认识BLE 5协议栈 —— 链路层(上)

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链路层LL（Link Layer）是协议栈中最重要的一层。

链路层的核心是状态机，包含广播、扫描、发起和连接等几种状态，围绕这几种状态，BLE设备可以执行广播和连接等操作，链路层定义了在各种状态下的数据包格式、时序规范和接口协议。

对于广播行为，链路层根据其可连接性，可扫描性，定向性三个维度定义了多种不同类型广播事件，相应的扫描行为和连接行为根据广播包的类型区分处理。连接过程涉及复杂的时序过程，利用连接参数可以配置连接过程时序。

广播、扫描和连接各自具有白名单过滤机制，可以针对指定地址的设备进行操作。链路层提供了一些列控制规程，比如加密连接和数据长度更新等，上层协议可以利用这些规程控制链路层。

此外，链路层利用私有地址实现了隐私特性。

1. 状态机

链路层设计了五种工作状态，涵盖了链路层的全部操作状态：

状态	描述
Standby	系统不做任何广播和扫描动作，可以维持低功耗。
Advertising	系统对外发出广播数据和扫描响应数据。扫描响应数据也是一种广播数据，由扫描设备发出扫描请求，广播包设备返回扫描响应数据。
Scanning	监听外部的广播数据。扫描状态并不能直接进入连接状态。
Initiating	监听外部的广播数据。它可以发起连接请求，然后进入状态。
Connection	两个设备建立连接，进行通信。

这五种状态共同组成一个状态机，它们相互转换关系如下：

观察上图，扫描态无法直接进入连接态，从待机状态进入连接状态通常发生在连接已经建立的情况。

如果设备从发起态进入连接态称为主角色（Master Role）或主设备，如果从广播态进入连接态称为从角色（Slave Role）或从设备。主设备发起连接请求，并且会设定连接过程的时序参数，从设备接受主设备设定的参数进行通信。

在一个时刻，状态机只能处于一种状态，而链路层可以同时拥有多个状态机。这就意味着BLE设备在一个状态机中保持连接状态的同时，另一个状态机保持广播状态，或者多个链路状态机同时处于连接状态，这是BLE设备实现多个连接的基础。

以下为同时建立多个连接的场景：

• 如果设备A已经跟设备B保持连接，那么设备A可以执行广播或扫描操作。
• 如果设备A已经跟设备B保持连接，并且设备A是主设备，那么设备A能够跟其他从设备C再次建立连接。
• 如果设备A已经跟设备B保持连接，并且设备A是从设备，那么设备A能够跟其他主设备C再次建立连接。
• 如果设备A已经跟设备B保持连接，那么不能实现设备A扫描，设备B广播并再次建立连接。设备A与B之间只能维持一个连接状态机。
  

2. 设备地址

设备地址代表了设备的唯一识别码，它是设备间相互识别的依据，不同的设备必须具有不同的设备地址。

设备地址分为多种类型，最简单的是Public Address。这种地址固定不变，可以根据设备地址跟踪到该设备。

Public Address属于一种48-bit的MA-L类型地址，它的结构为：NN:NN:NN:NN:NN:NN。

其中前三个字节使用OUI（Organizationally Unique Identifier），后三字节自由分配。OUI代表了一个指定的组织机构识别码，全球已经有许多科技公司申请了自己的OUI。开发者可以从IEEE网站上下载已被分配的MA-L地址，也可以从第三方网站查询某个公司的OUI或某个OUI对应的公司。

与Public Address不同，Random Address采用一个随机数作为地址，Random Address分为Static Address和Private Address两类，Private Address又分为Resolvable private address和Non-resolvable private address两类。

它们的特点如下表所示：

地址类型	是否可变	更新触发机制	作为识别地址	描述
1. Public Address	固定	无	Yes	固定不变，需要避免地址冲突。
2. [Random Address]
2.1 Static Address	随机	设备重新上电	Yes	设备上电时产生新的随机地址。
2.2 [Private Address]
2.2.1 Resolvable private address	随机	定时	Yes	过一段时间更新随机地址，链路层推荐更新周期为15分钟。该地址可以通过地址识别密钥解析识别。
2.2.2 Non-resolvable private address	随机	定时	Yes	过一段时间更新随机地址，链路层推荐更新周期为15分钟。该地址可以不可被解析识别。

一个设备可以具有多种类型的地址，但是必须拥有一个识别地址。Public Address和Static Address可作为识别地址。所以如果设备采用Resolvable private address地址类型，必须同时具有一个Public Address或Static Address地址。

3. 物理信道

在物理层的介绍中，提到了BLE将2.4GHz频段分成了40个物理信道，相邻信道频率间隔为2MHz。

这40个物理信道分成以下几类：

信道类型	信道号	描述
Primary Advertising Channel	37、38、39	发送传统广播和扫描请求
Secondary Advertising Channel	0 – 36	发送扩展广播
Periodic Advertising Channel	0 – 36	发送周期广播
Data Channel	0 – 36	发送连接数据

4. 数据包结构4.1 非编码型物理层

非编码型物理层对应的链路层数据包结构包含四个部分：前导码，访问地址，PDU和CRC。如下所示：

字段	Preamble	Access Address	PDU	CRC
长度	1 or 2 octets	4 octets	2 – 257 octets	3 octets
传输时间(1M PHY/2M PHY)	8 us/8 us	32 us/16 us	16 – 2056 us/8 – 1028 us	24 us/12 us

• 前导码：前导码内容为重复的0/1或1/0序列，用于频率同步、符号时序计算和自动增益控制。对于1M速率的物理层，其长度为1字节；对于2M速率的物理层，其长度为2字节。
• 访问地址：用于区分不同的数据类型。对于主要广播信道的数据包，其访问地址是一个固定值，对于其他信道的数据包，其访问地址是一个随机值。
• PDU：包含了有效数据。
• CRC：针对PDU部分进行校验。假如PDU经过加密，则校验加密后的PDU。
  

4.2 编码型物理层

编码型物理层对应的链路层数据包做了FEC编码处理，增加了几个字段，其结构如下：

字段	Preamble	Access Address	CI	TERM1	PDU	CRC	TERM2
长度	10 octets	4 octets	2 bits	3 bits	2 – 257 octets	3 octets	3 bits
传输时间(1M Coded PHY)	80us	256us	16 us	24 us	N×8×S us	24×S us	3×S us

其中Access Address、CI和TERM1属于FEC block 1，PDU、CRC和TERM2属于FEC block 2。FEC block 1采用S=8编码算法，FEC block 2根据CI字段值采用S=2或S=8编码算法。

编码型物理层的符号传输速率是1M Sym/s，当采用S=2编码，数据传输速率为500bit/s，当采用S=8编码，数据传输速率为125bit/s。

• 前导码：前导码内容为重复的00111100序列，它不执行FEC编码。
• 访问地址：与上相同。
• CI：编码指示器，如果CI=0，则FE block 2执行S=8编码，如果CI=1，则FEC block 2执行S=2编码。
• TERM1和TERM2：FEC算法终止符。