蓝牙协议栈概览

蓝牙协议栈概览

蓝牙协议栈是蓝牙设备实现无线通信的核心组件，它定义了从硬件层到应用层的完整通信流程。本文将从硬件层的蓝牙芯片开始，逐层介绍蓝牙协议栈的各个组成部分，包括射频层、基带层、链路管理层、主机控制器接口层等。同时，本文还将详细讲解蓝牙协议栈中的主要协议，如L2CAP、SDP、RFCOMM、OBEX等，以及它们在实际应用中的作用。

蓝牙底层结构

HW层：蓝牙芯片层

• RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频信号发送给空中设备，并通过射频接收来自空中的蓝牙信号和数据
• BB（BASEBAND）：基带层，射频信号和数字（音频）信号转换，实现基带协议和其他底层连接规程
• LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路建立、验证、链路配置等操作
• HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层HCI负责将协议栈数据处理，转换为芯片内部动作，并受到远端数据，通过HCI上报给协议栈；
• BLE PHY：BLE物理层
• BLE LL：BLE链路层
• TRANSPORT层：在硬件接口（UART/USB/SDIO）实现HOST跟CONTROLLER的交互
• H2： USB的transport
• H4：UART的transport（是UART传输种最简的一个Transport，只是在HCI raw data的前面加一个type就行，如下HCI一共有五种HCI data）
  • HCI COMMAND:由蓝牙协议栈发送给芯片的命令
  • HCI EVENT:由蓝牙芯片上报给蓝牙协议栈的事件
  • HCI ACL:蓝牙协议栈跟蓝牙芯片双向交互的普通数据
  • HCI SCO:蓝牙芯片跟蓝牙协议栈双向交互的通话/语音识别等音频数据
  • HCI ISO（这部分是在core5.2才添加）:LE audio用的数据包格式
• HCI蓝牙架构
• BT Controller：指蓝牙芯片，包括BR/EDR芯片（蓝牙2.1），AMP芯片（蓝牙3.0），LE芯片（蓝牙4.0）
• BT Host：指蓝牙协议栈

HCI架构协议简要介绍

图中内容简介：

• HW层：蓝牙芯片
• RF：射频
• BB：基带
• LMP：链路管理
• HCI：主控制器接口
• AUDIO：音频
• BLE PHY：低功耗蓝牙物理层
• BLE LL：低功耗蓝牙链路层
• TRANSPORT层：在硬件接口（UART/USB/SDIO）实现HOST跟CONTROLLER的交互
• H2：USB的transport
• H4：UART的transport（是UART传输种最简的一个Transport，只是在HCI raw data的前面加一个type就行，如下HCI一共有五种HCI data）
  • HCI COMMAND:由蓝牙协议栈发送给芯片的命令
  • HCI EVENT:由蓝牙芯片上报给蓝牙协议栈的事件
  • HCI ACL:蓝牙协议栈跟蓝牙芯片双向交互的普通数据
  • HCI SCO:蓝牙芯片跟蓝牙协议栈双向交互的通话/语音识别等音频数据
  • HCI ISO（这部分是在core5.2才添加）:LE audio用的数据包格式
• 交互数据格式：
  |- 1 byte - | ---- N byte HCI raw data ----|
  |- H4 byte - | ---- HCI RAW DATA ----------|
  其中H4 type定义如下：
  | HCI packet type | HCI packet indicator |
  | HCI ACLpacket | 0x01 |
  | HCI Event packet | 0x02 |
  | HCI ISO Data packet | 0x03 |
• H5：UART的transport
• BCSP：UART的transport
• SDIO Transport：
  注意：其中2,3,4的主要差别在于H4需要BT CHIP UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU，而H5,BCSP只需要BT CHIP的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信
• HOST层：
• HOST层：蓝牙协议栈HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制层接口，主要负责透过transport把协议栈的数据发送给蓝牙芯片，并且接受来自蓝牙芯片的数据，数据主要分为HCI COMMAND(HOST->CONTROLLER),HCI EVENT(HOST-CONTROLLER),HCI ACL(HOSTCONTROLLER),HCI SCO(这个有点些微差异，因为部分芯片的SCO数据不是透过TRANSPORT直接跟HOST沟通，而是通过特殊的引脚，PCM IN/OUT/SYNC/CLK脚来传输数据),core文档HCI的架构如上；

Overview of the lower software layer

端对端传输示意

• L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组交换为便于高层应用的数据分组格式，并提供协议复用和服务质量交换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务,L2CAP还屏蔽了低层传输协议中的很多特性，使得高层协议应用开发人员可以不必了解基层协议而进行开发。架构如下:

L2CAP architectural blocks

• SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，服务发现协议(SDP)为应用程序提供了一种方法来发现哪些服务可用，并确定这些可用服务的特征

服务发现流程

PDU Format:
Header: | PDU ID | Transaction ID | ParameterLength |
1 byte 2 bytes 2 bytes
Parameters: | Parameter 1 | Parameter 2 | --- | Parameter N |
Parameter Length bytes
PDU ID：
| Value | Parameter Description |
| 0x01 | SDP_ERROR_RSP |
| 0x02 | SDP_SERVICE_SEARCH_REP |
| 0x03 | SDP_SERVICE_SEARCH_RSP |
| 0x04 | SDP_SERVICE_ATTR_REP |
| 0x05 | SDP_SERVICE_ATTR_RSP |
| 0x06 | SDP_SERVICE_ATTR_SEARCH_REP |
| 0x07 | SDP_SERVICE_ATTR_SEARCH_RSP |
| 0x08 | Reserved for future use |
| 0x09 | Reserved for future use |

• RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM
  串口模拟流程
  Frame Structure:
  | Address | Control | Length Indicator | Information | FCS |
  | 1 octet | 1 octet | 1 or 2 octets | 整数倍octet | 1 octet |
  Address Field:
  0 1 2 3 4 5 6 7 8
  | EA-1 | CR | D | server channel |
  Control Field:
  | 帧类型 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 标注 |
  | SABM （SetAsyncronousBalancedModel）| 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | |
  | UA（Unnumbered Acknowledgement） | 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | |
  | DM (Disconnected Mode | 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | |
  | DISC (Disconnect) | 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | |
  | UIH (UnnumberedInformationWithHcheck | 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | |
  | UI (Unnubered Information) | 1 | 1 | 1 | 1 | P/F | 1 | 0 | 0 | 可选 |

• OBEX：对象交换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX
  对象交换协议

• HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议
  
  Hand-Free Protocol

Audio Gateway：比如手机，作为手机提供发现外设，连接外设，和双向传输能力；
Hands-Free unit（HF）：比如耳机，手表，车载设备，具备广播能力，被手机连接后和手机通信；

• HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，目前已经没有产品在用这个了吧，至少我没有看到了。算是一个简化版的HFP。

• SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议，架构如下：

蓝牙串口协议

• IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能的人肯定接触过这块，有需要这块的私下联系我10）

• PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议,架构如下：

蓝牙电话本协议

PCE->PSE：蓝牙电话本客户端通过服务端设备查看电话本内容

• MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议，架构如下：

蓝牙短信访问协议

• OPP（OBJECT PUSH PROFILE）：对象推送协议，架构如下
  OPP（对象推送协议）

• AVCTP（AUDIO/VIDEO CONTROL TRANSPORT PROTOCOL）：音视频控制传输协议，是AVRCP的地方，架构如下
  AVDTP（AUDIO/VIDEO DISTRIBUTION TRANSPORT PROTOCOL）：音视频分布传输协议，是A2DP的底层，架构如下

蓝牙音频控制（传输）协议

• HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，架构如下：
  
  HID协议

• A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议

• AVRCP（AUDIO/VIDEO REMOTE CONTROL PROFILE）：蓝牙音乐控制协议
  
  Advanced Audio Distribution
  
  Audio/Video Remote Control Profile

• ATT：蓝牙属性协议

• GATT：蓝牙通用属性协议

• SM: 蓝牙安全管理协议

参考资料

• http://pianyifa.com/index.php/en/business-news/104-2020-08-10-02-52-40
• https://www.crifan.com/files/doc/docbook/bluetooth_intro/release/pdf/bluetooth_intro.pdf
• https://github.com/sj15712795029/bluetooth_stack/blob/master/README_English.md