蓝牙协议栈总结

蓝牙协议栈

无线射频

• 负责数据的发射和接收
• 采用全向天线，支持点到多点通信，使得多台蓝牙设备可以分享网络资源；
• 调制方式：高斯滤波二进制频移键控（GFSK）三种可用功率级别：

功率等级	最大输出功率	正常输出功率	最小输出功率
1	100 mW	-	1 mW
2	2.5 mW	1 mW	0.25 mW
3	1 mW	-	-

频带：2400-2483.5MHz，分为79个跳频信道，每个信道带宽为1MHz,上保护带宽3.51MHz，下保护带宽2MHz。

蓝牙2.0 EDR模式对分组调制方式的修改：

• 分组头和接入码使用GFSK调制，速率为1 Mb/s
• 同步序列、载荷与尾序列使用增强数据传输速率下的PSK调制，支持的射频数据传输速率为2 Mb/s与3 Mb/s

基带

• 与射频一起构成蓝牙协议栈的物理层
• 发送数据时负责把高层协议的数据编码。接收数据时负责将来自射频的数据解码。
• 组网（微微网，散射网）
• 组合了电路交换和分组交换的功能

蓝牙地址 （BD_ADDR）

全世界所有蓝牙设备地址唯一

公司分配号	公司ID	公司ID
低位地址LAP(24bit)	高位地址UAP(8bit)	无意义地址NAP(16bit)

链路管理

LM（link manager）将上层的命令转化为基带层的操作。

基本功能：

• 处理和协商基带分组的大小，满足特定的服务质量；
• 链路管理和安全性管理，包括ACL和SCO链路的建立和关闭等。
• 管理设备功率。

LMP协议数据单元

• LMP消息称为LMP_PDU，主要用于链路管理、安全和控制。优先级高，可以优于SCO分组传输。
• LMP_PDU是ACL分组的净荷，作为单时隙分组在链路管理逻辑信道上传输信息。

L2CAP

逻辑链路控制和适配。

• 将高层使用的大分组拆分成基带可以传输的小分组，并在接收阶段完成组装

• 支持对不同的高层协议进行多路复用，允许高层协议共享底层链路。

• L2CAP只支持ACL，最大速率64KBytes。只传输数据分组，不传输蓝牙音频

RFCOMM

电缆替代协议

• 蓝牙最早开发的目的是取消电器之间的连线，替代电缆是最基本、最主要的应用方式
• 在蓝牙基带上仿真RS232的控制和数据信号，为串行电缆作为传输机制的高级业务提供传输能力
• 作用类似于TCP/IP中的TCP，为各种高层应用提供接口，实现端到端通信
• 依靠基带提供可靠、有序的比特流，本身没有纠错能力，流量控制也依赖基带

服务发现协议

蓝牙场景具有ad-hoc特征，动态性强

帮助网络中的设备和服务之间容易彼此发现、相互协商和配置

SDP是客户机-服务器结构的协议

• 服务器是为其他蓝牙设备提供服务的设备
• 客户机是在一个有效通信范围内想要查找服务的设备

服务查询过程

1. 建立L2CAP远程连接
2. 搜索SDP服务器上指定的服务类型，或浏览服务列表
3. 获得连接到指定服务所需要的属性值
4. 建立一个单独的连接使用该服务

SDP数据库

属性标志符ID 属性值（类型和长度可变）
服务属性1
服务属性2
…
服务属性n

强制属性

• 服务类型，属性标志符为0x0001
• 服务句柄，32bit无符号证书，是服务记录的指针，唯一地标志了一个SDP服务记录

通用唯一标志符 UUID

• 标志服务类型
• 为开发者自己开发的服务类别分配独特的UUID避免命名冲突。
• 分布式生成，不重复
• 传统的UUID是128bit，可以缩减为16bit或32bit。
  • 128_bit_value = 16_bit_value * 296 + Base_UUID
  • 128_bit_value = 32_bit_value * 296 + Base_UUID

SDP消息

设计目标：简单易实现，与L2CAP良好兼容

消息浏览模式

• 浏览服务器中所有可用服务来查找需要的服务(查找服务列表，返回列表中所有的UUID)
• 根据查找特定的服务（根据UUID）

协议子集

GAP

• 描述了两个蓝牙设备建立通信时必要的基本操作，包括设备发现、链路建立和配置，以及安全方面的内容。
• 设备角色
  • 广播者（Broadcaster）:周期性发送广播信息
  • 观察者（Observer）：侦听信道，接收广播信息
  • 中心设备（Central）：发起连接的一方
  • 外设（Peripheral）：接收连接的一方

主设备和从设备之间的链路

SCO链路（电路交换）

• 主设备与从设备之间对称、点对点同步链路；

• 主要用于传送实时性需求较高的语音分组

• 通过预先保留的时隙连续的传输信息，可以看做电路交换

• 不允许分组重传（无校验位），保证实时性

• SCO包使用前向纠错FEC(Forward Error Correction)

  • 分组头：1/3 FEC (每一位重复三次)
  • 负载：2:3 FEC （2:3简要海明码）

• 不管有无数据发送，系统都会预留固定间隔的时限给主设备与从设备，其他从设备就不能利用此连接上的时隙来发送数据

ACL链路（异步分组交换）

• 分组交换只传输数据分组。
• 主设备在为SCO传输预留时隙后，把异步ACL传输分配在剩下的时隙中
• ACL比SCO优先级低，一旦系统要SCO传输，ACL必须自动让出预留时隙
• 支持广播，主设备可以向微微网中所有从设备发送消息。
• ACL采用CRC校验，接收错误会重传

蓝牙组网

蓝牙个域网的ad hoc 特性

• 独立组网：很短的时间里自动组成一个独立的网络
• 多跳路由：相互通信范围之外的节点需要经过多跳
• 拓扑动态变化：某些节点移动、关闭和开启电源，引起节点和链路数量及分布的变化
• 特殊的信道特征：受无线信道冲突等影响，链路的实际带宽远小于理论带宽，且动态变化
• 节点能耗受限
• 安全性：易受到窃听、主动入侵、拒绝服务等攻击

微微网

• 首先提出通信要求的为主设备，被动进行通信的设备是从设备（仅在基带有此区分）
• 一个微微网中有1个主设备，最多有7个从设备
• 主设备的时钟传送给从设备，从设备加上偏移量

微微网内部调度

• 如果主设备没有数据给从设备，就发送POLL分组
• 如果从设备没有数据给主设备，发送NULL
• 降低POLL和NULL分组的比例，是提高调度效率的根本

时钟

• 每个蓝牙设备有一个独立运行的28bit内部系统时钟，频率为3.2kHz
• 决定收发器的定时和跳频
• 与提他设备同步时，在本地时钟上增加一个偏移量

散射网

同一个区域中可以同时存在多个微微网，如果有蓝牙设备进入这样的网络，并作为桥接设备，将在空间上重叠的微微网相互连接起来，组成散射网

循环轮询的改进方法

• 彻底循环轮询

  • 直到主设备和从设备发完信息后才轮询至下一个设备；（有什么问题？）
  • 公平性问题，一些节点可能一直有数据发送，使得其他设备没法发数据

• 限制的循环轮询

• 限制每次连接后的数据传输数量

• 依赖主设备和从设备状态的轮询

  • 给每一对M-S安排优先级
  • 1代表有数据发送，0代表无数据发送。
  • 1-1优先级最高，其次是1-0和0-1，最低是0-0
    环轮询
  • 直到主设备和从设备发完信息后才轮询至下一个设备；（有什么问题？）
  • 公平性问题，一些节点可能一直有数据发送，使得其他设备没法发数据

• 限制的循环轮询

• 限制每次连接后的数据传输数量

• 依赖主设备和从设备状态的轮询

  • 给每一对M-S安排优先级
  • 1代表有数据发送，0代表无数据发送。
  • 1-1优先级最高，其次是1-0和0-1，最低是0-0