GAP層和GATT層,SM層完成應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互和加密解密！

實(shí)驗(yàn)用到的工具:

藍(lán)牙主機(jī)：TI BTool + CC2540 dongle

藍(lán)牙從機(jī)：CC2541模塊

抓包工具：TI Sniffer + CC2540 dongle

手機(jī)工具：BLE調(diào)試工具箱 (無(wú)線技術(shù)聯(lián)盟微信公眾號(hào)關(guān)聯(lián)的藍(lán)牙測(cè)試工具)

01

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連接請(qǐng)求

TI的Btool是個(gè)非常好用的PC主機(jī)小工具，其部分界面如下所示，在Discover/Connect界面，可以配置不同的連接參數(shù)，選擇掃描以及根據(jù)掃描到的廣播設(shè)備有選擇性的進(jìn)行連接。多說(shuō)一句whitelist，什么是whitelist？這個(gè)和微信公眾號(hào)的白名單一樣，是得到主機(jī)授權(quán)的從機(jī)設(shè)備，當(dāng)選擇只掃描whitelist的設(shè)備時(shí)(前提是已經(jīng)在主機(jī)上添加了whitelist設(shè)備)，主機(jī)只會(huì)掃描過(guò)濾在whitelist里面的設(shè)備。

從下圖截獲的控制數(shù)據(jù)包可以看到，主機(jī)端在廣播掃描之后發(fā)出一條CONNECT_REQ的指令，附帶LL data，開啟了主從設(shè)備連接的過(guò)程的第一步。TI的工具做的比較人性化，可以從該條語(yǔ)句的注釋可以看到

Adv PDU Header Type的值為5，對(duì)應(yīng)Spec的值是CONNECT_REQ。

在指令后面標(biāo)注出發(fā)起端(主機(jī))和從機(jī)端的Mac地址，然后是LL data。

這一條指令嚴(yán)格來(lái)說(shuō)也是屬于廣播范疇，其數(shù)據(jù)格式說(shuō)明可以參考上一篇文章。

展開CONNECT_REQ包，其數(shù)據(jù)包格式可分為前導(dǎo)，接入地址，數(shù)據(jù)包，CRC效驗(yàn)，詳細(xì)規(guī)范如下：

PDU數(shù)據(jù)包分可分為兩個(gè)部分，Header部分是指令(CONNECT_REQ)，payload是詳細(xì)LL data，拉出LL Data來(lái)看，如下圖所示：

下面對(duì)LL Data格式詳細(xì)說(shuō)明：

AA:連接中的兩設(shè)備的接入地址，如下圖所示，

CRCInit：CRC 初始化

WinSize：主機(jī)發(fā)送第一包數(shù)據(jù)的時(shí)間窗口

Winoffset：主機(jī)發(fā)送第一包數(shù)據(jù)的偏移時(shí)間

WinSize和Winoffset是配和使用，主機(jī)在發(fā)起CONNECT_REQ開始的Winoffset+1.25ms內(nèi)準(zhǔn)備和從機(jī)建立連接，這段時(shí)間被稱為連接建立準(zhǔn)備時(shí)間，WinSize是主機(jī)第一包數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間窗口范圍。

Interval：藍(lán)牙連接間隔時(shí)間。

Latency：連接延遲，主多次請(qǐng)求才喚醒從機(jī)交互一次數(shù)據(jù)。

Timeout：超時(shí)斷開連接。

ChM：跳頻表，主機(jī)根據(jù)信道情況給出一張?zhí)l表，約定和從機(jī)可用的信道(0-36信道)，0表示該信道不可用，1表示該信道可用。

Hop：跳頻階躍，hop是一個(gè)5~16的值。

SCA：休眠時(shí)鐘校正范圍。

跳頻算法介紹：

跳頻算法用于數(shù)據(jù)連接時(shí)候，數(shù)據(jù)信道為37個(gè)，跳頻公式如下： unmappedChannel = (lastUnmappedChannel + hopIncrement) mod 37

fn+1=(fn+hop) mod 37

hop是一個(gè)5~16的值，每次調(diào)頻之后中心頻率加hop值 mod 37。因?yàn)槎际钦麛?shù)，這個(gè)表達(dá)式在軟件中非常容易實(shí)現(xiàn)，軟件中通過(guò)求余運(yùn)算便能完成運(yùn)算，協(xié)議規(guī)定第一次連接事件中fn=0，fn+1=(0+hop) mod 37，也就是hop信道編號(hào)。

02

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連接事件

連接請(qǐng)求發(fā)出之后，開始進(jìn)入連接狀態(tài)，空中數(shù)據(jù)包如下所示，由綠色部分轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色部分。

進(jìn)入藍(lán)牙連接狀態(tài)，連接狀態(tài)的數(shù)據(jù)包格式如下所示，PUD數(shù)據(jù)包包含兩個(gè)部分，頭字說(shuō)明和數(shù)據(jù)包，頭字說(shuō)明里面有幾種類型，分別在LLID里面詳細(xì)規(guī)定，NESN和SN控制主從發(fā)送的數(shù)據(jù)包是否被正確接收。

LLID：數(shù)據(jù)包類型格式

NESN：下一個(gè)數(shù)據(jù)包序列

SN：數(shù)據(jù)包序列

NESN和SN是配合使用，他們的作用是來(lái)標(biāo)識(shí)主從是否正確交互。如主從交互所示，主發(fā)心跳包或者數(shù)據(jù)時(shí)，標(biāo)記NESN和SN給從機(jī)，從機(jī)在接收到主機(jī)標(biāo)識(shí)的NESN和SN之后，回傳NESN和SN+1給主，主接收到和之前發(fā)送的相差1表示之前數(shù)據(jù)正確傳輸，如果主機(jī)接收到的回傳值是非（NESN和SN+1），表示數(shù)據(jù)可能在空中存在都是，此時(shí)需要重傳。

03

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數(shù)據(jù)交互

從機(jī)發(fā)起了MTU更新：

可以發(fā)現(xiàn)該LL Data出現(xiàn)橙黃色部分，抓包工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的解析，橙黃部分表示從機(jī)要求更新MTU的大小，然后和主機(jī)相互約束一個(gè)MTU的值，后面數(shù)據(jù)包的格式及按照新約定的MTU大小來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。

總結(jié)

用一張圖作為總結(jié)，整個(gè)鏈路層的連接的流程圖如下所示：

所以要想連接一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，主設(shè)備只需要做幾個(gè)動(dòng)作，自身初始化，掃描周邊設(shè)備，對(duì)特點(diǎn)設(shè)備發(fā)出連接請(qǐng)求，開始交換數(shù)據(jù)。

到此低功耗藍(lán)牙就相互連接上了，后面應(yīng)用層數(shù)據(jù)交互和加密解密就要交給GAP層和GATT層,SM層來(lái)完成，我們下次再講解。