BLE 协议栈

BLE（Bluetooth Low Energy，蓝牙低功耗）协议栈是实现 BLE 通信功能的软件架构，它按照分层模型组织，每一层负责特定的功能。BLE 协议栈通常遵循蓝牙核心规范（Bluetooth Core Specification），目前最新版本为 Bluetooth 5.4（截至2024年）。以下是 BLE 协议栈的主要层次结构及其功能说明：

1.物理层（PHY - Physical Layer）

• 负责无线信号的发送与接收。
• 工作在 2.4 GHz ISM 频段，使用 GFSK（高斯频移键控）调制。
• BLE 使用 40 个 RF 信道（37 个数据信道 + 3 个广播信道）。
• 支持多种 PHY 模式（如 1M PHY、2M PHY、Coded PHY）以平衡速率与距离。

2.链路层（LL - Link Layer）

• 控制设备的射频状态（广播、扫描、连接等）。
• 定义 BLE 的五种设备角色：
  • 广播者（Advertiser）
  • 扫描者（Scanner）
  • 发起者（Initiator）
  • 主设备（Master / Central）
  • 从设备（Slave / Peripheral）
• 负责连接建立、加密、跳频、数据包格式、重传机制等底层通信控制。

3.主机控制器接口（HCI - Host Controller Interface）（可选）

• 提供主机（Host）与控制器（Controller）之间的标准通信接口。
• 常用于将 BLE 控制器（如芯片中的基带+射频）与主处理器（运行应用和高层协议）分离的系统中。
• 可通过 UART、USB、SPI 等物理接口传输 HCI 命令/事件/数据。

注：在 SoC（单芯片）方案中，HCI 层常被省略或内部集成。

4.逻辑链路控制与适配协议层（L2CAP - Logical Link Control and Adaptation Protocol）

• 提供多路复用、分段与重组、协议复用等功能。
• 为上层协议（如 ATT、SM）提供面向通道的数据传输服务。
• BLE 中 L2CAP 通道通常基于固定信道（如信令信道、ATT 信道）或动态信道（用于 LE Credit Based Flow Control）。

5.安全管理层（SM - Security Manager）

• 负责 BLE 设备间的配对（Pairing）、绑定（Bonding）、加密和密钥分发。
• 支持多种安全模式（如 Just Works、Passkey Entry、OOB、Numeric Comparison）。
• 生成长期密钥（LTK）、身份解析密钥（IRK）等用于安全通信。

6.属性协议层（ATT - Attribute Protocol）

• BLE 数据交换的核心协议。
• 基于“属性”（Attribute）模型：每个属性包含句柄（Handle）、UUID、值（Value）和权限。
• 定义了客户端（Client）与服务器（Server）角色：
  • Server：存储属性（如传感器数据）
  • Client：读写/订阅这些属性
• 支持操作：Read、Write、Notify、Indicate、Discover 等。

7.通用属性配置文件（GATT - Generic Attribute Profile）

• 构建在 ATT 之上，定义了属性的组织方式和使用规范。
• 引入Service（服务）、Characteristic（特征）、Descriptor（描述符）的概念：
  • Service：一组相关的数据/功能（如 Battery Service）
  • Characteristic：具体的数据项（如 Battery Level）
  • Descriptor：描述 Characteristic 的元数据（如 Client Characteristic Configuration Descriptor 用于使能 Notify）
• 所有 BLE 应用（如心率监测、智能家居）都基于 GATT Profile 实现互操作。

8.通用访问配置文件（GAP - Generic Access Profile）

• 定义设备如何被发现、连接和广播。
• 规范设备角色（Central/Peripheral）、广播类型（可连接/不可连接/定向等）、连接参数。
• 处理设备名称、外观（Appearance）、广播数据内容等。

协议栈整体结构（自下而上）：

Application ↑ GATT (Generic Attribute Profile) ↑ ATT (Attribute Protocol) ↑ SM (Security Manager) ←→ L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) ↑ ↑ GAP (Generic Access Profile) ↑ ↑ ↑ HCI (Host Controller Interface) ←→ （可选） ↑ LL (Link Layer) ↑ PHY (Physical Layer)

常见 BLE 芯片厂商的协议栈实现：

• Nordic Semiconductor：SoftDevice（如 S112, S132, S140）
• Texas Instruments：BLE Stack（如 CC2640R2 SDK）
• Silicon Labs：Bluetooth SDK（基于 Gecko Platform）
• ESP32（Espressif）：Bluedroid 或 NimBLE 协议栈
• Zephyr OS：开源 BLE 协议栈（支持 Nordic、NXP、STM32 等）