蓝牙如何进行广播和扫描
本文涉及如下BLE问题:
BLE设备是如何被发现的
如何快速的找到BLE设备或者如何降低广播阶段的功耗
BLE广播通道/频道(channle)上的PDU
1. 广播的目的
- 让别人能发现自己,对于一个不广播的设备,周围设备感觉不到其存在的,因此,要让别的设备能发现,则必须向外广播,在广播中可以带上丰富的数据,比如设备的能力,设备名字以及其他自定义的数据,这也就有了第二种可能。
- 给不需要建立连接的应用广播数据,比如一个BLE温度计,其本身可以不接收任何连接,而可以选择通过广播将温度发送出去。检测者只要监听广播就能获取当前的温度。
扫描者只有在收到广播数据后,才能去与广播者建立连接。广播是周期性的将广播数据从广播通道上发送出去,这里有如下几个问题:
1. 广播通道,广播数据是在37/38/39通道上将广播出去,当然也可以只配置在某一个广播通道上发送
2. 广播数据:即广播类型的PDU,广播所携带的信息。
3. 周期性:即广播间隔(advertising interval)
一个广播包在37,38,39分别广播出去为一个广播事件(Advertising event),
以一定的时间间隔广播数据,这个间隔称为称为advertising interval,为了改善设备的兼容性,在两个广播时间间隔之间,还有加上一个随机的0-10ms的delay时间。
时间关系如下:
Advertising event的周期= advertising interval + delay
其中:delay是一个0-10ms的随机数。
advertising interval的范围:20ms – 10.24s,并且要求是0.625ms的整数倍。
2. 扫描
扫描是为了获取设备信息,发现周围设备,分两种情况:
被动扫描(Passive scan):这种情况,扫描者不发送任何信息,只监听广播数据,扫描者能收到广播,广播者并不知道扫描设备的存在:
主动扫描:扫描者在接到广播数据(ADV_IND)后,主动发起扫描请求(SCAN_REQ),广播者接到扫描请求回应扫描(SCAN_RSP),扫描回应(SCAN_RSP)也可以携带广播者数据:
但需要注意的是,扫描者发送SCAN_REQ请求无法携带有效用户数据(参考扫描类型的PDU Payload),因此广播和扫描者之间是单向通信,扫描者能知道广播者信息,但广播者无法知道扫描者信息。
广播者只是在广播通道发送广播数据,并不知道任何scanner的存在,advertiser和 scanner之间也不存在任何同步方式,只有广播和扫描所在的通道随机重合时,广播包才能被扫描设备收到,因此,和广播设备一样,扫描设备也有一些时间参数要求。
扫描有两个重要的参数:scan interval 和scan window
Scan interval:定义多久发送一次扫描请求,
Scan window:定义扫描持续的时间是多长
Scan interval 的取值范围是:2.5ms-10.24s
advertiser 和 scanner之间不存在任何同步方式,只有广播和扫描所在的通道随机重合时,双方才能发现。
对于广播和扫描而言,功耗主要消耗在发送或者接收数据期间,因此,广播间隔和扫描间隔对功耗有很大影响,不同的应用应根据实际设置合适的间隔。
3 初始化连接(Initiating)
当接到广播数据后,scanner可以发起建立连接请求,建立连接请求的数据包(CONNECT_REQ)是在广播通道上发起的。如下所示:
CONNECT_REQ请求中会带上重要的连接参数,包括连接时间间隔,supervision timeout,以及和跳频相关的参数,并且在建立连接后,切换到数据通道上交互数据。这些将在连接的建立中详细叙述。
4. 广播channle上的PDU的展开
将广播通道的PDU结构进一步展开如下:
1. PDU Type:指示PDU的类型,PDUType有七种,分别如下:
7个类型的PDU,分为三类:
四个广播类型的广播PDU
两个扫描类型的PDU
一个发起连接PDU
2 RFU: reserved
3 TxAdd和RxAdd:由PDUType决定其意义,后面的章节与PDUType一并分析;
4 Length: PDU的长度,6 bits,有效范围 6-37 octets,
5 Payload:取决于PDUType,后面的章节与PDU Type一并分析;
广播类型的PDU包括 16 bits的header 和(0-31)字节的payload,header中最重要的一个字段是PDU Type, Txaddr, RxAddr以及payload都是由PDU type决定其意义的,现在将PDUType的七种情况展开分析:
根据上图信息,目前,还有两个结构没有展开:AdvData和LLData,
下面以ADV_IND和CONNECT_REQ 为例来展开分析对应PDU
5. ADV_IND PDU展开
ADV_IND PDU
最终,看到AdvData由一个个AD Structure组成,每个advStructure包括三个部分:
· AD length,AD Type 和ADData的长度
· AD Type:AD Data的数据含义,
· AD Data:AD Type所指示的数据
AD type定义在Core Specification Supplement(CSS) v7 https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications
先来看从代码中找到AD type支持的类型:
最后一个AD Type = 0xFF时,可以扩展私有数据。
抓包示例(抓包软件会解析或者附带一些的帧头数据):
这是工具已经解析了的数据,物理层原始数据如下:
按照PDU结构解析后如下:
SCAN_RSP的原始数据包如下:
解析后:
CONNECT_REQ PDU也是广播通道上的PDU,我们后续再继续展开分析。
6. 广播阶段设备的交互流程
一般情况下,广播阶段设备的交互流程如下所所示:
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