蓝牙BLE广播

这里只讨论蓝牙BLE广播

这部分可以看蓝牙标准Core Specification V5.3的卷3 Host part C。当然广播参数那一块和“控制器”层有关，只需要了解广播参数的含义和设置方法就行，控制器的细节不太容易理解。

主要目标

广播参数（广播间隔、TX 功率、信道和使用的 PHY）。
广播类型（可连接与不可连接、可扫描与不可扫描等）。
蓝牙 LE 地址类型（公共、随机、静态、可解析等）。
在蓝牙 LE 广播和 UUID 中包含数据。

广播的作用

LE设备周期性的宣布自己存在，以让别人能连接自己。这里的周期性就是“广播间隔”

发起广播端的参数

广播间隔：发送广播包的间隔。范围为20ms至10.24s，步长为0.625ms。

广播间隔越小，广播数据包发送的频率就越高，因此功耗也就越大。因此，这里需要权衡功耗与扫描仪接收广播商的广播数据包的速度（通常称为可发现性）。为了避免数据包冲突，每个广播数据包之前都会添加 0-10 毫秒的随机延迟。这可确保具有相同广播间隔的设备不会一直发生广播数据包冲突。

广播信道：无线通信都会有通信的无线信道。蓝牙 LE 设备通过 40 个不同的频道进行通信。这些频道分为三个主要广播频道和 37 个次要广播频道。

在这里插入图片描述

接收广播端的参数

和广播间隔类似，在接收端(如手机）也会有一个时间叫“扫描间隔”和“扫描窗口”。

扫描间隔：设备扫描广播数据包的间隔。
扫描窗口：设备在每个扫描间隔内扫描数据包所用的时间。
两者范围均为 2.5 毫秒至 10.24 秒，步长为 0.625 毫秒。

在这里插入图片描述
从上图可以看出，广播会在37，38,39三个广播信道上传输，因此接受也会依次在3个信道上不停地切换，并接收广播。

上图中，绿色表示37信道，浅蓝色表示38信道，深蓝色表示39信道。

广播的请求

如果想了解设备的更多信息（如更多的服务UUID、扩展的设备名称、制造商数据等），那么就需要进行广播数据请求。正式的术语叫“扫描请求”和“扫描响应”

具体流程：

外围设备（如手表），发出广播数据包，让中央设备（如手机）能扫描到广播包。
中央设备发送“扫描请求”。
外围设备回应“扫描响应”。这里就可以附加更多的信息返回给设备。

扫描请求：中央设备向外围设备发送的消息，用于请求广播包中不存在的附加信息。
扫描响应：作为对扫描请求的响应而发送的消息，包含附加用户数据。

在这里插入图片描述这个过程的作用

从上面可以看到，扫描请求和响应，可以作为未连接前，两个设备之间单向通信的一种方式。
因为广播包的长度有限，不能放入太多数据，可以用扫描响应来给出更多的设备信息。

广播的类型

外围设备可以通过多种不同的方式进行广播。

作用
有时候需要告诉别人，我这个设备，是不让别人连接的（如Becan设备），中央设备看到类型后，就不会去发起广播请求了。

广播类型的广播包的Header里面。
在这里插入图片描述

广播包类型
1. 可扫描和可连接 ( ADV_IND)：这是最常见的广告类型。允许别人扫描请求。并且有响应，然后建立连接。
2. 定向可连接（ADV_DIRECT_IND）：不接受扫描请求，但是特定中央设备可以快速连接的的广播。一个很好的例子是蓝牙鼠标与 PC 失去连接并且只想重新连接。在这种情况下，无需接受扫描请求，发送定向广播包以缩短连接过程会更快。
3. 不可连接且可扫描（ADV_SCAN_IND）：可以有扫描请求，但是不允许建立连接。
4. 不可连接且不可扫描 ( ADV_NONCONN_IND)：不能请求，也不能连接

连接、扫描、定向的含义
可连接与不可连接：确定中央设备是否可以连接到外围设备。
可扫描与不可扫描：确定外围设备是否接受来自中央设备的扫描请求。
定向与非定向：确定广播数据包是否针对特定中央设备。

在这里插入图片描述

蓝牙地址

和以太网，wifi的MAC地址的概念类似。蓝牙也有自己的“MAC”地址，就叫“蓝牙地址”

每个蓝牙 LE 设备都由一个唯一的 48 位地址标识。
蓝牙地址分为公共地址和随机地址。根据随机地址是否变化，随机地址又可分为静态地址或私有地址。此外，私有地址可以是可解析的，也可以是不可解析的。

下边对不同地址地址类型，详细展开：

公共地址

需要在 IEEE 注册机构注册，并且对于该设备而言是全球唯一的，并且无法删除。获取此类地址需要付费。并不是每个设备都会有这个地址，需要看厂家是否有为设备购买公共地址。

地址结构：
高24位：公司标识符（Organizationally Unique Identifier, OUI），由IEEE分配给设备制造商。
低24位：由设备制造商分配，唯一标识每个设备。

随机地址

随机地址更为常用，因为它不需要向 IEEE 注册，并且可以由用户手动配置。它既可以在设备内编程，也可以在运行时创建。随机地址又可以进一步细分为：随机静态地址（Random static address）或随机私有地址（Random private address）。

备注：随机私有地址根据可否解析，可分为“可解析私有地址”和“不可解析私有地址”。

因此随机地址一共有3种：静态随机地址，可解析的随机私有地址

静态随机地址
在设备的整个生命周期内固定不变。它可以在启动时更改，但不能在运行时更改。

地址结构：
高2位固定为11，表示这是一个静态随机地址。
剩余46位由设备在启动时随机生成，并在设备重启之前保持不变。
格式示例：11XXXXXX:YYYYYYYY:YYYYYYYY:YYYYYYYY

可解析的随机私有地址
因为目标侦听器拥有一个预共享密钥，每次地址发生变化时，他们都可以使用该密钥找出新地址。预共享密钥是身份解析密钥 (IRK)，用于生成和解析随机地址。

地址结构：
高2位固定为01，表示这是一个可解析的私有地址。
剩余46位由设备通过一个密钥生成，中心设备可以通过身份解析键（Identity Resolving Key, IRK）解析出设备身份。
格式示例：01XXXXXX:YYYYYYYY:YYYYYYYY:YYYYYYYY

不可解析的随机私有地址
不可解析的私有地址无法被其他设备解析，仅用于防止跟踪。这种地址不常用。

地址结构：
高2位固定为00，表示这是一个不可解析的私有地址。
剩余46位随机生成，不能被解析出设备的身份。
格式示例：00XXXXXX:YYYYYYYY:YYYYYYYY:YYYYYYYY

总之，记住蓝牙地址一共有4种类型：公共地址：、随机静态地址、可解析随机私有地址、不可解析的随机私有地址。

广播包的帧格式

在这里插入图片描述如上是广播包的格式，其中preamble，access address，CRC都是协议栈自动计算和填充的。下面继续看看Advertisement PDU里面有啥。

Advertisement PDU

在这里插入图片描述

Header头部，

在这里插入图片描述
PDU type：广播类型
RFU:保留
ChSel：通信channel的算法。就是通信时是怎么在通道之间跳转的。
TxAdd（Tx 地址）：0 或 1，取决于发射器地址是公共的还是随机的。
RxAdd（Rx 地址）：0 或 1，取决于接收地址是公开的还是随机的。
长度：有效载荷的长度。从这里可以看出广播包的有效载荷最大长度为256字节。

Payload

在这里插入图片描述 AdvA：广播设备的蓝牙地址
AdvData：广播数据

AdvData：广播数据

广播数据的内容，根据广播的类型决定。上文有讲广播的类型有4种。其中有定向广播（ADV_DIRECT_IND）比较特别。后面单独拿出来。剩余3种数据结构都一样。如下

在这里插入图片描述广播数据里面可以分成很多段：AD0,AD1…ADn。每一段都有固定的格式，如上图浅蓝色部分。

为什么要分段？为了节省数据包的空间，一个段就代表一个有效数据。
如下示例
在这里插入图片描述
如果想在广播包里展示如上的信息。我们通常会这么写

Complete list of 16-bit Service UUlDs:0x180D.0x180F,0x180A
Complete Local Name: Zephyr HeartrateSensor

如上简单直观，但是会发现标题行已经占据了很大的篇幅，要知道蓝牙的广播包能存放的有效数据长度就几十个字节。为了解决这个问题。蓝牙标准预先定义好了广播数据类型（在Generic Access Profile.pdf定义）。并用数字表示，比如Complete Local Name:用数字0x09表示，Complete list of 16-bit Service UUlDs用数字0x03代替。这样，只需要2个字节，就可以表示需要三四十个字节的标题。

下图似乎蓝牙广播是，实际传输的广播包原始数据Raw data。Details是具体解析出来的分段数据。
在这里插入图片描述