低功耗蓝牙开发入门概念科普

一、概述

1、缘起
低功耗蓝牙起源于Bluetooth4.0版本，至今已发展到5.3

4.0 bluetooth low enerngy 这个阶段低功耗蓝牙的基础框架已经稳定成型，后面版本主要退出新特性和扩展特性，同时保证和4.0的原生兼容性
4.1 multi role（主从一体）,自动回连
4.2 data length extend，le secure connections pair ecdh密钥交换，（legacy pair）
5.0 2M phy，codeed phy（long range），扩展广播（31——>255)
5.1 增加方位和角度（用于定位，厘米级），比如apple tag
5.2 增加ble audio，
5.3 定期广播增加，加密密钥大小控制增加，亚速率连接（更快的更新连接参数），信道分类增强（从设备翻身做主，可对主机发出的信道策略提出更正）

二、架构

1、H-C设计（分层分工设计）

1.1、soc

soc设计是嵌入式开发中较为常见的开发设计方式，即controller和host在一颗芯片中搞定，典型如nordic，ti cc2640 2541，esp32等等

1.2、双芯片

双芯片就是host和controller分别放在一颗芯片中设计

2、controller

负责链路层及其以下的部分

链路层：链路层定义了两个设备如何利用无线电传输信息，包含了报文、广播、数据通道的详细定义，也规定了发现其他设备的流程、广播的数据、连接建立、连接管理以及连接中的数据传输。

phy层：物理层，底层基带信号调制（理解为二进制信号流即可）

看着事少，确是一切的基石

3、host

l2cap：逻辑链路控制和适配器

ATT：属性协议（蓝牙服务中的最小原子单位，可理解为军队中具体的一个士兵）
GATT：属性协议配置规范
SM：安全管理
GAP：通用访问规范
应用层：这是开发者大展拳脚的地方

4、hci

全称是host controller interface

VHCI：soc设计中典型方式（可理解为massage queue）
UART: H4,H5(不带流控,SLIP分包）
USB
SPI
SDIO
…

5、总体层次图

三、连接

1、广播与扫描

广播通道

1.1、广播事件

1.2、广播类型

可连接非定向广播（最常用）
可连接定向广播
不可连接非定向广播
不可连接可扫描广播

1.3、广播包数据结构

广播包有两种（广播包，广播响应包）
两种包数据结构相同，最大长度31（5.0->255),数据采用LTV格式来组织
L：length 1byre
T：type 1byre
V：value length-1byre

1.4、扫描

扫描分两种类型
主动扫描和被动扫描

2、连接

当扫描设备扫描到自己感兴趣的广播设备，即可再广播通道的广播事件锚点发出连接申请（connection indication），双方即可各种进入连接状态，准备交互数据

连接申请中包含的内容很丰富，挑几样来说

①初始连接参数
②通道选择算法和通道图（用于沟通初始通道和后续跳频）
③双方mac地址
④crc初始值
⑤传输窗口等等

3、状态转换关系

4、连接事件及连接参数

最小连接间隔
最大连接间隔
slave latency
super timeout

四、数据通讯

1、数据包格式

是不是感觉和自己定的串口通讯协议很像，前导码类似于AA55这种用来表示蓝牙数据包起始

以前感觉串口前面加的AA55这种很土，现在觉得很亲切很自然，因为连续的0101是最理想数字编码数据，连续多bit0和连续多bit1是最差的（容易误码）

蓝牙实际的抓包，空中包也确实是这个样子的

2、attribute

attribute table 中的最小单位，组成包括

attribute handle
attribute type（uuid）
attribute value
attribute permissions

实例

3、character

特征，几个attribute组成一个character，可以理解为一个attribute小组，小组中往往只有一个attribute是起数据通讯只用，其它attribure基本是对改主要attribute的辅助

4、service

服务，几个character组成一个service，可以理解为一个attribute部门，该部门持有几个character共同提供某一服务，不如A501,A502,A503,A508等共同组成我们公司的A5服务

5、profile

规范（规则），1个或者几个服务组成一个profile，可以理解为一个attribute 事业部，几个不同的子部门共同来支持这个事业部，比如穿戴事业部由系统部，应用部等等组成

6、profile示意图

7、数据发送方式

角色：server or client

注意：设备可以即是client又是server，典型的比如我们的手表或者苹果手机，苹果手机在作为client访问我们手表server数据的同时，它又同时作为server为我们提供了ams，ancs等服务（手表作为client）

上行：一般指server往client发数据
下发：一般指client往server发数据

上行数据方法

notify：无确认包，但保证交付
indicate：保证交互，且又明确的确认包

注意client想后续收到server的notify和indication，必须要先打开对应的配置（使能）

下发数据方法
write with rsp：保证交付，且有明确的结果返回
write without rsp：保证交互，没有明确的结果返回（正确对应ATT_WRITE_REQ，错误对应ATT_ERROR_RSP）

截取一些错误码，完整错误码请参考 core spec

8、提高数据发送速率及其原理

1、改变连接参数

连接参数来源，主机，主机，还是主机（扫描广播，并发起连接的设备）影响方法

①初始connection 包
②gap profile中的Peripheral Preferred Connection Parameters characteristic
③主机主动下发改变通知（有可能中途随机下发，450ota曾因此引发ota变慢的bug）
④从设备主动申请update，等待主机执行（从机也就只能吹吹枕边风，主机有可能直接拒绝（典型霸道如ios手机，需要满足公式，可参考苹果开发者手册），或者欣然接受，随后通过上面的方法3来具体下发生效的值）

从机申请更新连接参数，实例抓包

2、改变mtu和dle（两者配合）
dle <= 251
mtu <= 512
建议mtu <= (dle - 4)

3、使用2M phy（大于等于5.0版本）
传输速度直接翻倍
秘诀是啥？改变波特率（参考串口通讯，把9600改成115200）
1M phy（强制）：1bit长度1us
2M phy（可选）：1bit长度0.5us

4、问题来了，这些参数综合起来究竟如何影响数据传输速度？
连接间隔一定是越小越快？
mtu越大越好？
为啥实际数据传输速率达不到官方号称的1M or 2M？

五、ellisys抓包实战

1、准备硬件

硬件包括ellisys，待测设备（蓝牙主机，从机），电源插电，usb线插电脑

2、开启抓包

点击界面record开启盲抓（ellisys很强大）

3、开启过滤

4、设备广播

5、操作设备

6、结束抓包并分析

7、抓包数据存档