1. 精讲蓝牙协议栈（Bluetooth Stack）：SPP/A2DP/AVRCP/HFP/PBAP/IAP2/HID/MAP/OPP/PAN/GATTC/GATTS/HOGP等协议理论

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前言

        本节我们介绍低功耗蓝牙的基本行为状态和主从机交互过程，为后面的低功耗蓝牙协议的学习准备基础

1. BLE工作流程介绍

1.1 角色

BLE设备角色主要分为两种角色，主机（Master或Central）和从机（Peripheral），当主机和从机建立连接之后才能相互收发数据

• 主机，主机可以发起对从机的扫描连接。例如手机，通常作为BLE的主机设备
• 从机，从机只能广播并等待主机的连接。例如智能手环，是作为BLE的从机设备

另外还有观察者（Observer）和广播者（Broadcaster），这两种角色不常使用，但也十分有用，例如iBeacon，就可以使用广播者角色来做，只需要广播特定内容即可。

• 观察者，观察者角色监听空中的广播事件，和主机唯一的区别是不能发起连接，只能持续扫描从机。
• 广播者，广播者可以持续广播信息，和从机的唯一区别是不能被主机连接，只能广播数据

蓝牙协议栈没有限制设备的角色范围，同一个BLE设备，可以作为主机，也可以作为从机，我们称之为主从一体，主从一体的好处是，每个BLE设备都是对等的，可以发起连接，也可以被别人连接，更加实用。

1.2 广播

广播是指从机每经过一个时间间隔发送一次广播数据包，这个时间间隔称为广播间隔，这个广播动作叫做广播事件，只有当从机处于广播状态时，主机才能发现该从机。

在每个广播事件中，广播包会分别在37,38和39三个信道上依次广播，如下图所示。

广播时间间隔的范围是从20ms到10.24s，广播间隔影响建立连接的时间。广播间隔越大，连接的时间越长。

另外BLE链路层会在两个广播事件之间添加一个0~10ms的随机延时，保证多个设备广播时，不会一直碰撞广播。也就是说，设置100ms的广播间隔，实际上两次广播事件的时间间隔可能是100~110ms之间的任意时间。

广播数据包最多能携带31个字节的数据，一般包含可读的设备名称，设备是否可连接等信息。

当主机收到从机广播的数据包后，它可以再发送获取更多数据包的请求，这个时候从机将广播扫描回应数据包，扫描回应数据包和广播包一样，可以携带31个字节的数据。

注意：

        蓝牙4.x，广播有效载荷最多是31个字节。而在蓝牙5.0中，通过添加额外的广播信道和新的广播PDU，将有效载荷增加到了255个字节

1.3 扫描

扫描是主机监听从机广播数据包和发送扫描请求的过程，主机通过扫描，可以获取到从机的广播包以及扫描回应数据包，主机可以对已扫描到的从机设备发起连接请求，从而连接从机设备并通信。

扫描动作有两个比较重要的时间参数：扫描窗口和扫描间隔，如果扫描窗口等于扫描间隔，那么主机将一直处于扫描状态之中，持续监听从机广播包。

• 被动扫描，主机监听广播信道的数据，当接收到广播包时，协议栈将向上层（也就是应用层，用户可编程）传递广播包。
• 主动扫描，主动扫描除了完成被动扫描的动作外，还会向从机发送一个扫描请求，从机收到该请求时，会再次发送一个称作扫描回应的广播包。

所以，主动扫描比被动扫描，可以多收到扫描回应数据包。

1.4 连接

在BLE连接中，使用跳频方案，两个设备在特定时间、特定频道上彼此发送和接收数据。这些设备稍后在新的通道（协议栈的链路层处理通道切换）上通过这个约定的时间相遇。这次用于收发数据的相遇称为连接事件。如果没有要发送或接收的应用数据，则交换链路层数据来维护连接。两个连接事件之间的时间跨度称为连接间隔，是以1.25 ms为单位，范围从最小值7.5 ms到最大值4.0 s

1.4.1 连接参数

Connection Interval连接间隔，两次连接事件之间的时间间隔称为连接间隔。1.25 ms为单位，范围从最小值7.5 ms到最大值4.0 s

Slave Latency从机延迟，如果从机没有要发送的数据，则可以跳过连接事件，继续保持睡眠节省电量。

Supervision Time-out监控超时，是两次成功连接事件之间的最长时间。如果在此时间内没有成功的连接事件，设备将终止连接并返回到未连接状态。该参数值以10 ms为单位，监控超时值可以从最小值10（100 ms）到3200（32.0 s）。超时必须大于有效的连接间隔。

1.4.2 连接参数更新请求

连接参数由主机发起连接的时候提供，如果从机对连接参数有自己的要求，例如要求更低的功耗，或者更高的通信速率等，从机可以向主机发送连接参数更新请求。

从机可以在连接后的任何时候发起连接参数更新请求，但最好不要在主从建立连接后立刻发起，建议延迟5s左右再发送请求。

连接参数更新请求可以修改：Connection Interval连接间隔，Slave Latency从机延迟，Supervision Time-out监控超时。

1.4.3 有效连接间隔

Effective Connection Interval有效连接间隔等于两个连接事件之间的时间跨度，假设从机跳过最大数量的连接事件，且允许从机延迟（如果从机延迟设置为0，则有效连接间隔等于实际连接间隔，）。

从机延迟表示可以跳过的最大事件数。该数字的范围可以从最小值0（意味着不能跳过连接事件）到最大值499。最大值不能使有效连接间隔（见下列公式）大于16秒。间隔可以使用以下公式计算：

Effective Connection Interval = (Connection Interval) × (1 + [Slave Latency])

Consider the following example:

• Connection Interval: 80 (100 ms)
• Slave Latency: 4
• Effective Connection Interval: (100 ms) × (1 + 4) = 500 ms

当没有数据从从机发送到主机时，从机每500ms一个连接事件交互一次。

1.4.4 iOS对连接参数的要求

不同的平台对有连接间隔有着不同的要求，例如iOS系统对ble的连接间隔有着如下的要求。

• Interval Max * (Slave Latency + 1) <=2s
• Interval Min >=20ms
• Interval Min + 20 ms <= Interval Max
• Slave Latency <= 4
• SupervisionTimeout <= 6 s
• Interval Max * ( Slave Latency + 1) * 3 < SupervisionTimeout

1.4.5 连接参数的优化考量

在许多应用中，从机跳过最大连接事件数。选择正确的连接参数组在低功耗蓝牙设备的功率优化中起重要作用。以下列表给出了连接参数设置中权衡的总体概述。

减少连接间隔如下：

• 增加两个设备的功耗
• 增加双向吞吐量
• 减少任一方向发送数据的时间

增加连接间隔如下：

• 降低两个设备的功耗
• 降低双向吞吐量
• 增加任一方向发送数据的时间

减少从机延迟（或将其设置为零）如下：

• 增加外围设备的功耗
• 减少外围设备接收从中央设备发送的数据的时间

增加从机延迟如下：

• 在周边没有数据发送期间，可以降低外设的功耗到主机设备
• 增加外设设备接收从主机设备发送的数据的时间

1.5 通信

通俗的说，我们将从机具有的数据或者属性特征，称之为Profile，Profile可翻译为：配置文件。

从机中添加Profile配置文件（定义和存储Profile），作为GATT的Server端，主机作为GATT的Client端。

Profile包含一个或者多个Service，每个Service又包含一个或者多个Characteristic。主机可以发现和获取从机的Service和Characteristic，然后与之通信。Characteristic是主从通信的最小单元。

• 主机可主动向从机Write写入或Read读取数据。
• 从机可主动向主机Notify通知数据。

注意，这里引用了服务 Service 和 特征值 Characteristic 的概念。每个服务和特征值都有自己的唯一标识 UUID，标准UUID为128位，蓝牙协议栈中一般采用16位，也就是两个字节的UUID格式。

一个从机设备包括一个或者多个服务；一个服务中又可以包括一条或者多条特征值，每个特征值都有自己的属性 Property，属性的取值有：可读 Read，可写 Write 以及 通知 Notify。

• 可读可写的字面意思容易理解，表示该特征值可以被主机读取和写入数据，
• 而通知则表示从机可以主动向主机发送通知数据。这便是主从机之间两个典型的通信方式。

下图是一个典型的从机设备，该从机包含有一个Profile，两个个Service和五个Characteristic。我们先来介绍这些特征值的作用，然后介绍如何通过特征值通信。

服务0x180A

180A是蓝牙协议里标准的服务UUID，用来描述设备信息 Device Information，可以通过该服务，来提供从机设备的相关说明，例如硬件版本，软件版本，序列号等信息。这样，主机就可以获取从机的设备信息。上图中我们添加了三个提供具体设备信息的特征值，他们分别是：

• 特征值0x2A24，描述产品型号 Model Number String，例如某智能锁的产品型号为：“DSL-C07”。
• 特征值0x2A25，描述产品序列号 Serial Number String，例如某智能锁的产品序列号为：“lkjl0016190502500269”
• 特征值0x2A26，描述产品固件版本号 Firmaware Revision String，例如某智能锁的固件号为：“2.7.2.0”

上述特征值仅有Read属性，因此主机只能读，不能执行写操作。

服务0xFFF0

FFF0是我们自定义的服务UUID，它包含两个特征值，用来发送和接收数据。

• 特征值0xFFF1，自定义的数据发送通道，具有Read和Write属性，主机可以通过该特征值，向从机发送数据，至于发送的数据最大长度，可以在Profile中配置。
• 特征值0xFFF2，自定义的数据接收通道，具有Notify属性，从机可以通过该特征值，主动向主机发送数据。

假设主机写特征值的协议栈函数原型为 int GATT_WriteCharValue(uuid_t UUID, uint8 *pValue, uint8 len)

假设从机发送通知的协议栈函数原型为 int GATT_Notification(uuid_t UUID, uint8 *pValue, uint8 len)

那么主机向从机发送Hello，可以这样调用协议栈的函数：GATT_WriteCharValue(0xFFF1,"Hello",5)

那么从机向主机发送1234，可以这样调用协议栈的函数：GATT_Notification(0xFFF2,"1234",4)

1.6 断开

主机或从机都可以发起断开连接请求，对方会收到该请求，然后断开连接恢复连接前的状态。

1.7 过程演示

现在我们总结一下BLE的工作流程，使用两个虚拟的BLE硬件来模拟主从机的交互过程。

假设有两个BLE设备，使用的是BLE261低功耗蓝牙模块（假设已经下载了用于交互演示的功能固件），一个是主机，名称为：BleCentral，另一个是从机，名称为：BlePeripheral，如下图所示。

1.7.1 步骤1：上电初始化

主机、从机上电后（不分先后顺序），首先进行协议栈初始化和相关功能调用，如下图所示。

• 主机设备，主机初始化时，需要设置设备类型，设置用于扫描的相关参数，初始化GATT等协议相关的参数。（下一章节详细介绍何为GATT）
• 从机设备，从机初始化时，需要设置设备名称，广播相关参数，从机Profile等。从机一般会立即开启广播，也可以等待一个事件来触发广播，例如按键触发。

1.7.2 步骤2：主机扫描从机

按键按下，触发主机扫描从机，此时，主机显示屏打印Scanning正在扫描。此刻的从机仍然处于广播状态。

1.7.3 步骤3：发现从机设备

当主机扫描到从机时，可以返回已扫描到的从机相关信息，例如可以提取到下图中的从机设备名称，从机MAC地址，从机的RSSI信号值等数据。

因此，有些应用在从机的广播包或者扫描回应包中添加自定义字段，这样就可以被主机通过扫描的方式拿到数据。

1.7.4 步骤4：发送连接请求

当主机扫描到从机后，通过MAC地址向从机发送连接请求。低功耗蓝牙的连接速度非常快，100ms左右即可成功连接上。如果从机的广播比较大，则会影响连接的速度。

从机在未收到连接请求之前仍然处于自由的广播状态。

1.7.5 步骤5：成功连接从机

当从机收到连接请求后，双方成功建立连接，此时双方的状态均变为已连接状态。

然后主机可以调用协议栈提供的接口函数来获取从机的服务。

1.7.6 步骤6：获取从机服务

获取从机服务通常是在连接成功后就立即执行的，因为只有获取从机的服务后，才能与其通信。下图是主机向从机发送获取服务的请求。

此刻，从机处于已连接状态。响应服务获取请求是在底层自动完成，上层无需理会。

1.7.7 步骤7：成功获取服务

如下图所示，主机成功获取到从机的服务，例如获取到UUID为0xFFF0的Services，该Service有两个特征值，分别是具有读写属性的0xFFF1，以及具有通知属性的0xFFF2。

读写属性是指主机可以读写该特征值的内容。而通知属性是指从机可以通过该特征值向主机发送数据。

1.7.8 步骤8：主机向从机发送数据

主机通过特征值0xFFF1，主动向从机发送自定义数据Hello，当数据成功发送后，主机状态变为：数据已发送。从机将收到主机发来的数据，从机状态变为收到数据。

1.7.9 步骤9：从机向主机发送数据

从机可以通过Norify的方式主动向主机发送数据，例如下图，从机通过特征值0xFFF2发送了一条Notify通知，数据内容为：1234

1.7.10 步骤10：发送断开请求

主机和从机任何一方均可以发起断开连接的请求，对方收到后，状态将变为已断开。

1.7.11 步骤11：成功断开连接

从机收到主机发来的断开请求，此刻状态变为已断开。