位有效位必须是1。

b)静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为0和1。

在私有地址的定义当中，又包含了两个子类：不可解析私有地址（Non-resolvable Private Address）和可解析私有地址(Resolvable Private Address，RPA)。CH57x使用的是静态地址，芯片在出厂时自带全球唯一的48位MAC地址。在提供的driver代码中，有获取MAC的接口，可以直接调用。

总结：

Static Device Address：上电生成，46-bit的random+11，断电后可变
Private Device Address：进一步提供定时更新和地址加密提高可靠行和安全性
Non-resolvable Private Address：按周期定时更新，46-bit的random+00
Resolvable Private Address：通过随机数和IRK（Identity Resolving Key）生成，24-bit的hash+22-bit的random+10
Public Device Address：IEEE分配，24-bit的company_id+24-bit的company_assigned，类似MAC
Random Device Address：随机生成，解决费用和维护、设备身份绑定的问题

Payload 长度

广播报文：长度域包含6个比特，有效值的范围是6~37。

数据报文：长度域包含5个比特，有效值的范围是0~31。

广播报文和和数据报文的长度域有所不同，主要原因是：广播报文除了最多31个字节的数据之外，还必须要包含6个字节的广播设备地址。6+31=37，所以需要6比特的长度域。

再次强调：广播时必须要包含6个字节的广播设备地址。

3.2.4 HCI

将Link Layer提供的功能封装成Command/Event组
Command格式

OCF（Opcode Command Field）表示特定的HCI命令，OGF（Opcode Group Field）表示该HCI命令所属组别，他们共同组成16位操作码；

Parameter Total Length表示所有参数总长度

所有BLE相关的HCI Command的OGF都是0x08

Event格式

这些Command/Event包括广播、扫描、连接建立的相关操作，这些都可以通过hcitool命令进行测试

3.2.5 GAP

会从应用程序角度对各种状态和操作再一次进行封装，包括设备角色，通信的模式和操作的定义
与GAP广播通信相关的是广播和发现模式
- Broadcast mode and observation procedure，广播模式及对应的解析过程，对应状态下的角色双方就是Broadcaster和Observer
- Discovery modes and procedures，发现模式及对应的发现过程，对应的角色就是Peripheral和Central

广播数据格式

广播/扫描应答数据，包含有意义部分和无意义部分（补齐为0），有意义部分是由一个个广播块（AD Structure）组成，每个广播块包含1字节长度（指示数据部分长度）和剩下的数据部分，数据部分又分为数据类型和数据内容，数据类型会指示真实Data部分的内容，例如0x01表示Data内容是描述设备物理连接状态，再例如0x08表示Data内容是设备名称，更多可以参考generic-access-profile.

蓝牙广播包的最大长度是37个字节，其中设备地址占用了6个字节，只有31个字节是可用的。31个可用的字节又按照一定的格式来组织，被分割为n个AD Structure。如下图所示：

每个AD Structure包含又包含三部分：Length(1字节)，AD Type(1字节)，AD Data(n字节)

其中Length = AD Type 长度 + AD Data 长度

例如广播数据：

0x05,0x09,0x31,0x32,0x33,0x34,0x02,0x0A,0x08,0x06,0xFF,0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45

分割后如下所示

0x05,0x09,0x31,0x32,0x33,0x34

0x02,0x0A,0x08

0x06,0xFF,0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45

一共可以分割成三个AD Structure：

第一个AD Structure的长度为0x05，类型为0x09(完成的设备名称)，那么余下的数据含义就是完整的设备名称，0x31,0x32,0x33,0x34 按照UTF-8编码，就是1234。

第二个AD Structure的长度为0x02，类型为0x0A(发射功率)，那么后面的数据0x08表示的就是发射功率。

第三个AD Structure 的长度为 0x06，类型为0xFF(厂商自定义数据)，余下的数据0x41,0x50,0x50,0x4C,0x45就是厂商自定义的内容。

3.2.6 从机广播

从机要被主机连接，那么它就必须先被主机发现。这个时候，从机设备把自身信息通过广播的形式发射出去。

比如设备A需要先进行广播，即设备A（Advertiser）不断发送广播信号，t 为广播间隔。每发送一次广播包，我们称为一次广播事件（advertising event），因此 t 也称为广播事件间隔。广播事件时间是一段一段的，每次都会持续一段时间，蓝牙芯片也只有在广播事件期间才会打开射频模块发射广播，这个时间功耗比较高（几十毫安），其余时间蓝牙芯片都处于idle待机状态，因此平均功耗就非常低（几微安）。

当广播发出的时候，每个广播事件包含了三个广播包，分别在37/38/39三个广播信道上进行发送。广播的内容是相同的。下图observer为主机观察者，advertiser就是从机广播者。

3.2.7 主机扫描

设备A不断发送广播给主机（Observer），如果主机不开启扫描窗口，是收不到设备A的广播的。主机不但要开启射频接收窗口，而且主机的射频接收窗口要跟从机的广播发送窗口匹配才行。由于这种配对成功时一个概率事件，所以主机扫到设备A也是一个概率事件。也就是说，从机（Advertiser）可能很快就被主机（Observer）发现，也有可能从机（Advertiser）要很久才能被主机（Observer）发现。

下图表示了主机主动扫描广播的过程：

主机设置自身的扫描参数，设置成功后，控制器根据设置参数开启扫描窗口。当控制器收到扫描数据包后，向主机发送给一个广播报告事件（adv_report），该事件同样包括了链路层数据包的广播类型。因此，主机能够判断对端设备是否可以连接或扫描，并且区分出广播数据包和扫描响应数据包。

3.2.8 被动扫描

既然有主动扫描，当然也就有被动扫描。在被动扫描中，扫描者设备应该仅仅去监听广播包，而不向广播者设备发送任何数据。

一旦上面的扫描参数设置完毕，主机就可以启动扫描。如果控制器接收到的符合过滤策略和其他规划的广播数据包，则发送一个Advertising Report事件给主机。除了广播者的设备地址外，报告事件还包括广播数据包中的数据，以及接收广播数据包时的信号接收强度。可以利用该信号强度以及位于广播数据包中的发射功率，共同确定信号的路径损失，从而给出大致的范围，这个应用就是防丢器和蓝牙定位。被动扫描不需要向主机发送任何数据。

3.3 建立连接

经典蓝牙中保持连接非常耗费资源，但是每次连接建立效率又非常低，为了优化体验，BLE简化了连接过程（毫秒级），极大的降低了面向连接通信的代价

蓝牙通信系统中，对于连接的定义是：在约定的时间段内，双方都到一个指定的物理Channel上通信。

角色定义。BLE为处于连接状态的两个设备定义了两个角色，Master和Slave。Master作为连接发起方，定义和连接相关的参数，Slave是连接的接收方，请求连接参数。

3.3.1 PDU格式

面向连接的通信使用特定的PDU，称为Data channel PDU

LLID（逻辑链路ID）：指示Data Channel传输的PDU类型，传输数据是LL Data PDU，传输控制信息是LL Control PDU，0x01表示该数据包是一个帧的延续内容，或者这是一个空的“逻辑链路控制及适配协议”数据包；0x02表示一个“逻辑链路控制及适配协议”数据包的开始；0x03表示这是一个“逻辑链路控制”数据包的内容

NESN：下一个期望的序列号，用于对接收到的数据包进行确认，NESN（Next Expected Sequence Number）和SN（Sequence Number）用于数据传输过程中的应答和流控

MD：更多数据字段，主要是为了说明发送方是否还有要发给接收者的数据，用于关闭连接。

RFU ：保留位

Length：用以表示包含“信息完整性校验码”（Message Integrity Check，MIC）在内的“有效载荷数据”的长度，包括Payload和MIC。

数据PDU数据
同广播报文PDU数据

校验码：3个字节长度，“循环冗余校验”（Cyclical Redundancy Check，CRC），可检查数据的正确性。

3.3.2 建立连接

可连接状态的设备（Advertiser）按照一定周期广播可连接数据包
主动连接的设备（Initiator）收到广播包后回应一个连接请求（约定时间点、物理信道等）
Initiator发送完毕后进入连接状态，成为Master
Advertiser接收到连接请求后也进入连接状态，成为Slave
双方按照参数约定，定时切换到某一物理信道，开始依次收发数据，直至连接断开

主机在收到A1广播包ADV_IND后，以此为初始点，T_IFS时间后，给Advertiser（从机）发送一个connection request命令，即A2数据包，告诉advertiser（从机）将要进行连接，做好准备。Advertiser（从机）根据connect_req命令信息做好接收准备。connect_req其实就是告诉advertiser手机（主机）将在Transmit Window期间发送第一个同步包（P1），请advertiser（从机）在这段时间内打开接收窗口。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给手机（主机）回复数据包P2。一旦手机（主机）收到数据包P2，连接即认为建立成功。后续手机（主机）将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送Packet。

HCI

封装Link Layer的功能，主要包括连接的建立、关闭、参数设置和管理，以及数据封装和转发

GAP

定义设备具有的能力和操作

3.4 发送和接收数据

连接成功后，主机和从机在每一个connection interval开始的时候，都必须交互一次，即主机给从机发一个包，从机再给主机发一个包。整个交互过程被称为一个connection event。蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开，此时功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都处于idle状态，因此平均功耗非常低。

主机不可能时时刻刻都有数据给从机，所以主机大部分时间都是发的空包（empty packet）给从机。同样从机也不是时时刻刻都有数据给主机。因此从机回复给主机的包，大部分也是空包。另外，一个connection event期间，主机可以发多个包给从机，以提高吞吐率（IOS一个连接间隔最多交互4次，安卓一个连接间隔最多交互6次）。综上所述，连接成功后的通信时序图如下：