蓝牙技术概览
摘要
本文对蓝牙硬件架构、协议栈、应用协议类型等进行概要描述，内容总结于蓝牙联盟官网蓝牙规范文件，本文只用于蓝牙技术扫盲，具体细节请参考官网（Bluetooth® Technology Website）
蓝牙概念
蓝牙名字来源于第十世纪一位英勇的丹麦王子—哈拉尔·蓝牙（Harald Bluetooth），他带领人民平定统一了当时周围几个动乱的国家，终结了当地纷乱的海盗时代，蓝牙一名在那时象征着统一与连接。
1996年，爱立信、诺基亚、东芝、IBM、英特尔几位电子通讯领域的巨头，希望能够开发出一种标准的短距离的无线传输技术，希望这门技术能像蓝牙王一样，将当时的无线通讯领域统一起来：
- 目的：提供一种低功耗、低成本的无线连接方式，主要用于个人区域网络（PAN），支持设备之间的短距离通信。
- 应用范围：包括耳机、键盘、鼠标、智能手机与电脑间的文件传输、物联网设备等。
- 工作频段：2.4 GHz ISM （I工业、S科学、M医学）频段，与 Wi-Fi 使用的频段相同，但两者使用不同的调制方式和协议来避免干扰。
主要版本及特性
| 版本 | 特性 |
|---|---|
| Bluetooth 1.x | 最初版本，奠定基础架构，数据传输速率低（721Kbps），单双工，功耗高，距离10米 |
| Bluetooth 2.0 + EDR | 引入增强数据速率（EDR），传输速率提高到3Mbps，功耗降低，全双功，距离10米 |
| Bluetooth 3.0 + HS | 引入高速模式，最高可达24Mbps，可以传输视频，距离100米 |
| Bluetooth 4.0 | 包含了低功耗蓝牙（BLE），功耗低、延时低、成本低，AES-128加密，适合物联网设备，24Mbps，s距离100米 |
| Bluetooth 5.x | 40Mbps,大广播包，支持mesh，智能家居场景更友好，内定定位误差1米，优化数据传输可靠性，可应用于医疗等可靠场景中，距离300米 |
蓝牙版本向下兼容
常见蓝牙技术方案
- SOC单芯片方案，NRF52xxx，乐鑫ESP32等，将蓝牙协议栈直接设计到芯片中，再配合芯片的串口、ADC等其他外设，就能完成产品需求的功能。
- SOC蓝牙+MCU方案，在SOC单芯片基础上，MCU和蓝牙模块之间通过串口等通讯方式，使用预定义的相关指令控制蓝牙进行工作。
- 主机+控制器方案，最复杂蓝牙方案，能实现最多的蓝牙功能，例如，手机、汽车或者功能复杂的蓝牙手表等。
系统架构
蓝牙的核心系统由一个主机（Host）和多个控制器（Controller）组成，两者靠HCI（主机控制接口 Host Controller Interface）接口连接，主机是蓝牙协议栈（逻辑实体），控制器是指蓝牙芯片（物理实体），芯片的模式包含传统蓝牙和低功耗蓝牙两种类型，根据芯片支持模式的数量可以分为：
- 单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙、单一低功耗蓝牙
- 双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙
主机和控制器之间的组合逻辑可为：
核心系统架构如图
控制器
射频器Radio
提供射频功能，负责物理通道的信息收发
链路控制器Link Controller
控制传输速率、传输功率等射频参数，对蓝牙数据包进行编码和解码
基带资源管理器Baseband Resource Manager
负责无线介质的所有访问，主要包含两个功能：通讯调度、协商接入合约。
通讯调度：蓝牙通讯是时分复用的，通讯被划分为很多时间槽，将基带资源分配好，确保不同应用可以有效共享无线资源。
协商接入合约：与通讯实体协商接入合约，合约就是约定的通讯服务质量（Qos），音频协议、文件传输、串口模拟等实体对带宽、延迟、数据速率等服务质量，有不同的要求。
等时适配层ISOAL Isochronous Adaptation Layer
对上下层数据包大小及传输间隔进行适配，等时性传输：在固定时间间隔内可靠传输完数据；数据包大小匹配：上层与下层数据包大小不同时，自动完成分片/重组、分段/重装
| 操作 | 说明 |
|---|---|
| 分片 Fragmentation | 数据包过大时，拆分成各个小包 |
| 重组 Recombination | 将分散的各个小数据包重新组合成完整的数据包 |
| 分段 Segmentation | 类似分片，但更加强调按照逻辑边界切分数据，例如音频包 |
| 重装 Reassembly | 将多段数据按照顺序重新组装为原始数据流 |
信道探测模块 Channel Sounding
负责创建、修改、释放信道探测物理链路，提供距离估计和攻击检测功能，使用蓝牙实现高精度测距，例如数字汽车钥匙、室内导航等；监测是否存在中继攻击（按照距离是否跳变的原理）。
链接管理器 Linker Manager
蓝牙设备连接的总指挥官，负责建立和维护设备之间的连接关系，使用BR/EDR的链路管理协议LMP和LE中的链路管理协议LL，实现启用加密传输、调整物理链路发射功率、调整Qos合约。
设备管理器 Device Manager
控制设备级行为的中枢模块，控制设备发现、可被发现、可连接、发起连接、配对与绑定的管理，是“即插即用”和动态组网的关键组件。
HCI接口层
使用硬件接口UART/USB/SDIO实现主机与控制器的通讯，主要包含：
- H2 USB
- H4 UART
- CMMAND 主机协议栈发送给控制器的命令
- EVENT 控制器上报给主机协议栈的事件
- ACL 双向交互的上下交换的普通数据
- SCO 双向交互的音频数据
- ISO LE用的数据包
- H5 UART
- BCSP 串口
- SDIO 安全数字传输
主机和控制中都有对应的HCI各个通讯方式的驱动
主机
L2CAP资源管理器
位于主机的L2CAP层（Logical Link Control and Adaptation Protocol），负责在有限资源下保障服务质量，协调数据传输的优先级和合规性。
上层应用数据（SDU）会被L2CAP分段多个PDU数据，然后PDU数据通过接口发送到控制器上，控制器缓冲区和HCI接口带宽都有限，某个高带宽应用传输时可能会阻塞其他应用，此时需要L2CAP进行调度，使有Qos的通道能按时传输。
附带流量合规性监测，例如监测某通道实际是否符合Qos合约。但是该处只是定义应该调度，但没有明确调度的方法。
信道管理器Channel Manager
创建、管理和关闭 L2CAP 信道，将信道绑定到上层应用上，实现设备间端到端的连接，且满足Qos要求，实现蓝牙多服务并发。L2CAP信道是各主机之间端到端的逻辑通路，每个信道对应一个特定的服务或者数据流，例如有音频控制、音频流、文件传输、串口模拟等。
安全管理器协议SMP Security Manager Protocol
低功耗LE蓝牙通讯的安全中枢，使用专用信道与对端设备协商并管理加密密匙、身份密匙，实现身份认证、隐私保护，与底层LinkManager协作完成底层安全操作，建立完整的安全连接、配对、绑定、隐私保护的基础。
属性协议ATT Attribute Protocol
低功耗LE使用L2CAP固定信道，实现ATT客户端与ATT服务器之间的点对点的CS通讯模式，属性是什么：设备的各种数据，属性字段包含：
- 属性句柄 唯一16位编号，用于定位该属性
- 属性类型 心率、设备名称等等
- 正文 数据内容
- 权限 访问权限，RO WO RW等
通用属性协议GATT Generic Attribute Profile
低功耗蓝牙（LE）生态系统的“应用语言”，构建在ATT之上的应用层框架，ATT 负责“怎么传”，GATT 规定“传什么、怎么组织”。GATT定义了ATT服务器中 服务、特征、属性的层次结构：
| 概念 | 说明 |
|---|---|
| Service（服务） | 一组相关功能的集合，例如“心率服务”、“电池服务”。用 UUID 标识。 |
| Characteristic（特征） | 服务中具体数据项，包含具体数值，例如心率值，并设置访问权限 |
| Attribute（属性） | GATT 中的最小数据单元，每个服务和服务内的字段都以属性形式存在，由 Handle 唯一标识。 |
| GATT使用标准接口：发现 读取 写入 通知 |
- 发现：查找远端设备提供哪些服务和特征
- 读取：获取某个特征的当前值
- 写入：设置某个特征的当前值
- 通知：接收服务器主动推送的数据
以上操作使用ATT实现，只是GATT将其封装成高级API。
服务发现协议SDP Service Discovery Protocol
经典蓝牙（BR/EDR）系统中实现服务发现的核心机制，使用固定信道，使客户端按照服务属性搜索所需服务。
服务属性：每个蓝牙服务在SDP中被描述为“服务记录（service record）”,属性中包含服务类、服务列表、服务名称、服务描述、服务提供者、端口号，可以使用这些属性字段进行精确查找。例如，搜索是否有音乐服务、是否支持文件传输。但SDP只负责发现服务，不定义发现后的访问方式，具体方式由具体服务决定。
串口仿真协议RFCOMM Serial Port Emulation
在传统经典蓝牙上模拟处RS-232的串口行为，底层是L2CAP
其他协议：
- 对象交换协议OBEX Object Exchange ,广泛用于在设备之间传输文件、同步数据或交换对象（如名片、日历事件、消息等）。
- 蓝牙免提协议 HFPHands-Free，将手机的通话转移到耳机、汽车上。
- A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)，高质量音频流从一个设备传输到另一个设备的标准方法，通常用于无线耳机或音箱与音源设备（如手机、电脑）之间的音频传输
- HID (Human Interface Device Profile)，HID 允许蓝牙设备作为输入设备（如键盘、鼠标）工作，并且可以与操作系统或其他蓝牙设备进行交互。
- AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile)，AVRCP 用于控制多媒体播放设备（如音乐播放器），它允许遥控器发送命令给媒体播放器来执行播放、暂停、快进等操作。
- MAP (Message Access Profile) MAP 让设备能够访问短信和电子邮件消息。这对于车载系统特别有用，因为它可以让驾驶员安全地阅读和回复短信，无需手动操作手机。
收发数据流
经过面对主机、控制器的组成分析，可以清楚的了解数据是如何从上层逐渐到下层的，总体数据流示意图如下所示
