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[導(dǎo)讀]經(jīng)過Physical Layer的定義,通信所需的物理通道已經(jīng)okay了,即40個(gè)RF Channel(后面統(tǒng)一使用Physical Channel指代)此時(shí)Link Layer可以粉墨登場了,它主要的功能,就是在這些Physical Channel上收發(fā)數(shù)據(jù),與此同時(shí),不可避免的需要控制RF收發(fā)相關(guān)的參數(shù)。



前言
BLE

經(jīng)過Physical Layer的定義,通信所需的物理通道已經(jīng)okay了,即40個(gè)RF Channel(后面統(tǒng)一使用Physical Channel指代)

此時(shí)Link Layer可以粉墨登場了,它主要的功能,就是在這些Physical Channel上收發(fā)數(shù)據(jù),與此同時(shí),不可避免的需要控制RF收發(fā)相關(guān)的參數(shù)。


除此之外,還要做到:

  • Physical Layer僅僅提供了有限的40個(gè)Physical Channel,而BLE中參與通信的實(shí)體的數(shù)量,肯定不是這個(gè)數(shù)量級。Link Layer需要解決Physical Channel的共享問題

  • 通信是兩個(gè)實(shí)體之間的事情,對這兩個(gè)實(shí)體來說,它們希望看到一條為自己獨(dú)享的傳輸通道(就是我們所熟悉的邏輯鏈路,Logical Link)。這也是Link Layer需要解決的

  • Physical Channel是不可靠的,任何數(shù)據(jù)傳輸都可能由于干擾等問題而損毀、丟失,這對有些應(yīng)用來說,是接受不了的。因此Link Layer需要提供校驗(yàn)、重傳等機(jī)制,確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?/span>


狀態(tài)(state)和角色(role)的定義

BLE協(xié)議在Link Layer層抽象出5種狀態(tài)

  • Standby State:待機(jī)狀態(tài),不發(fā)送數(shù)據(jù),也不接收數(shù)據(jù)。該狀態(tài)可以由任何狀態(tài)進(jìn)入,也可以切換到除Connection狀態(tài)外的任意一種狀態(tài)。

  • Advertising State:廣播狀態(tài),可以發(fā)送,監(jiān)聽,響應(yīng)廣播通道包,由Standby狀態(tài)進(jìn)入。

  • Scanning State:掃描狀態(tài),能夠監(jiān)聽廣播設(shè)備發(fā)送的廣播包,由Standby狀態(tài)進(jìn)入。

  • Initiating State:初始化狀態(tài),監(jiān)聽指定設(shè)備的廣播通道包,并且響應(yīng)廣播包,并發(fā)送連接請求,以便和廣播設(shè)備建立連接。當(dāng)連接成功后,Initiater和對應(yīng)的Advertiser都會切換到Connection狀態(tài)。該狀態(tài)由Standby狀態(tài)進(jìn)入。

  • Connection State:和某個(gè)實(shí)體建立了單獨(dú)通道的狀態(tài),在通道建立之后,由Initiating State或Advertising State進(jìn)入。通道斷開后,會重新回到Standby狀態(tài)。

進(jìn)入Connect State后,又定義了兩種角色:

  • Master Role:由Initiating State進(jìn)入的Connect State,連接成功后,變成了Master Role。

  • Slave Role:由Advertising State進(jìn)入的Connect State,連接成功后,變成了Slave Role。



空中接口數(shù)據(jù)包

該章節(jié)官方文檔定位:Core5.0 P2562

狀態(tài)和角色定義完成后,剩下的事情就簡單了,主要包括兩類:

  • 提供某一狀態(tài)下,和其它實(shí)體對應(yīng)狀態(tài)之間的數(shù)據(jù)交換機(jī)制;

  • 根據(jù)上層實(shí)體的指令,以及當(dāng)前的實(shí)際情況,負(fù)責(zé)狀態(tài)之間的切換。

BLE協(xié)議中,這些事情是由一個(gè)叫做空中接口數(shù)據(jù)包(Air Interface Packets)的家伙負(fù)責(zé)。


Air Interface Packets定義了一種包的格式,主要用于描述LE Uncoded PHY、advertising channel和data channel的通信格式。


包的格式如下

3.1Preamble字段

Preamble前導(dǎo)碼:是0和1的交替序列,當(dāng)物理通道為LE 1M PHY時(shí),前導(dǎo)碼為1Byte;當(dāng)前導(dǎo)碼為LE 2M PHY時(shí),前導(dǎo)碼為2Byte。

格式如下


3.2Access Address字段

Access Address:對于所有在廣播通道發(fā)送的數(shù)據(jù)包,其值都為0x8E89BED6。一旦鏈路層處于Initiating State狀態(tài)時(shí),會生成一個(gè)新的Access Address用于連接。該Access Address為一個(gè)4Byte的值。

藍(lán)牙使用Access Address來標(biāo)識不同的設(shè)備,Access Address可以是一個(gè)公共的地址,也可以是一個(gè)隨機(jī)的地址,無論是哪一種類型的地址,均為48bits長度。

  • 公共地址:官方定義的一些規(guī)范,通用的地址,這里不做解釋。

  • 隨機(jī)地址:可能是靜態(tài)地址,或者是私有地址


3.2.1靜態(tài)地址

靜態(tài)地址一般都是隨機(jī)生成的,但是需要滿足下面的幾點(diǎn)規(guī)則:

  • 地址的兩個(gè)最高有效位應(yīng)該等于1

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為0

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為1

大多數(shù)的設(shè)備(手機(jī))都是在上電之后,初始化一次靜態(tài)地址,一旦初始化后,靜態(tài)地址就不變了;重新上電后,會生成新的靜態(tài)地址。


3.2.2私有地址

私有地址又分為:不可解析私有地址和可解析的私有地址。

① 不可解析的私有地址

不可解析私有地址,遵守以下生成規(guī)則:

  • 地址的兩個(gè)最高有效位應(yīng)該等于0

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為0

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為1

  • 不能與公共地址有沖突


② 可解析的私有地址

解析的私有地址,說直白點(diǎn)就是帶加密算法所生成的。設(shè)備需要有Local Identity Resolving Key (IRK)或者the Peer Identity Resolving Key (IRK)這兩個(gè)密鑰,生成24bit的號碼,

可解析的私有地址,遵守以下規(guī)則:

  • 地址的兩個(gè)最高有效位為0和1

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為0

  • 隨機(jī)地址部分,至少有一位為1

總結(jié):最高有效位的前兩位,代表了設(shè)備地址的類型


3.3PDU字段

Air Interface Packets整體的包結(jié)構(gòu)我們已經(jīng)熟知,下面主要分析以下PDU字段。

PDU:分為兩種,廣播通道上傳輸Advertising Channel PDU;數(shù)據(jù)通道上傳輸Data Channel PDU,長度為2-257字節(jié)


3.3.1Advertising Channel PDU

廣播通道PDU,包括Advertising PDU、Scanning PDU、Initiating PDU三種類型。

廣播通道的PDU,由16bit的數(shù)據(jù)頭和1-255Byte的可變大小數(shù)據(jù)組成。

16bit數(shù)據(jù)頭組成如下

  • PDU Type字段的類型有多種,如下

PDU Type有多種,文章定位:core 5.0 P2567,可自行查閱。

  • ChSel:該位為1,支持LE Channel Selection Algorithm,即LE通道選擇算法,反之,不支持。

  • TxAdd:該位為0,表明Payload的AdvA字段為公共的;該位為1,表明Payload的AdvA字段為隨機(jī)的。

  • Length:該字段表明了Payload的長度

官方文檔定位:core 5.0 P2569


常見的Advertising PDU

  • ADV_IND:該P(yáng)DU用于連接和掃描無定向的廣播事件。

  • ADV_DIRECT_IND:該P(yáng)DU用于連接和掃描定向的廣播事件。

  • ADV_NONCONN_IND:該P(yáng)DU用于不可連接和不可掃描的非定向廣播事件


常見的Scaning PDU

  • SCAN_REQ:該P(yáng)DU為發(fā)送掃描請求

  • SCAN_RSP:該P(yáng)DU包括了廣播者的地址和返回的掃描響應(yīng)數(shù)據(jù)。


常見的Initiating PDU

  • CONNECT_IND:該P(yáng)DU用于建立連接

LLData域有對應(yīng)了一些鏈路層參數(shù)的設(shè)置,可以詳細(xì)看Core 5.0 P2578

每一種PDU Type,都會定義自己的Payload組成。


3.3.2Data Channel PDU


數(shù)據(jù)通道PDU的格式,包括16bit的Header,可變大小的Payload,以及消息完整性檢查MIC.

包的格式如下

Header包括

LLID:該字段標(biāo)識了這個(gè)包為LL Data PDU或者LL Control PDU

NESN:下次期望的序列號

根據(jù)LLID字段,Data Channel PDU又分為LL Data PDU和LL Control PDU兩種類型。


  • LL Data PDU:該P(yáng)DU用于發(fā)送鏈路層的數(shù)據(jù)。

當(dāng)LLID為01b時(shí),并且Length=0時(shí),表示一個(gè)Empty PDU。

當(dāng)LLID為10b時(shí),則Length不能設(shè)置為0。


  • LL Control PDU:該P(yáng)DU用于控制鏈路層的連接。

Opcode操作碼也有多種:

每一種操作碼對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)長度。詳細(xì)可見core5.0 P2589


3.4CRC字段


CRC字段:在鏈路層包的最后,校驗(yàn)所有的PDU數(shù)據(jù),大小長度為3Byte。

如果PDU數(shù)據(jù)加密,則CRC將會計(jì)算加密后的PDU數(shù)據(jù)。

CRC算法采用多項(xiàng)式求和的形式進(jìn)行,感興趣的可以了解。Core 5.0 P2601



總結(jié)

本篇主要講了BLE的Link Layer,包括鏈路層定義的角色和狀態(tài),空中接口數(shù)據(jù)包的通信格式以及各個(gè)字段的含義,方便我們?nèi)シ治鯨OG和定位問題。


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