BLE4.0教程一 蓝牙协议连接过程与广播分析
1.蓝牙简介
什么是蓝牙4.0
蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一，蓝牙4.0版本涵盖了三种蓝牙技术，即传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙技术，将三种规范合而为一。它继承了蓝牙技术在无线连接上的固有优势，同时增加了高速蓝牙和低功耗蓝牙的特点。这三个规格可以组合或者单独使用。蓝牙4.0规范的核心是低功耗蓝牙（Low Energy），即蓝牙4.0BLE。该技术最大特点是拥有超低的运行功耗和待机功耗，蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池可以连续工作数年之久。蓝牙4.0技术同时还拥有低成本、向下兼容、跨厂商互操作性强等特点。
蓝牙4.0 BLE技术具有如下特点：
1.高可靠性
对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰，例如，障碍物的阻挡、天气状况等。因此，无线通信系统在数据传输过程中，具有内在的不可靠性。
蓝牙技术联盟（SIG）在制定蓝牙4.0规范时已经考虑到了这种数据传输过程中的内在的不确定性，所以在射频、基带协议、链路管理协议（LMP）中采用可靠性措施，包括：差错检测和校正、进行数据编解码、差错控制、数据加噪等，极大地提高了蓝牙无线数据传输的可靠性。另外，使用自适应跳频技术，最大程度地减少和其他2.4GHz ISM频段无线电波的串扰。
2.低成本、低功耗
低功耗蓝牙支持两种部署方式：双模方式和单模方式。
（1）双模方式，低功耗蓝牙功能集成在现有的经典蓝牙控制器中，或在现有经典蓝牙技术（2.1+EDR/3.0+HS）芯片上增加低功耗堆栈，整体架构基本不变，因此成本增加有限。
（2）单模方式，面向高度集成、紧凑的设备，使用一个轻量级连接层（Link Layer）提供超低功耗的待机模式操作。蓝牙4.0BLE技术可以应用于8bit MCU，目前TI公司推出的兼容蓝牙4.0BLE协议的SoC芯片CC2540/CC2541，外接PCB天线和几个阻容器件构成的滤波电路即可实现蓝牙网络节点的构建。
低功耗设计：蓝牙4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能，功耗较传统蓝牙降低了百分之九十。
传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是其缺陷之一，这与传统蓝牙技术采用 16~32 个频道进行广播不无关系，而低功耗蓝牙仅使用了3个广播通道，且每次广播时射频的开启时间也由传统的 22.5ms 减少到 0.6~1.2ms，这两个协议规范的改变，大幅降低了因为广播数据导致的待机功耗。
低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态，在深度睡眠状态下，主机（Host）长时间处于超低的负载循环（Duty Cycle）状态，只在需要运作时由控制器来启动，由于主机较控制器消耗的能源更多，因此这样的设计也节省了最多的能源。
3.快速启动，瞬间连接
此前蓝牙版本为人诟病的地方就在于启动速度方面，蓝牙2.1版本的启动连接需要 6s 时间，而蓝牙4.0版本仅仅需要3ms即可完成，几乎是瞬间连接。
4.传输距离极大提高
传统蓝牙传输距离为 2~10m，而蓝牙4.0的有效传输距离可达到 60~100m，传输距离提升了十倍，极大开拓了蓝牙技术的应用前景。当然，上述距离数值是在理想状态下，实际使用过程中因为各种因素的影响，比如：空气湿度、其他电磁信号干扰等等，导致实际距离可能达不到上述理论值，通过抗干扰等处理可以提高实际的传输距离。
5.高安全性
为了保证数据传输的安全性，使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。
蓝牙4.0BLE网络拓扑结构分为星型拓扑和广播组拓扑。不同的网络拓扑对应不同的应用领域，在蓝牙4.0BLE的无线网络中，不同的网络拓扑结构对网络节点的配置有不同的要求（蓝牙网络节点的类型可以分为主机、从机，也可以分为服务器、客户端，具体配置需要根据配置文件决定）。
2.蓝牙的状态以及基本连接过程
2.1 蓝牙的状态：
蓝牙具有5种状态：
待机状态（standby） ：没有连接任何设备，没有传输和发送数据。
广播状态（Advertiser/advertising）：周期性广播状态。
扫描状态（Scanner/scanning） ：主动寻找正在广播的设备。
发起连接状态（Initiator/initiating）：主动发起连接。
连接状态(connected) ：已经连接。
2.2蓝牙的角色
主设备 从设备
2.3蓝牙的连接流程
|
BLE连接流程 |
找公司服务比喻 |
||
|
Master |
Slave |
消费者 |
服务方 |
|
待机模式 |
待机模式 |
空闲 |
空闲 |
|
扫描模式 |
广播模式 |
寻找公司 |
发广告 |
|
扫描请求 |
扫描回应 |
咨询能提供什么服务 |
告知服务 |
|
连接请求 |
签署业务合同 |
||
|
连接参数请求 |
具体合同内容 |
||
|
参数更新请求 |
合同修改 |
||
|
参数更新回应 |
合同回应 |
||
|
建立连接 |
签署合同 |
||
|
连接事件 |
开始业务合作 |
||
2.4连接事件和参数
2.4.1连接事件
主设备和从设备建立连接之后，所有的数据通信都是在连接事件（Connection Events）中进行的。
尖刺的波就是连接事件（Connection events），剩下的Sleeping是睡眠时间，设备在建立连接之后的大多数时间都是处于Sleeping，这种情况下耗电量比较低，而在连接事件（Connection events）中，耗电量就相对高很多，这也是BLE为什么省电的原因之一。
每个连接事件（Connection events）中，都需要由Master发起包，再由Slave回复。
2.4.2连接参数
连接参数用于规定主从机数据通信时间，如果连接参数设置不合理，就会导致连接断开。
主要连接参数有以下三个：
连接间隔（Connection interval）
（GAPROLE_MIN_CONN_INTERVAL && GAPROLE_MAX_CONN_INTERVAL）连接间隔，在BLE的两个设备的连接中使用跳频机制。两个设备使用特定的信道发送和接收数据，然后过一段时间后再使用新的信道（BLE协议栈的链路层处理信道的切换）。
两个设备在切换信道后发送和接收数据称为一个连接事件。尽管没有应用数据被发送和接收，两个设备仍旧会交换链路层数据（空包 Empty PDU）来维持连接。
连接间隔就是指在一个连接事件（Connection events）的开始到下一个连接事件（Connection events）的开始的时间间隔。连接间隔以1.25ms为单元，连接间隔的范围是6 ~ 3200既7.5ms ~ 4s之间。
从机忽略（Slave Latency）
允许Slave（从设备）在没有数据要发的情况下，跳过一定数目的连接事件（Connection events），在这些连接事件（Connection events）中不必回复Master（主设备）的包，这样就能更加省电。
范围可以是0 ~ 499
更详细的使用解析如下：
Slave Latency = OFF也就是Slave Latency为0时，Master发包，Slave必须回复，如果不回复，Master就会认为Slave那边接收不正常。
Slave Latency = ON也就是Slave Latency不为0的时候，图中Slave Latency为 3。Master发包，Slave没有数据要回复的时候，就会忽略 3 个连接事件，在第 4 个连接事件接收到Master发送的数据之后，回复Master。如果Slave有数据要发送就会唤醒，也就是说即使Slave Latency为 3，但是在Master发第二包的时候Slave有数据要回复，这个时候就会立即回复Master而不是等到 3 个连接事件之后的第 4 个连接事件去回复。
超时时间（Supervision Timeout）
这个参数设定了一个超时时间，如果BLE在这个时间内没有发生通信的话，就会自动断开。
单位是 10ms，该变量的范围是10 ~ 3200，折算成时间范围是100ms ~ 32s 。
连接间隔、从机时延以及超时时间这三者必须满足如下公式：
Supervision Timeout > （1 +slaveLatency）* （connectionInterval）
上述公式必须满足，否则连接就会不正常断开。
这三个连接参数不同情况下对通信速率和功耗的影响：
1.Connection Interval缩短，Master和Slave通信更加频繁，提高数据吞吐速度，缩短了数据发送的时间，当然也增加了功耗。
2.Connection Interval增长，通信频率降低，数据吞吐速度降低，增加了数据发送的时间，当然，这种设置降低了功耗。
3.Slave Latency减少或者设置为 0，每次Connection Events中都需要回复Master的包，功耗会上升，数据发送速度会提高。
4.Slave Latency加长，功耗下降，数据发送速度降低。
注意修改连接参数的时候要满足一定的要求：
1.安卓设备作主设备时，连接参数满足的要求见本篇博文第二节"连接参数介绍"中提到的内容。另外实际开发过程中发现安卓设备作主设备时存在一个问题，就是部分安卓设备连接BLE设备之后，只能进行一次连接参数的修改。
2. 苹果系统设备作主设备时，连接参数更新的要求比较苛刻，如下：
Interval Max * (Slave Latency + 1) ≤ 2 seconds
Interval Min ≥ 20 ms
Interval Min + 20 ms ≤ Interval Max
Slave Latency ≤ 4
connSupervisionTimeout ≤ 6 seconds
Interval Max * (Slave Latency + 1) * 3 < connSupervisionTimeout
即：
最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1） ≤ 2s
最小连接间隔时间 ≥ 20 ms
最小连接间隔时间 + 20 ms ≤ 最大连接间隔时间
从机延迟 ≤ 4
超时时间 ≤ 6s
最大连接间隔时间 *（从机延迟 + 1）* 3 < 超时时间
所以如果你的BLE从设备需要被IOS主设备连接，那你的BLE从设备的默认申请的连接参数一定要满足上述要求，并且连接过程中修改连接参数的时候也要满足上述要求。
3.蓝牙广播的协议
蓝牙广播相关的参数有以下几种：
Advertising interval 广播间隔
Advertising_Type 广播类型
Own_Address_Type 自身地址类型
Direct_Address_Type 定向地址类型
Direct_Address 定向地址
Advertising_Channel_Map广播信道（一个广播有三个信道）
Advertising_Filter_Policy 广播过滤策略
Advertising Data 广播数据
ScanReponse Data 响应数据
Advertising_Type广播类型
1. 可连接的非定向广播（Connectable Undirected Event Type）：
这是一种用途最广的广播类型，包括广播数据和扫描响应数据，它表示当前设备可以接受其他任何设备的连接请求。进行通用广播的设备能够被扫描设备扫描到，或者在接收到连接请求时作为从设备进入一个连接。通用广播可以在没有连接的情况下发出，换句话说，没有主从设备之分。
鉴于此种广播类型用的最多，下面我们来讨论一下此类型下广播事件中广播包的发送情况，另外要注意在一个广播事件中，前一个"ADV_IND PDUs"的开始到相邻的下一个"ADV_IND PDUs"的开始处的时间要小于等于10ms ：
第一种情况：仅仅有广播 PDUs 。截图显示如下：
第二种情况：在广播事件的中间有"SCAN_REQ"和"SCAN_RSP PDUs"。截图显示如下：
第三种情况：在广播事件的结尾有"SCAN_REQ"和"SCAN_RSP PDUs"。截图显示如下：
第四种情况：在广播事件的中间接收到"CONNECT_REQ PDU"的情况。截图显示如下
2. 可连接的定向广播（Connectable Directed Event Type）：
定向广播类型是为了尽可能快的建立连接。这种报文包含两个地址：广播者的地址和发起者的地址。发起者收到发给自己的定向广播报文之后，可以立即发送连接请求作为回应。
定向广播类型有特殊的时序要求。完整的广播事件必须每3.75ms重复一次。这一要求使得扫描设备只需扫描3.75ms便可以收到定向广播设备的消息。
当然，如此快的发送会让报文充斥着广播信道，进而导致该区域内的其他设备无法进行广播。因此，定向广播不可以持续1.28s以上的时间。如果主机没有主动要求停止，或者连接没有建立，控制器都会自动停止广播。一旦到了1.28s，主机便只能使用间隔长得多的可连接非定向广播让其他设备来连接。
当使用定向广播时，设备不能被主动扫描。此外，定向广播报文的净荷中也不能带有其他附加数据。该净荷只能包含两个必须的地址。
3. 不可连接的非定向广播（Non-connectable Undirected Event Type）：
仅仅发送广播数据，而不想被扫描或者连接。这也是唯一可用于只有发射机而没有接收机设备的广播类型。不可连接广播设备不会进入连接态，因此，它只能根据主机的要求在广播态和就绪态之间切换。
4. 可扫描的非定向广播（Scannable Undirected Event Type）：
又称可发现广播，这种广播不能用于发起连接，但允许其他设备扫描该广播设备。这意味着该设备可以被发现，既可以发送广播数据，也可以响应扫描发送扫描回应数据，但不能建立连接。这是一种适用于广播数据的广播形式，动态数据可以包含于广播数据之中，而静态数据可以包含于扫描响应数据之中。
注意：所谓的定向和非定向针对的是广播的对象，如果是针对特定的对象进行广播（在广播包PDU中会包含目标对象的MAC）就是定向广播，反之就是非定向。可连接和不可连接是指是否接受连接请求，如果是不可连接的广播类型，它将不回应连接请求。可扫描广播类型是指回应扫描请求。
不同的广播类型对扫描请求和连接请求的不同结果如下图：
Advertising And ScanReponse Data （广播和扫描回应数据）
广播数据和扫描回应数据，它们的长度都不能超过31个字节（0 ~ 31），
数据的格式必须满足下图的要求，可以包含多个AD数据段，但是每个AD数据段必须由"Length：Data"组成，其中Length占用1个octet，Data部分占用Length个字节，所以一个AD段的长度为：Length+1。
格式图如下所示：
注：1 octet = 1 byte = 8 bit
