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第四章：L2CAP 的“数据语言”——揭秘蓝牙通信的报文格式

news 2025/10/21 9:58:12

🔍 “蓝牙耳机怎么知道该播放哪段音频？键盘按键如何准确传送到电脑？”
答案藏在 L2CAP 的数据包格式中——它就像一套“通用语言”，让不同设备之间能高效、可靠地交换信息。

上一节我们深入探秘了 L2CAP 信道的“生命周期引擎”——状态机。现在，让我们走进它的“数据世界”：L2CAP 如何封装数据？不同的连接模式下，报文结构有何差异？

本章将带你全面解析 L2CAP 的四种核心通信模式及其对应的数据包格式（Packet Format），从基础帧到高级流控机制，一网打尽！

🌐 4.1 面向连接通讯（Connection-oriented Channels）

✅ 什么是面向连接通信？

在蓝牙协议中，面向连接的信道（Connection-Oriented Channel） 是最常见、最可靠的通信方式。它类似于打电话：必须先建立连接，然后才能传输数据，且保证顺序、完整性与错误恢复。

💡 类比：
打电话 = 面向连接
发短信 = 无连接

这类信道适用于对可靠性要求高的场景，如：

蓝牙耳机播放音乐
键盘输入同步
智能手表心率上传

📄 基础信息帧（Basic Information Frame, B-frame）

面向连接的数据包采用 B-frame 格式，其结构如下图所示：

Figure 4.1: L2CAP Packet (field sizes in bits)

🔹 字段详解：

字段	大小	说明
Length	16 bits	表示 Information payload 的长度（单位：字节），不包含 L2CAP 头部。最大支持 65535 字节。用于接收端校验数据完整性。
Channel ID (CID)	16 bits	标识目标信道的唯一编号。每个 CID 对应一个逻辑通道，范围由设备动态分配。例如：0x0001 是信令通道，0x0002 是组帧通道。
Information (payload)	0~65535 bytes	实际承载的用户数据或上层协议数据（如 ATT、RFCOMM）。

⚠️ 注意：所有字段均按 小端模式（Little Endian） 编码，即低位在前。

📌 关键点总结：

最小 MTU（Maximum Transmission Unit）：在通道配置期间协商，但至少为 48 字节。
CID 是关键：决定了数据发往哪个信道，是多路复用的核心。
Length 字段：帮助接收方判断是否完整收到数据包，防止截断或拼接错误。

✅ 这种结构简单高效，适用于大多数常规应用。

🚫 4.2 无连接通讯（Connectionless Data Channel）

✅ 什么是无连接通信？

无连接通信不需要预先建立连接，数据直接广播发送，类似“群发短信”。它不保证顺序、不提供重传机制，但延迟低、开销小。

适用场景包括：

服务发现（SDP）
广播通知
快速状态更新

📄 组帧（Group Frame, G-frame）

无连接通信使用 G-frame 格式，结构如下图所示：

Figure 4.2: Group Frame (G-frame)

🔹 字段详解：

字段	大小	说明
Length	16 bits	整个数据包的长度（不含 Basic L2CAP Header），即 `PSM + Payload` 的总大小。
CID	16 bits	固定值为 0x0002，表示这是一个组帧。
PSM (Protocol/Service Multiplexer)	≥16 bits	指明上层协议类型，如 RFCOMM、SDP、ATT 等。
Information payload	0~65535 bytes	要分发给组内所有成员的数据。

📌 PSM 字段规则（重要！）

为了支持未来扩展，PSM 字段遵循以下规则：

所有 PSM 值必须是奇数 → 最低位（bit 0）为 1
高八位的最低有效位（bit 7）必须为 0
允许扩展到超过 16 位（通过保留位）

✅ 示例：
RFCOMM 使用 PSM = 0x0003
SDP 使用 PSM = 0x0001
ATT 使用 PSM = 0x0005

📌 关键点总结：

最小无连接 MTU（MTUcnl）：必须支持至少 670 字节，除非另有约定。
广播特性：数据会被发送到所有注册该 PSM 的设备。
无需握手：发送即完成，不等待确认。

❗ 由于无连接不可靠，不适合传输关键数据。

🔁 4.3 在重传、流控、流模式下的面向连接通信

✅ 为什么需要增强模式？

虽然基础 B-frame 已能满足大部分需求，但在高可靠性要求的场景中（如文件传输、实时控制），我们需要更强的机制来实现：

错误检测与重传
流量控制
有序传输

为此，L2CAP 提供了三种增强模式：

Retransmission Mode（重传模式）
Flow Control Mode（流控模式）
Streaming Mode（流模式）

这些模式统一使用 I-frame（Information Frame） 和 S-frame（Supervisory Frame） 来实现。

📄 I-frame 与 S-frame 结构

🔹 I-frame（信息帧）

用于传输实际数据，结构如下图所示：

Figure 4.3: I-frame and S-frame

字段	大小	说明
Length	16 bits	数据包总长度（不含 Basic L2CAP Header）
Channel ID	16 bits	目标信道标识
Control	16 或 32 bits	控制字段，决定帧类型和序列号
L2CAP SDU Length	0 或 16 bits	只存在于“Start of L2CAP SDU”帧中（SAR=01b），表示整个 SDU 的长度
Information Payload	可变	用户数据
FCS	0 或 16 bits	帧校验序列（可选），用于错误检测

✅ FCS 是可选的，通常在高可靠性场景启用。

🔹 S-frame（监督帧）

用于控制和管理通信过程，如确认、请求重传等。

字段	大小	说明
Length	16 bits	数据包长度
Channel ID	16 bits	信道标识
Control	16 或 32 bits	控制字段，定义帧行为
FCS	0 或 16 bits	可选校验

🎯 Control 字段详解

Control 字段是 I-frame 和 S-frame 的核心，分为两种格式：

1️⃣ Standard Control Field（标准控制字段）

适用于重传和流模式，结构如下图所示：

✅ 字段说明：

Frame Type：I=信息帧，S=监督帧
SAR：Segmentation and Reassembly（分段重组），00=完整，01=开始，10=继续，11=结束
ReqSeq：请求序列号，用于确认
TxSeq：发送序列号，用于排序
R：接收确认标志
P：Poll（轮询），请求对方响应
S：Sequence Number（序列号）
X：保留位，未来扩展用

2️⃣ Enhanced Control Field（增强控制字段）

适用于加强版重传和流模式，结构如下图所示：

✅ 新增字段：

F：Flag，用于区分不同功能（如流控、重传）

✅ 优势：支持更大的序列号空间，提升吞吐量和可靠性。

3️⃣ Extended Control Field Formats

该格式一般用于加强重传模式和流模式，字段描述如下：

1. X（Reserved for future use）

保留位，用于未来扩展。
当前设为 0。

2. ReqSeq（Receive Sequence Number）

接收端使用此字段来确认已收到的 I-frame。
在 REJ 和 SREJ 帧中，用于请求重传具有特定发送序列号的 I-frame。

3. TxSeq（Send Sequence Number）

发送端为每个 I-frame 分配唯一的序列号，用于：
- 保证数据顺序
- 支持重传机制
- 实现丢包检测

4. R（Retransmission Disable Bit）

重传禁用位，用于实现流量控制。
当接收端缓冲区满时，设置 R=1，通知发送端暂停重传。
发送端收到 R=1 后，停止使用 RetransmissionTimer，改用 MonitorTimer 监控信令。

✅ 功能独立于 ReqSeq，可单独启用。

5. SAR（Segmentation and Reassembly）

指示当前帧是否为分段数据的一部分。
取值如下图所示：

值	含义
00b	未分段的 L2CAP SDU
01b	L2CAP SDU 的起始帧
10b	L2CAP SDU 的结束帧
11b	L2CAP SDU 的中间帧（续传）

✅ 支持大 SDU 的分片传输，避免单包过大导致丢包。

6. S（Supervisory Function）

标记 S-frame 的类型，取值如下图所示：

值	含义
00b	RR - Receiver Ready（接收就绪）
01b	REJ - Reject（拒绝）
10b	RNR - Receiver Not Ready（接收未就绪）
11b	SREJ - Selective Reject（选择性拒绝）

✅ 用于实现滑动窗口机制和选择性重传。

7. P（Poll）

设置为 1 时，请求接收方立即响应。
接收方应返回 F=1 的 S-frame 作为响应。

8. F（Final）

设置为 1 时，表示这是对 P=1 请求的最终响应。
用于确保双向通信的完整性。

⚡ 4.4 在 LE Credit-Based Flow Control 模式下的面向连接通信

🚀 这是蓝牙低功耗（BLE）中最常用的模式，专为节能设计！

在 BLE 中，L2CAP 使用 Credit-Based Flow Control（信用额度流控）机制，避免频繁的握手和确认，从而降低功耗。

✅ 特点：

基于信用（Credits）：发送方获得一定数量的“信用点”，每发送一个包消耗一点，当信用耗尽时暂停发送。
无需复杂 ACK：接收方定期返回信用额度，简化流程。
高效节能：特别适合传感器、智能手环等低功耗设备。

📄 数据包格式

在此模式下，仍使用 B-frame 结构（见 Figure 4.1），但增加了额外的控制字段用于信用管理。

✅ 例如：ATT 协议在 BLE 中就运行在该模式下。

🔹 LE Information Frame（LE-frame）

结构如下图所示：

Figure 4.4: LE Information Frame (LE-frame)

字段	大小	说明
Length	16 bits	数据包长度（不含头部）
Channel ID	16 bits	信道标识
L2CAP SDU Length	16 bits	仅出现在第一个 LE-frame 中，表示整个 SDU 的长度
Information Payload	可变	用户数据