蓝牙概述及基本架构介绍

1. 概述

1.1 蓝牙的概念

蓝牙，是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA（掌上电脑）、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.11协议。

1.2 蓝牙的发展历程

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了20个岁月。从最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.2，经历了近9个版本的修订后，发展为当前的状况。
“蓝牙”的形成背景:

1998 年 5 月，爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家著名厂商， 在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、 低成本的无线传输应用技术。

芯片霸主 Intel 公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发， IBM 和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。

1999 年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。
全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品， 使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着 21 世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

• 第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索，使用的是BR技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能达到721.2Kbps。
• 第二代蓝牙：新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技术，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。
• 第三代蓝牙：核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，支持动态地选择正确射频，传输速率高达 24Mbps
• 第四代蓝牙：主推” Low Energy”低功耗， BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能
• 第五代蓝牙：开启「物联网」时代大门，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力

1.3 蓝牙技术概述

蓝牙协议包括两种技术：BR：Basic Rate和LE：Low Energy。这两种技术都包括搜索（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是不能互通的。
厂商如果只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通。
如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术，而不去管是否真的需要。

1.3.1 Basic Rate(BR)

• BR：Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP（Alternate MAC and PHY layer extension））。
• BR：最早期的蓝牙技术，速度只能达到721.2Kbps，在那个年代，已为高大上了。
• EDR：随着技术的提升，使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。
• AMP：使用AMP技术的蓝牙，理论速率可以达到54Mbps。

AMP的Alternate交替使用体现在：由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显，BR/EDR和AMP是不能同时使用的。

简单的说，就是：BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。

1.3.2 Low Energy（LE）

上面所讲的BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。

从它的英文名字上就可以看出它是一种低功耗蓝牙技术，是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术，旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。

低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。

LE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。

目前BLE主要广泛应用于IoT产品领域。

2. 蓝牙的基本架构

2.1 芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。

• BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
• BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

• BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
• LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
• BR/EDR & LE Controller：BR/EDR与LE的组合的控制器
• MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替代的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：

• 单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
• 双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

因此，蓝牙芯片就会有以下几种架构：

2.2 协议架构

蓝牙的协议架构我们从两个视角来进行认识。

2.2.1 官方协议中所展示的蓝牙协议架构

2.2.1.1 全局分析

1. Controller：

• BR/EDR Controller：由Link Manager、Link Controller、BR/EDR Radio组成
• LE Controller：由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 组成
• AMP Controller：由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY组成

2. Host:

• BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 组成
• LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成

2.2.1.2 局部分析

1. Host层

• Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协议和应用数据的传输。
• L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的正确提交。
• Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
• Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
• AMP Manager Protocol：直接使用L2CAP与远程设备通信。
• Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性，用于LE设备
• Generic Access Profile：GAP，标识了基础的蓝牙设备的通用功能

2. Controller层

• Device Manager：控制蓝牙设备的通用行为，负责与蓝牙通信过程中，所有的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
• Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
• Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责所有的访问无线电媒体
• Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包
• PHY：物理层，主要负责发送，接收物理通道的信息包

2.2.2 HW层，Transport层，Host层

2.2.2.1 HW层——蓝牙芯片层

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包括以下几个部分：

• RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。
• BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。
• LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、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，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，并且接收到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。
• BLE PHY：BLE的物理层
  PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
• BLE LL：BLE的链路层
  LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者ATT。

2.2.2.2 Transport——数据传输层

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，并且接收Controller层的数据。
该部分有几个协议：

• H2：基于USB的传输
• H4：基于UART的传输，最简单的传输方式，只在HCI raw data前面加上一个type
• H5: 基于UART的传输
• BCSP: 基于UART的传输
• SDIO ：基于SDIO的传输

H4需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；

H5只需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。

2.2.2.3 HOST——协议层

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包括多个协议：

• L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，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对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。

• SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用程序提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。

• 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

• SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议

• HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有很多广泛的用途的，比如蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。

• IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能会涉及到该协议

• PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议

• MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议

• 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

• HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议

• HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，算是一个简化版的HFP。

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

• SM: 蓝牙BLE安全管理协议
  SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。

• GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。
  它联系了所有的不同的层之间的交互，也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。

  对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包括无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议（SDP）功能。
  对于LE，它定义一个物理层（PHY），链路层，L2CAP，安全管理器，属性协议和通用属性配置文件。

  GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。

• ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集 ，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。
  简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。

• GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，描述了一种使用ATT的服务框架 ，该框架定义了数据交换的格式。

  GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。

GATT与ATT的关系：GATT 是脱胎于 ATT ，ATT 是 Attribute Protocol Specification 属性规范协议，注意ATT是协议，而GATT是规范，两者不同点在于 ATT规定了数据格式，而 GATT 则是按照 ATT 的格式将具体数据填充进去。

2.2.3 BLE蓝牙体系架构

3. 市场常见的蓝牙技术方案

3.1 SOC单芯片方案

一般是半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中，（比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540，NRF51xxx，NRF52xxx，乐鑫ESP32等等），架构如下：

市场上的常见产品：蓝牙音箱，蓝牙耳机，蓝牙手环，蓝牙心率带

3.2 SOC蓝牙+MCU方案

就是在1）的基础上，通过特定的interface(UART居多)，发送自定义的command来达到想要的功能，比如发送0x01代表搜索周围设备，当然在产品中肯定不会定义这么简单的command，一般要加上command id + command len + command para data + command check sum来实现功能。

架构如下：

此部分的应用一般用于外设功能相对于复杂，需要驱动很多外设，但是单芯片方案的性能达不到的情况下一般用这种方案。

3.3 蓝牙host+controller分开方案

这种应用算是蓝牙最复杂的应用，适用于蓝牙使用情景较复杂的情况下使用，比如车载蓝牙等。客户需要有很多蓝牙协议，比如蓝牙电话（HFP），蓝牙音频（A2DP），蓝牙音乐控制（AVRCP），蓝牙电话本（PBAP），蓝牙短信（MAP），BLE,HID，如果你说以上还能用soc做，那么再加上Carplay的IAP/IAP2，Android Auto的RFCOMM BT呢，基本以上就需要这种方案了。

其中Transport是一个协议，H2就是在USB的基础上的协议，H4,H5,BCSP是UART基础上的协议，当然还有SDIO。

市场上常见产品：手机，功能较为复杂的蓝牙手表。

4 Bluez介绍

4.1 Bluez概述

BlueZ 是官方 Linux Bluetooth 栈，由主机控制接口（Host Control Interface ，HCI）层、Bluetooth 协议核心、逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）、SCO 音频层、其他 Bluetooth 服务、用户空间后台进程以及配置工具组成。

BlueZ 的架构主要分为以下几个组件：

• HCI（Host Controller Interface）层：这是 BlueZ 与蓝牙硬件之间的接口层。它负责与蓝牙控制器进行通信，发送和接收命令、事件和数据包。HCI 层通常由 Linux 内核提供的驱动程序来实现。
• L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）层：L2CAP 是蓝牙协议栈中的一个重要组件，提供了对称的、面向连接的数据通信服务。它在底层的物理链路之上建立逻辑连接，并负责分配信道和数据包的传输。
• SDP（Service Discovery Protocol）层：SDP 提供了一种机制，用于在蓝牙设备之间发现和描述可用的服务和其特性。它允许设备查询其他设备上支持的服务，并获取服务的详细信息。
• RFCOMM（Radio Frequency Communication）层：RFCOMM 是一种在 L2CAP 上运行的协议，它模拟了串行通信接口，使蓝牙设备能够像使用串口一样进行数据通信。
• GAP（Generic Access Profile）层：GAP 定义了蓝牙设备之间的通用访问规范，包括设备发现、连接和身份验证等功能。它定义了设备的角色、广播和扫描行为，以及与配对和安全性相关的规则。
• GATT（Generic Attribute Profile）层：GATT 是蓝牙 Low Energy（LE）模式中的一个重要概念，用于定义蓝牙设备之间的通信协议。它基于客户端-服务器模型，其中服务提供者提供各种服务，并通过 GATT 协议使客户端可以读取和写入服务的属性。

BlueZ 还提供了一组丰富的工具和库，用于在 Linux 系统上开发和管理蓝牙应用程序。这些工具包括 hciconfig（用于配置 HCI 接口）、hcitool（用于执行蓝牙设备和操作的低级别命令）、bluetoothctl（用于交互式地管理蓝牙设备）等。

4.2 Bluez目录介绍

Bluez协议栈下载地址：http://www.bluez.org/
目录架构介绍：

android/ - 用于替代android中bluedroid的android版本bluez源码。
attrib/ - 包含gatttool 源码以及与gatt attribute相关的代码，gatttool程序入口为gatttool.c。　　　
btio/ - 通过的标准socket接口与BlueZ5 kernel模块通信。
client/ - bluetoothctl源码，程序入口为main.c。
doc/ - BlueZ5 API文档。
emulator/ - 与bluetooth虚拟controller工具相关的代码。
gdbus/ - BlueZ5自带的内部gdbus库源码。
gobex/ - Blue5自带的内部gobex库源码。
lib/ - libbluetooth.so 源码，提供BlueZ4 API，用来支持某些第三方应用。
monitor/ - btmon源码, 程序入口为main.c。
obexd/ - obexd源码，程序入口为src/main.c。
peripheral/ - 与蓝牙ble的GATT相关的代码？。
plugins/ - BlueZ5插件源码（neard，autopair等插件）。
profiles/ - BlueZ5蓝牙上层协议（a2dp，hid等）源码。
src/ - bluetoothd源码，程序入口为main.c。
test/ - Bluez5测试脚本。
tools/ - Bluez5测试工具集源码。
unit/ - PTS测试相关的一些代码？。
README / INSTALL - 配置，编译，安装Bluez5的说明。
Makefile.obexd - 定义obexd编译规则，此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.plugins - 定义BlueZ5的plugins（neard，autopair等）的编译规则， 此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.tools - 定义BlueZ5测试工具集的编译规则，此文件被include于 Makefile.am中。
Makefile.am - 定义了Bluez5的编译规则。用于automake工具，生成 Makefile.in文件。
Makefile.in - 用于configure脚本，生成最终的Makefile文件。
configure.ac - 用于autoconf工具，生成configure脚本。
configure - 配置编译选项，生成最终的Makefile文件,以及config.h文件

bluez核心代码在src目录下，入口函数是main.c，bluez5编译后会生成bluetoothd可执行文件，该可执行文件在linux系统启动时自动加载，加载配置文件放在/etc/init/bluetooth.conf。

代码007普通

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