一、蓝牙技术概述
蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信技术标准,最初由爱立信公司于1994年提出,旨在取代有线连接,实现设备间的无线数据交换。蓝牙技术以10世纪丹麦国王Harald Blåtand的名字命名,象征着统一不同设备的愿景。
1.1 蓝牙技术的发展历程
蓝牙技术自诞生以来经历了多个版本的演进:
蓝牙1.0和1.0B (1999年):初始版本,存在互操作性问题
蓝牙1.1 (2001年):第一个广泛采用的版本
蓝牙1.2 (2003年):改进抗干扰能力,提高传输速度
蓝牙2.0+EDR (2004年):引入增强数据速率(EDR)
蓝牙2.1+EDR (2007年):简化配对流程,提高安全性
蓝牙3.0+HS (2009年):引入高速模式(HS)
蓝牙4.0 (2010年):引入低功耗蓝牙(BLE)
蓝牙4.1 (2013年):改进与LTE的共存性
蓝牙4.2 (2014年):提高数据传输速率和安全性
蓝牙5.0 (2016年):显著提升范围、速度和广播容量
蓝牙5.1 (2019年):增加寻向功能
蓝牙5.2 (2020年):引入LE Audio
蓝牙5.3 (2021年):进一步优化低功耗性能
1.2 蓝牙技术的特点
蓝牙技术具有以下主要特点:
短距离通信:典型通信距离为10米(Class 2),可扩展至100米(Class 1)
低功耗:特别是BLE技术,适合电池供电设备
ISM频段工作:2.4GHz全球免许可频段
跳频扩频技术:减少干扰,提高安全性
点对点和点对多点通信:支持多种网络拓扑
低成本:广泛普及,芯片价格低廉
二、蓝牙协议栈架构
蓝牙协议栈是蓝牙技术的核心,采用分层架构设计,各层具有明确的功能划分和接口定义。完整的蓝牙协议栈可分为控制器子系统(Controller)和主机子系统(Host)两大部分。
2.1 蓝牙协议栈分层结构
蓝牙协议栈从下到上可分为以下主要层次:
2.1.1 物理层(PHY)
物理层负责无线信号的调制解调,工作在2.4GHz ISM频段(2400-2483.5MHz)。蓝牙采用高斯频移键控(GFSK)调制方式,将数字信号转换为射频信号。
蓝牙5.0引入了两种新的PHY:
LE Coded PHY:提供更长的通信距离
LE 2M PHY:提供更高的数据传输速率
2.1.2 链路层(LL, Link Layer)
链路层负责:
设备发现(广告和扫描)
链路建立、维护和释放
数据包格式定义
跳频控制
低功耗管理
链路层定义了五种状态:
待机状态(Standby)
广告状态(Advertising)
扫描状态(Scanning)
发起状态(Initiating)
连接状态(Connection)
2.1.3 主机控制器接口(HCI, Host Controller Interface)
HCI是控制器和主机之间的标准接口,定义了:
命令接口(主机→控制器)
事件接口(控制器→主机)
数据接口(双向)
HCI可以通过UART、USB或SDIO等物理接口实现
2.1.4 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP, Logical Link Control and Adaptation Protocol)
L2CAP是蓝牙协议栈的核心协议层,主要功能包括:
协议/信道复用:支持多个高层协议共享底层链路
分段和重组:将大数据包分割为适合底层传输的小包
服务质量(QoS)管理
错误控制和流控制
L2CAP提供了面向连接和无连接的数据服务
2.1.5 属性协议(ATT, Attribute Protocol)
ATT是BLE的基础协议,定义了客户端-服务器模型:
服务器:存储数据(属性)
客户端:访问服务器数据
属性由以下要素组成:
属性句柄(16位唯一标识符)
属性类型(UUID)
属性值
属性权限
2.1.6 通用属性配置文件(GATT, Generic Attribute Profile)
GATT建立在ATT之上,定义了:
服务(Service):完成特定功能的数据集合
特征(Characteristic):服务中的数据点
描述符(Descriptor):特征的元数据
GATT定义了客户端和服务器之间的交互方式,是大多数BLE应用的基础
2.1.7 通用访问配置文件(GAP, Generic Access Profile)
GAP定义了蓝牙设备的发现、连接和安全等基础功能:
设备角色(广播者、观察者、外围设备、中央设备)
发现流程
连接建立
安全模式
2.1.8 安全管理协议(SMP, Security Manager Protocol)
SMP负责BLE设备间的配对和密钥分发,提供:
配对和认证
加密密钥生成
身份解析密钥(IRK)分发
隐私保护
2.2 蓝牙协议栈变体
根据蓝牙版本和应用场景,协议栈有不同的实现变体:
2.2.1 经典蓝牙协议栈
经典蓝牙(Bluetooth Classic)主要用于音频传输和高速数据通信,包含以下额外协议层:
RFCOMM:串口仿真协议
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
SDP:服务发现协议
协议数据单元格式:
Header: | PDU ID | Transaction ID | ParameterLength |
1 byte 2 bytes 2 bytes
Parameters: | Parameter 1 | Parameter 2 | — | Parameter N |
PDU ID:
AVDTP:音频/视频分发传输协议(以下协议架构图省略)
A2DP:高级音频分发配置文件
AVRCP(AUDIO/VIDEO REMOTE CONTROL PROFILE):蓝牙音乐控制协议
HFP:免提配置文件
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
IAP:苹果的特有协议,分为IAP1/IAP2
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
OPP(OBJECT PUSH PROFILE):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
AVDTP(AUDIO/VIDEO DISTRIBUTION TRANSPORT PROTOCOL):音视频分布传输协议,是A2DP的底层
HID(HUMAN INTERFACE DEVICE):人机接口协议
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
2.2.2 低功耗蓝牙协议栈(BLE)
BLE协议栈针对低功耗优化,简化了部分协议层,强调GATT/ATT模型,适合物联网和穿戴设备。
2.2.3 双模蓝牙协议栈
同时支持经典蓝牙和BLE的协议栈实现,可在同一芯片上运行两种技术。
三、蓝牙核心协议详解
3.1 物理层技术细节
蓝牙物理层采用跳频扩频(FHSS)技术:
将2.4GHz频段划分为79个1MHz信道(经典蓝牙)或40个2MHz信道(BLE)
每秒1600次跳频(经典蓝牙)
自适应跳频(AFH):避开干扰频段
蓝牙5.0的LE Coded PHY使用前向纠错(FEC)编码提高接收灵敏度,实现4倍于传统BLE的范围
3.2 链路层操作流程
3.2.1 设备发现流程
广播设备:发送广告包(Advertising Packet)在三个主要广告信道(37,38,39)上
扫描设备:在广告信道上监听广告包
连接建立:中央设备发送连接请求给外围设备
3.2.2 数据信道选择
连接建立后,设备切换到数据信道:
经典蓝牙:使用79个数据信道
BLE:使用37个数据信道(0-36)
3.3 L2CAP信道类型
面向连接信道:提供可靠的数据传输,支持分段/重组
无连接信道:用于广播数据,不保证可靠性
信令信道:用于L2CAP控制命令交换
3.4 GATT数据结构
GATT定义了层次化的数据结构:
服务(Service):
由一个或多个特征组成
由UUID标识(16位标准UUID或128位自定义UUID)
示例:电池服务(0x180F)、心率服务(0x180D)
特征(Characteristic):
包含一个值和多个描述符
属性包括:读、写、通知、指示等权限
示例:心率测量(0x2A37)、电池电平(0x2A19)
描述符(Descriptor):
描述特征的元数据
示例:客户端特征配置描述符(CCCD,用于启用通知/指示)
3.5 蓝牙安全机制
蓝牙安全包括三个主要方面:
配对(Pairing):
临时密钥生成
认证方式:Just Works、Passkey Entry、Out of Band(OOB)
蓝牙4.2引入LE Secure Connections,使用椭圆曲线Diffie-Hellman(ECDH)密钥交换
绑定(Bonding):
长期密钥(LTK)存储
后续连接使用存储的密钥快速重建安全连接
加密(Encryption):
使用AES-CCM算法加密数据
128位密钥长度
四、蓝牙协议栈实现
4.1 常见蓝牙协议栈实现
BlueZ:Linux官方蓝牙协议栈
Bluedroid:Android使用的蓝牙协议栈
iOS蓝牙协议栈:苹果专有实现
Windows蓝牙协议栈:Microsoft实现
商用协议栈:CSR、德州仪器、Nordic等芯片厂商提供的协议栈
4.2 协议栈开发考虑因素
开发蓝牙应用时需要考虑:
资源限制:BLE设备通常有有限的内存和处理能力
功耗优化:合理设置连接间隔、从设备延迟等参数
协议版本兼容性:确保设备间的互操作性
安全配置:根据应用需求选择适当的安全级别
五、蓝牙应用场景
蓝牙协议栈支持广泛的应用场景:
5.1 音频传输
无线耳机、音箱
车载免提系统
LE Audio新增支持多流音频和广播音频
5.2 数据传输
文件传输
设备同步
远程控制
5.3 物联网应用
智能家居设备
穿戴设备(手环、手表)
健康医疗设备(心率监测器)
5.4 位置服务
蓝牙信标(Beacon)
室内定位
物品追踪
六、蓝牙技术未来发展趋势
LE Audio:基于LC3编解码器的新一代蓝牙音频
Mesh网络:大规模设备组网能力
更高吞吐量:持续提升数据传输速率
更低功耗:进一步优化能效
与5G/Wi-Fi 6的融合:多技术协同工作
蓝牙协议栈作为蓝牙技术的核心,随着版本的演进不断丰富和完善,为各种无线应用场景提供了灵活可靠的通信基础。理解蓝牙协议栈的架构和工作原理,对于开发蓝牙应用和解决连接问题具有重要意义
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