详解BLE 空中包格式—兼BLE Link layer协议解析

Posted 2020-11-02 iini

BLE有几种空中包格式？常见的PDU命令有哪些？PDU和MTU的区别是什么？DLE又是什么？BLE怎么实现重传的？BLE ACK机制原理是什么？希望这篇文章能帮你回答以上问题。

 

虽然BLE空中包（packet）涉及BLE协议栈link layer，L2CAP，SMP和ATT等各层次，但link layer跟空中包格式关系最紧密，掌握了BLE packet的格式，就很容易理解BLE link layer协议的工作原理，因此文章取名“详解BLE空中包格式—兼BLE link layer协议解析”

BLE Packet格式

BLE链路层（link layer）只定义了一种packet（空中包）格式，如下所示：

而且PDU（protocol data unit，协议数据单元）前两个字节固定为LL header（1个字节长）和payload length（1个字节长，又称data length），即上面的Packet可以展开为：

 

preamble（前导帧）为1个字节，根据Access Address第一个Bit，有两种取值情况：0x55或者0xAA（纯PHY层行为），如下所示：

Access Address用来标示接收者ID或者空中包身份，如前所示，BLE只有一种packet格式，根据Access Address的不同，又区分两种Packet类型：广播包和数据包：

• 广播包Access Address 固定为0x8E89BED6，广播包只能在广播信道（channel）上传输，即只能在37/38/39信道上传输。广播包发送给附近所有的observer（扫描者）。
• 数据包Access Address为一个32bit的随机值，由Initiator生成。数据包，其实是数据信道上的空中包的简称，数据包只在数据信道上传输，即除37/38/39之外的其余37信道（BLE总共占用40个信道）。每建立一次连接，重新生成一次Access address。数据包是给连接通信使用的，即用于master和slave之间通信的。

CRC为24bit，初始向量为：

 

蓝牙广播包

蓝牙广播包，全名蓝牙广播通道（channel）空中包，即在蓝牙广播通道（37/38/39信道（channel））上传输的空中包，为两种空中包的一种，其具体格式如下所示：

 

Advertising Header即前述的LL header，长度为一个字节，其每bit定义如下所示：

 

• PDU Type为3bit，具体定义如下。可以看出扫描PDU和发起连接PDU都属于广播包。

 

       注：CONNECT_REQ也可写作CONNECT_IND

• TxAdd/RxAdd，各占1bit，表示随后的Device Address字段代表的蓝牙MAC地址类型，值0代表Public地址，值1代表Random地址。

Payload length定义如下所示，所以广播包PDU最长37个字节。

 

Device Address，广播包中的强制字段，俗称蓝牙MAC地址，如果是广播包，则是advertiser的MAC地址；如果是scan包或者连接请求包，则是scanner的MAC地址。蓝牙device address为6个字节，这样Advertising data最长为：37-6 = 31B，这就是广播包数据最长只能31个字节的由来。如前所述，device address分public和random两种，定义如下所示：

 

Random device address又有三种类型，定义如下所示：

  

Advertising data我会另写一篇文章来详述，这里就不再介绍了。

如下为一个完整的真实的广播包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。

• AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
  • AA – 前导帧(preamble)
  • D6BE898E – 访问地址(access address)
  • 60 – LL帧头字段(LL header)
  • 0E – 有效数据包长度(payload length)
  • 3B75AB2A02E1 – 广播者设备地址(advertiser address)
  • 02010504FF590053 – 广播数据
  • 8EC7B2 – CRC24值

注：上述广播包是蓝牙4.x格式，蓝牙5.0广播包除了包含上述格式外（记住：蓝牙5是跟蓝牙4.x兼容的！），还有一些新的定义，以后我也会写一篇关于蓝牙5广播的文章来专门阐述蓝牙5扩展广播包。

蓝牙数据通道空中包（数据包）

与蓝牙广播包相对应，蓝牙数据包是另一种BLE packet。蓝牙数据包是蓝牙数据信道空中包的简称，表示空中包只在蓝牙数据信道上传输，即除37/38/39之外的其他37信道。从格式上来说，蓝牙数据包分空包（empty packet）和普通数据包（data packet）两种，空包格式如下。

 

由图可见，空包整个payload为空，故名空包。                      

普通数据包格式如下所示：

 

Data header，即前述的LL header，在数据包中的定义如下所示：

 

• LLID（2bits）， link layer ID，对LL PDU进行分类：LL data PDU和LL control PDU。也就是说，普通的数据信道空中包包含LL数据包和LL控制包两种，具体定义如下所示。请大家注意分清data channel packet（数据信道空中包）和LL data packet（LL数据包）的区别，如前所示data channel packet包含LL data packet和LL control packet，LL data packet只是data channel packet的一种。在不引起上下文歧义的时候，我们把他们统一称作“数据包”。

 

Link layer支持如下control PDU：

 

• NESN/SN，NESN和SN各占1bit。SN全称为sequence number，表示当前发送的packet编号。NESN，next expected sequence number，用来告知对方下一个期待的packet的编号。Link layer使用SN来告知对方这个packet是新数据包还是重传包，用NESN来告诉对方你之前发我的包已经收到了（相当于ACK的作用），我现在期待下一个新的数据包了，因此BLE没有专门的ACK包，它是通过NESN/SN来实现ACK和重传双重功能的。请参考如下表格，仔细揣摩NESN和SN是如何编码的，以同时完成ACK和重传功能。

空中包编号	传输方向	NESN	SN	NESN?	SN?
#1	M -> S	1	0
#2	S -> M	1	1
#3	M -> S	0	1	1	0
#4	S -> M	0	0	1	1

我们来分析#3数据包，#3是master发给slave的，那么#3的NESN和SN是如何确定的呢？其实#3的NESN和SN是通过比较#1和#2的NESN/SN的值来确定的，Master把#1传完之后，会把#1包的NESN和SN记录下来，即表格右边的NESN?和SN?。然后Master会拿SN?跟#2的NESN相比，两者不等，说明slave已经收到了#1包，并期待master发一个新的包给它，此时Master会把SN?增1，形成#3包的SN，表示这个数据包是一个新包，然后发出去；两者相等，说明slave没有收到#1包，此时master需要重传。Master还会拿NESN?跟#2的SN相比，两者相等，说明#2包为新包，然后Master会把NESN?增1，形成#3包的NESN发出去，告诉slave我已经收到#2包了并期待你的下一个包；两者不等，说明#2包为重传包。注意：大家可以从上述表格发现一个规律，就是同一方向相邻的两个数据包，他们的NESN和SN与另一个包的NESN和SN是相反的，比如#3 NESN = #1 #NESN ，#3 SN = #1 #SN ，同样#2和#4 各自的NESN和SN是相互相反的。

我们可以用下面的流程图来描述上述过程。

  

• MD（1bit），more data，用来指示对方我还有数据包要传，请继续打开射频窗口准备接收。比如Nordic nRF51822一个connection interval可以发6个包或者更多的包（也就是说，一个connection event包含多个数据包交互），用的就是MD来实现的。以notify命令为例，设备（Server）notify第一个数据包并将MD置1，Client（比如手机）收到这个notify命令后，就知道Server还有数据包要传，此时手机可以继续发一个空包给设备，以让设备把第二个notify命令发过来，详情如下所示。注：Master为手机（Client），Slave为设备（Server）。

 

Payload Length or Data Length，BT4.0/4.1定义如下所示，这就是蓝牙4.0/4.1一个包只能传20个字节的根源。

 

BT4.2之后，Payload length 8 bits全部用来表示长度，这样的话，payload size最大可达251字节（255 – MIC size）。BLE连接建立之后，可以动态更改data length长度（默认为27字节），这个特性叫做Data Length Extension（DLE），DLE是通过Link layer命令：LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP来实现的。Data length直接跟蓝牙芯片的射频能力有关，像Nordic的nRF51822只支持BT4.1的Data length，就是因为PHY层已经做死了，无法扩展，但Nordic最新的nRF52832和nRF52840，就都支持DLE，即data length最大可到251字节。

L2CAP length，2字节长度，表示后面information payload的长度，information payload最大长度除了受这个L2CAP length字段约束，同时还受MTU的限制。MTU，Maximum Transmission Unit，是ATT层与L2CAP层可以交互的最大数据长度，或者说是Client与Server可以交互的最大长度。

总结一下，蓝牙spec里面定义了2个长度字段：LL data length和L2CAP length，同时ATT层还定义了一个MTU，以限制ATT PDU最大长度。LL data length可以通过LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP动态改变，MTU size则可以通过后面要讲到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response来改变，而L2CAP length无法动态改变，也就是说不能超过65535。

L2CAP CID，2字节长度，逻辑通道的ID，BLE使用固定的通道编号，定义如下所示：

 

BLE L2CAP Signaling Channel支持的PDU命令只有三个：

• Command reject
• Connection parameter update request，更新连接参数，比如最小连接间隔，最大连接间隔，slave latency等
• Connection parameter update response，接受或者拒绝上面的请求

Security Manager Protocol（SMP）用来实现配对和密钥分发的，SMP支持如下PDU命令：

 

Attribute Protocol（ATT），就是我们经常用到的应用层，应用数据就跟在ATT命令后面，ATT支持如下命令列表：

  

如下为一个完整的真实的数据包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。

 

• AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
  • AA – 前导帧(preamble)
  • 0x50655DAB – 访问地址(access address)
  • 1E – LL帧头字段(LL header)
  • 08 – 有效数据包长度(payload length)
  • 04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号
  • 1B – notify command
  • 0x0013 – 电量数据handle
  • 0x53 – 真正要发送的电量数据
  • 0xF650D5 – CRC24值