Bluetooth Low Energy（BLE）协议详解

一、BLE 协议是什么？

Bluetooth Low Energy（BLE，蓝牙低功耗） 是 Bluetooth 4.0 之后推出的一种无线通信技术，专为低功耗、低数据速率的短距离无线通信设计。与经典蓝牙（BR/EDR）相比，BLE 具有更低的功耗、较短的连接时长，并且适用于周期性数据传输、状态更新等应用。

典型应用

  • 智能穿戴（如智能手环、智能手表）
  • 智能家居（如智能门锁、BLE 灯泡）
  • 医疗设备（如心率监测器、血糖仪）
  • 物联网（IoT）（如工业传感器、资产追踪）
  • 汽车应用（如车载娱乐、无钥匙进入）

二、BLE 协议分层结构

**BLE 采用了 **OSI 参考模型 的简化结构，分为 Controller（控制器） 和 Host（主机） 两部分，具体协议栈如下：

协议层 主要功能
应用层（Application） 设备特定的应用逻辑
通用访问配置文件（GAP） 设备发现、连接管理、广播
通用属性协议（GATT） 设备间数据交换（基于 ATT）
逻辑链路控制与适配协议（L2CAP） 数据封装、分片与重组
安全管理器（SMP） 加密、身份验证、密钥交换
链路层（LL） 设备连接、数据包管理、功耗控制
物理层（PHY） 负责无线信号传输（GFSK 调制）

协议栈结构

1. 物理层（PHY）

调制方式

  • GFSK（高斯频移键控），调制指数为 0.5。
  • 数据速率：****1 Mbps（LE 1M）、2 Mbps（LE 2M），以及 Coded PHY（125 kbps、500 kbps）。

信道划分

  • 40 个信道
    ，其中：
    • 37 个数据信道（用于通信，频率范围 2.402–2.480 GHz）
    • 3 个广播信道（用于设备发现，位于 2.402 GHz、2.426 GHz 和 2.480 GHz）
  • **采用 **跳频技术 以减少干扰。

安全关联：物理层

  • 物理层本身无安全机制，所有安全特性均由更高层（如 SMP）提供。

2. 直接测试模式（Direct Test Mode）

用途

  • **用于 BLE 设备的 **射频测试 和 性能评估。

接口

  • **通过 **HCI（Host Controller Interface） 命令控制。

关键参数

  • 发射功率（最大 10 dBm，最小 -20 dBm）
  • 接收灵敏度（典型值 -85 dBm 以下）
  • 误码率（BER）测试

3. 链路层（LL）

功能

  • 广播（Advertising）：用于设备发现和连接。
  • 扫描（Scanning）：搜索附近的 BLE 设备。
  • 连接（Connection）：建立和管理 BLE 设备间的连接。
  • 数据传输（Data Transfer）：通过 PDU（协议数据单元）进行数据交换。
  • 功耗优化：支持 睡眠模式 和 定期唤醒机制。

链路层状态

  • 广告（Advertising）
  • 扫描（Scanning）
  • 已连接（Connected）
  • 非连接状态（Idle）

4. 逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）

功能

  • 数据封装：将 ATT/GATT/SMP 数据封装为 BLE 数据包。
  • 分片与重组（Segmentation & Reassembly）：处理大数据包的传输。
  • 流控（Flow Control）：管理不同协议的数据流量。
  • 信道管理：支持固定信道（如 ATT）和动态信道（如 GATT）。

L2CAP 数据包结构

字段 长度 说明
Length 2 字节 数据包长度
Channel ID 2 字节 目标协议通道（如 0x0004 表示 ATT）
Payload N 字节 实际数据

5. 安全管理器（SMP）

功能

  • 配对（Pairing）：建立加密连接。
  • 身份验证（Authentication）：确保通信双方可信。
  • 密钥管理（Key Distribution）：分发加密密钥。
  • 隐私保护（Privacy）：支持随机地址生成。

BLE 安全模式

安全模式 级别 说明
Security Mode 1 Level 1 无安全（No Security）
Security Mode 1 Level 2 未认证加密（Unauthenticated Encryption）
Security Mode 1 Level 3 认证加密（Authenticated Encryption）
Security Mode 1 Level 4 LE Secure Connections（FIPS 认证加密）

配对方法

  • Just Works（无认证）
  • Passkey Entry（密码输入）
  • Numeric Comparison（数值比对）
  • OOB（Out-of-Band，带外认证）

广播结构体：

服务特性

UUID

每一个服务都对应一个uuid

总结

  • **BLE 采用 **分层架构，从 PHY（物理层）到应用层，每层都承担不同的功能。
  • ATT/GATT 负责数据组织，L2CAP 负责数据封装，SMP 负责安全。
  • 链路层（LL） 管理设备发现、连接和数据传输。
  • **BLE 通过低功耗设计，使其适用于 IoT、智能穿戴和医疗设备等场景。

BLE 作为现代无线通信的关键技术之一，在物联网和智能设备中发挥着越来越重要的作用。