【Bluetooth蓝牙开发】五、一篇文章，带你总览蓝牙协议

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文章目录

5.1 前言

我们前面主要去学习了蓝牙开发所具备的基础知识、常用的仿真手法，那么如何去分析我们抓到的蓝牙通信包呢？

不去学习蓝牙通信协议，只能把抓到的Log信息，交给能看懂的人，你也最终只能当一个测试工程师了。

蓝牙协议及其复杂，并非一文能够道尽，本文主要在于对蓝牙整体的协议架构进行梳理，文末官方协议附下载链接

5.2 蓝牙芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。

BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
BR/EDR & LE Controller：BR/EDR与LE的组合的控制器
MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替代的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：

单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

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因此，蓝牙芯片就会有以下几种架构：

5.3 蓝牙协议架构——视角1

上图为官方协议中所提及的图片，由全局到局部来看

5.3.1 全局分析

由下到上分析

Controller：

BR/EDR Controller：由Link Manager、Link Controller、BR/EDR Radio组成
LE Controller：由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 组成
AMP Controller：由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY组成

Host：

BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 组成
LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成

5.3.2 局部分析

由上到下分析

Host层

Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协议和应用数据的传输。
L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的正确提交。
Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
AMP Manager Protocol：直接使用L2CAP与远程设备通信。
Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性，用于LE设备
Generic Access Profile：GAP，标识了基础的蓝牙设备的通用功能

Controller层

Device Manager：控制蓝牙设备的通用行为，负责与蓝牙通信过程中，所有的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责所有的访问无线电媒体
Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包
PHY：物理层，主要负责发送，接收物理通道的信息包

以上为官方手册提供的视图，Host通过HCI（Host Controll Interface）接口，来控制Controller执行相应的动作。

5.4 蓝牙协议架构——视角2

下面是参考网上的一位博主的文章，写的较为详细，遂分享出来。

以上架构图，将蓝牙协议分为了HW层，Transport层，Host层。

5.4.1 HW层——蓝牙芯片层

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包括以下几个部分：

RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。
BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。
LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作
HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，并且接收到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。
BLE PHY：BLE的物理层
BLE LL：BLE的链路层

5.4.2 Transport——数据传输层

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，并且接收Controller层的数据。

该部分有几个协议：

H2：基于USB的传输
H4：基于UART的传输，最简单的传输方式，只在HCI raw data前面加上一个type
H5: 基于UART的传输
BCSP: 基于UART的传输
SDIO ：基于SDIO的传输

H4需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；而H5只需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。

5.4.3 HOST——协议层

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包括多个协议：

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，并提供协议复用和服务质量交换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务

SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用程序提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。

RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM
OBEX：对象交换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX
HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议
HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，目前已经没有产品在用这个了吧，至少我没有看到了。算是一个简化版的HFP。
SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议
IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能的人肯定接触过这块，有需要这块的私下联系我
PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议
MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议
HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有很多广泛的用途的，比如蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。
A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议
SM: 蓝牙BLE安全管理协议
GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。
- 对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包括无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议功能。
- 对于LE，它定义一个物理层，链路层，L2CAP，安全管理器，属性协议和通用属性配置文件。
它联系了所有的不同的层之间的交互，也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。

ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。
GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，描述了一种使用ATT的服务框架，该框架定义了数据交换的格式。

5.5 总结

蓝牙芯片的架构：根据Host与Controller的结合关系，可以分为单模芯片和双模芯片。

蓝牙协议的架构：蓝牙协议分为三层，即：Host层，Transport层，Controller层。每一层又由多种不同的协议组成。

5.6 参考文章&下载地址

[1]：参考文章

[2]：蓝牙协议下载地址