低功耗蓝牙开发权威指南 [图书]

2.11.1　客户端–服务器架构 14
2.11.2　面向服务的架构 15
第3章　低功耗蓝牙的体系结构 19
3.1　控制器 20
3.1.1　物理层 20
3.1.2　直接测试模式 20
3.1.3　链路层 21
3.1.4　主机/控制器接口 22
3.2　主机 22
3.2.1　逻辑链路控制和适配协议 22
3.2.2　安全管理器协议 23
3.2.3　属性协议 23
3.2.4　通用属性规范 24
3.2.5　通用访问规范 25
3.3　应用层 25
3.3.1　特性 26
3.3.2　服务 26
3.3.3　规范 26
3.4　协议栈划分 27
3.4.1　单芯片解决方案 27
3.4.2　双芯片解决方案 28
3.4.3　三芯片解决方案 28
第4章　新的使用模型 30
4.1　存在检测 30
4.2　广播数据 31
4.3　无连接模式 31
4.4　网关 32
第二部分　控　制　器
第5章　物理层 36
5.1　背景 36
5.2　模拟调制 36
5.3　数字调制 38
5.4　频段 39
5.5　调制 40
5.6　射频信道 41
5.7　发射功率 41
5.8　容限 42
5.9　接收机灵敏度 42
5.10　通信距离 42
第6章　直接测试模式 45
6.1　背景 45
6.2　收发机测试 46
6.2.1　测试报文格式 46
6.2.2　发射机测试 47
6.2.3　接收机测试 47
6.3　硬件接口 48
6.3.1　串口 48
6.3.2　命令与事件 48
6.4　使用HCI的直接测试模式 50
第7章　链路层 51
7.1　链路层状态机 51
7.1.1　就绪态 52
7.1.2　广播态 53
7.1.3　扫描态 53
7.1.4　发起态 54
7.1.5　连接态 55
7.1.6　多状态机 55
7.2　报文 57
7.2.1　广播与数据报文 57
7.2.2　白化 57
7.3　报文结构 59
7.3.1　比特序与字节 60
7.3.2　前导 60
7.3.3　接入地址 60
7.3.4　报头 61
7.3.5　长度 61
7.3.6　净荷 63
7.3.7　循环冗余校验 63
7.4　信道 63
7.4.1　跳频 66
7.4.2　自适应跳频 66
7.5　设备发现 68
7.5.1　通用广播 69
7.5.2　定向广播 69
7.5.3　不可连接广播 70
7.5.4　可发现广播 70
7.6　广播 70
7.7　建立连接 71
7.7.1　接入地址 72
7.7.2　CRC初始化 72
7.7.3　发送窗口 72
7.7.4　连接事件 73
7.7.5　信道图 74
7.7.6　睡眠时钟精度 74
7.8　发送数据 74
7.8.1　数据报头 75
7.8.2　逻辑链路标识符 75
7.8.3　序列号 76
7.8.4　确认 76
7.8.5　更多数据 77
7.8.6　使用序列号和更多数据的例子 77
7.9　加密 79
7.9.1　AES 79
7.9.2　加密净荷数据 80
7.9.3　消息完整性校验 81
7.10　管理连接 82
7.10.1　连接参数更新 83
7.10.2　自适应跳频 84
7.10.3　启动加密 85
7.10.4　重启加密 87
7.10.5　版本交换 87
7.10.6　功能交换 89
7.10.7　终止连接 90
7.11　鲁棒性 90
7.11.1　自适应跳频 90
7.11.2　强CRC 92
7.12　为低功耗优化 93
7.12.1　短报文 93
7.12.2　高比特率 94
7.12.3　低开销 95
7.12.4　确认机制 96
7.12.5　单信道连接事件 96
7.12.6　亚速率连接事件 97
7.12.7　离线加密 98
第8章　主机/控制器接口 99
8.1　介绍 99
8.2　物理接口 99
8.2.1　UART 99
8.2.2　3线UART 100
8.2.3　USB 101
8.2.4　SDIO 102
8.3　逻辑接口 102
8.3.1　HCI信道 102
8.3.2　命令数据包 102
8.3.3　事件数据包 103
8.3.4　数据包 104
8.3.5　命令流控 105
8.3.6　数据流控 106
8.4　控制器的配置 106
8.4.1　重置控制器为已知状态 106
8.4.2　读取设备地址 107
8.4.3　设置事件掩码 107
8.4.4　读取缓冲区大小 108
8.4.5　读取控制器支持的功能 109
8.4.6　读取控制器支持的状态 109
8.4.7　随机数 110
8.4.8　加密数据 110
8.4.9　设置随机地址 111
8.4.10　白名单 112
8.5　广播和观察 112
8.5.1　广播 112
8.5.2　被动扫描 114
8.5.3　主动扫描 115
8.6　发起连接 116
8.6.1　与白名单设备发起连接 116
8.6.2　与单一设备发起连接 118
8.6.3　取消连接请求 118
8.7　连接管理 119
8.7.1　更新连接 119
8.7.2　更新信道映射图 120
8.7.3　交换功能列表 121
8.7.4　交换版本信息 121
8.7.5　加密连接 122
8.7.6　重启加密 123
8.7.7　终止连接 125
第三部分　主　　机
第9章　逻辑链路控制和适配协议 128
9.1　背景 128
9.2　L2CAP信道 130
9.3　L2CAP数据包结构 130
9.4　低功耗信令信道 131
9.4.1　命令拒绝 132
9.4.2　连接参数更新请求和响应 132
第10章　属性 135
10.1　背景 135
10.1.1　精简协议 136
10.1.2　无所不在的数据 136
10.1.3　数据与状态 137
10.1.4　几种常见的状态 137
10.1.5　状态机 138
10.1.6　服务和规范 139
10.2　属性 142
10.2.1　属性概述 143
10.2.2　属性句柄 143
10.2.3　属性类型 143
10.2.4　属性值 144
10.2.5　数据库、服务器和客户端 145
10.2.6　属性许可 145
10.2.7　接入属性 147
10.2.8　原子操作和事务 148
10.3　分组 149
10.4　服务 150
10.4.1　扩展服务 151
10.4.2　其他服务的重用 153
10.4.3　结合服务 153
10.4.4　首要还是次要 154
10.4.5　即插即用的客户端应用 156
10.4.6　服务声明 157
10.4.7　包含服务 158
10.5　特性 159
10.5.1　特性声明 159
10.5.2　特性数值 161
10.5.3　描述符 161
10.6　属性协议 164
10.6.1　协议消息 165
10.6.2　交换MTU请求 165
10.6.3　查找信息请求 166
10.6.4　按类型值查找请求 167
10.6.5　按类型读取请求 168
10.6.6　读取请求 168
10.6.7　大对象读取请求 168
10.6.8　多重读取请求 169
10.6.9　按组类型读取请求 169
10.6.10　写入请求 169
10.6.11　写入命令 169
10.6.12　签名写入命令 169
10.6.13　准备写入请求与执行写入请求 170
10.6.14　句柄值通知 171
10.6.15　句柄值指示 171
10.6.16　错误响应 171
10.7　通用属性规范 173
10.7.1　发现规程 174
10.7.2　发现服务 174
10.7.3　特性发现 175
10.7.4　客户端发起规程 176
10.7.5　服务器发起规程 178
10.7.6　属性协议数据单元（ATT PDU）到GATT规程的映射 178
第11章　安全 180
11.1　安全概念 180
11.1.1　认证 180
11.1.2　授权 181
11.1.3　完整性 181
11.1.4　机密性 182
11.1.5　隐私 182
11.1.6　加密引擎 182
11.1.7　共享机密 182
11.2　配对和绑定 185
11.2.1　配对 185
11.2.2　配对信息交换 185
11.2.3　认证 186
11.2.4　密钥分配 187
11.2.5　绑定 188
11.3　数据签名 188
第12章　通用访问规范 189
12.1　背景 189
12.1.1　初次发现 190
12.1.2　建立初始连接 191
12.1.3　服务特性 191
12.1.4　长期关系 192
12.1.5　重连 192
12.1.6　私有地址 193
12.2　GAP角色 193
12.3　模式和规程 194
12.3.1　广播模式和观察规程 195
12.3.2　可发现性 195
12.3.3　可连接性 197
12.3.4　绑定 199
12.4　安全模式 200
12.5　广播数据 201
12.5.1　标识 202
12.5.2　服务 202
12.5.3　本地名称 203
12.5.4　发射功率等级 203
12.5.5　从设备连接间隔范围 203
12.5.6　服务请求 203
12.5.7　服务数据 203
12.5.8　制造商指定数据 203
12.6　GAP服务 204
12.6.1　设备名特性 204
12.6.2　外观特性 204
12.6.3　外围设备隐私标识 204
12.6.4　重连地址 205
12.6.5　外围设备首选连接参数 205
第四部分　应　　用
第13章　中央设备 208
13.1　背景 208
13.2　发现设备 208
13.3　连接设备 209
13.4　这个设备能做什么 210
13.5　通用客户端 211
13.6　与服务交互 211
13.6.1　可读特性 212
13.6.2　控制点 212
13.6.3　状态机 213
13.6.4　通知和指示 214
13.7　绑定 214
13.8　变更服务 215
13.9　实现规范 216
13.9.1　定义规范 216
13.9.2　查找服务 217
13.9.3　查找特性 217
13.9.4　使用特性 217
13.9.5　规范安全 217
第14章　外围设备 219
14.1　背景 219
14.2　仅广播 219
14.3　可发现 220
14.4　可连接 220
14.5　公开服务 221
14.6　特性 221
14.7　安全事项 222
14.8　为低功耗优化 222
14.8.1　可发现广播 224
14.8.2　绑定 224
14.8.3　可连接广播 224
14.8.4　定向广播 225
14.8.5　已连接 225
14.8.6　保持连接还是断开 226
14.9　优化属性 227
第15章　测试和质量鉴定 229
15.1　启动项目 229
15.2　选择功能 231
15.3　一致性检查 232
15.4　生成测试计划 232
15.5　建立合规文件夹 232
15.6　鉴定测试 233
15.7　鉴定设计 234
15.8　合规声明 234
15.9　产品名录 234
15.10　结合组件 235

.　　因此，从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素：
　　1. ISM频段
　　无论从设计的角度还是从使用的角度出发，2.4GHz ISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水，而人体主要是由水构成的。尽管有许多显著的不利因素，但不可否认，该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。当然，“免交租金”的标志意味着其他技术一样能够使用该频段，包括绝大部分的Wi-Fi信号。不过，免许可并非等同于毫无约束，使用该频段仍然要遵守相当多的规则，主要是限制设备的输出能量和范围。当然，与许可频谱的高昂费用相比，这些限制就显得微不足道了。因此，选择使用ISM频段能够降低成本。
　　2. IP许可
　　当Wibree（超低功耗蓝牙）技术发展成熟，考虑将其并入已有的无线标准工作组时，诺基亚原本有多种选择方案。比如加入Wi-Fi联盟，该联盟也在2.4GHz ISM频段制定标准化技术。然而，鉴于蓝牙组织拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策，他们最终选择了蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，BT SIG）。与其他采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比，蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
　　3. 低功耗
　　设计一款低成本设备的最好方法就是减少制作这个设备所需的原料，比如电池。电池越大，电池盒就越大，这样又会增加成本。替换一节电池的花费，不仅指消费者需要购买新的电池，而且替换本身也包含了因设备暂时无法使用带来的机会成本。如果设备由第三方维护，比如作为家庭警备管理系统的一部分，换电池还需额外的劳动力成本。因此，设计有关低功耗的技术也是在降低各种成本。这里不妨做个脑力实验，如果只花一毛钱就能买一个兆瓦特级的电池，那事情会变得多么不同？
　　很多设备能容纳更大的电池，例如键盘或者鼠标内部很容易装下几节AA电池。然而生产商们却倾向于使用AAA电池，并不是因为它们更小，而是因为它们的原料成本更低，降低了设备的总成本。
　　因此，低功耗的基础设计就是以纽扣电池—这种最小、最便宜并且最容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传输速率，或是将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的最大区别。下一节将就该问题进行详细讨论。
　　
　　

.　　因此，从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素：
　　1. ISM频段
　　无论从设计的角度还是从使用的角度出发，2.4GHz ISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水，而人体主要是由水构成的。尽管有许多显著的不利因素，但不可否认，该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。当然，“免交租金”的标志意味着其他技术一样能够使用该频段，包括绝大部分的Wi-Fi信号。不过，免许可并非等同于毫无约束，使用该频段仍然要遵守相当多的规则，主要是限制设备的输出能量和范围。当然，与许可频谱的高昂费用相比，这些限制就显得微不足道了。因此，选择使用ISM频段能够降低成本。
　　2. IP许可
　　当Wibree（超低功耗蓝牙）技术发展成熟，考虑将其并入已有的无线标准工作组时，诺基亚原本有多种选择方案。比如加入Wi-Fi联盟，该联盟也在2.4GHz ISM频段制定标准化技术。然而，鉴于蓝牙组织拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策，他们最终选择了蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，BT SIG）。与其他采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比，蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
　　3. 低功耗
　　设计一款低成本设备的最好方法就是减少制作这个设备所需的原料，比如电池。电池越大，电池盒就越大，这样又会增加成本。替换一节电池的花费，不仅指消费者需要购买新的电池，而且替换本身也包含了因设备暂时无法使用带来的机会成本。如果设备由第三方维护，比如作为家庭警备管理系统的一部分，换电池还需额外的劳动力成本。因此，设计有关低功耗的技术也是在降低各种成本。这里不妨做个脑力实验，如果只花一毛钱就能买一个兆瓦特级的电池，那事情会变得多么不同？
　　很多设备能容纳更大的电池，例如键盘或者鼠标内部很容易装下几节AA电池。然而生产商们却倾向于使用AAA电池，并不是因为它们更小，而是因为它们的原料成本更低，降低了设备的总成本。
　　因此，低功耗的基础设计就是以纽扣电池—这种最小、最便宜并且最容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传输速率，或是将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的最大区别。下一节将就该问题进行详细讨论。
　　1.1设备类型
　　低功耗蓝牙技术可以构建两种类型的设备：双模设备和单模设备。双模设备既支持经典蓝牙又支持低功耗蓝牙。单模设备只支持低功耗蓝牙。当然，还有第三种类型—仅支持经典蓝牙的设备。
　　由于双模设备支持经典蓝牙，所以能与现有的数以亿计的蓝牙设备通信。双模设备是一类新的设备，要求为主机和控制器分别提供新的软件和硬件（包括固件）。因此，现有的经典蓝牙控制器或主机无法通过升级实现低功耗蓝牙。不过，大部分的双模控制器只是简单地替换了经典蓝牙的控制器的某些部分，这使得手机、电脑和其他设备的设计人员能够较快地用双模控制器替换现有的经典蓝牙控制器。
　　仅支持低功耗蓝牙的单模设备不支持经典蓝牙，无法与现有的蓝牙设备通信，但可以与其他单模设备或者双模设备通信。出于降低功耗的目的，这些新型的单模式设备进行了大量优化，可用于通过纽扣电池供电的元器件。由于单模设备不支持头戴式耳机、立体声音乐或较高的文件传输速率，无法将其用于当今经典蓝牙使用的大部分领域。
　　表1-2展示了彼此间能相互通信的蓝牙设备类型以及蓝牙设备连接之后使用的无线电技术。单模设备能够与其他的低功耗单模设备通信，也能与支持低功耗的双模设备通信。双模设备能够与其他双模设备或使用BR/EDR的经典蓝牙设备通信。单模设备无法与经典蓝牙设备通信。
　　表1-2单模、双模和经典蓝牙的兼容性
　　 单模 双模 经典
　　单模 LE LE 无
　　双模 LE 经典 经典
　　经典 无 经典 经典
　　1.2设计目标
　　评论一种技术，一个首先浮现的问题是设计者是如何优化该技术的。大多数技术通常具有一定的适用性，也会有一两项显著的优势。而了解这些优势对于加深对该技术的理解将大有裨益。
　　对于低功耗蓝牙而言，答案非常简单。它的设计目标就是实现最低的能耗。蓝牙SIG的一个独特之处在于该组织制定并控制从物理层到应用程序的所有层次。SIG在一个合作、开放、由商业驱动的标准化模式下运行，在过去的十多年间不断优化无线规范的制定流程，使得蓝牙规范在发布之后不但可以立即使用，而且具有互通性、鲁棒性以及极高的质量。
　　在设计之初，低功耗蓝牙的目标在于尽可能创造一种最低功率的、短距离的无线技术。为了实现这一目标，低功耗蓝牙技术对体系结构的每一层都进行了优化，以降低执行任务所需的能耗。例如，与经典蓝牙相比，低功耗蓝牙对于物理层的无线电参量要求有所放宽，意味着发送或接收数据时可以使用更低的功率。同样，链路层为了加快重连速度、提升数据广播的效率也进行了优化，这使得连接的保持变得不那么重要。此外，低功耗蓝牙对主机内各协议也做了优化，主要是为了减少从连接建立到应用程序完成数据发送所需的时间。这一切的优化只有依靠同一团队在同一时间完成所有的系统设计才有可能实现。
　　蓝牙技术最初的设计目标并未被人们遗忘，主要包括以下几个方面：
　　全球操作
　　低成本
　　鲁棒性
　　短距离
　　低功耗
　　全球操作，需要一个在世界范围内都能使用的无线频段。2.45GHz频段是目前唯一一个可实现低成本、大批量制造的频段。该频段之所以可用，是因为它对天文学家、手机运营商或其他商家来说并没有什么吸引力。不幸的是，正如其他的“免费午餐”那样，当人人都想分一杯羹时，拥挤就在所难免。当然还有其他一些可用的无线频段，比如60GHz ISM频段，但从低成本的角度来看并不适用； 800/900MHz区间的频段也可使用，但由于不同的国家或地区对具体使用频率的定义和使用规定各有不同，同样缺乏可操作性。
　　低成本的设计目标很有意思，因为它意味着系统应该尽可能做到简洁、高效。举个例子，尽管可以在低功耗蓝牙加入分散网（scatter net）或完整的网状网（mesh）支持，但这要求有更多的内存和处理能量来维护网络，从而增加了成本。所以，低功耗蓝牙系统在进行低成本优化时，并没有涉及在学术界广泛研究的网络拓扑学。
　　低功耗蓝牙使用的2.45GHz频段已经非常拥挤，仅仅考虑标准的技术就包括：经典蓝牙、低功耗蓝牙、IEEE 802.11、 IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、 IEEE 802.11n以及 IEEE 802.15.4。另外，许多私有的无线电同样使用这个频段，包括X10视频中继器、无线警报、键盘和鼠标等。许多其他设备也会在该频段发射噪声，例如街灯和微波炉。
　　因此，除非沿用经典蓝牙的自适应跳频技术，否则设计一个能在各种干扰下全天候工作的无线设备将是不可能完成的任务。自适应跳频不仅有助于迅速确定干扰源，从而在未来灵活地规避，而且能从无线电波干扰引发的丢包中迅速恢复。任何无线技术只有具备这样的鲁棒性才能从拥挤的无线频段里脱颖而出。
　　鲁棒性还包括检测和纠正比特误码的能力，这类错误通常由背景噪声而引起。少数短距离无线标准使用长循环冗余校验（CRC），但大部分标准做了折中，使用较短的CRC校验码。优良的设计应在校检能力和发送校验信息所需的时间之间取得平衡。
　　短距离实际上存在一些问题。比如，如果想得到一个低功耗的系统，就必须尽可能降低传输功率以减少用于信号传输的能量。类似地，我们必须在接收方保持较高的灵敏度，才能减少从一大片噪声中采集设备的无线信号时所消耗的能量。在这里，“短距离”真正的含义在于低功耗蓝牙网络并不是一个蜂窝基站系统，而是一个个人局域网。
　　蓝牙的最初设计目标在设计低功耗时并没有太多改变，只是后者将能量的消耗目标降低了一到两个数量级。经典蓝牙的设计目标是能够实现长达几天的待机以及实现若干小时的与头戴耳机通话，而低功耗蓝牙的设计目标是让测量气温或测量你的步行距离的传感器能够工作几年时间。
　　1.3术语
　　和许多高技术领域一样，在低功耗蓝牙方面工作的人们用他们自己的语言来描述一些技术特征和规范。本节列举了那些具有特殊意义的术语，并给出了解释。
　　自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping，AFH）一种使用某个频率子集的技术，使设备可以避免其他非自适应技术使用该频率（比如Wi-Fi接入点）。
　　体系结构（architecture）低功耗蓝牙的设计方案。
　　频段（band）参看无线频段（radio band）。
　　跳频（frequency hopping）两个设备之间使用多个频率通信。某一时刻只用一个频率，各频率按照确定的顺序依次使用。
　　层（layer）系统中实现一个具体功能的部分，例如物理层负责无线电操作。系统中每一层都是根据上层或下层抽象而来的。链路层并不需要知道有关无线电功能的所有细节；逻辑链路控制层和适配层（L2CAP）不需要知道关于链路层如何工作的所有细节。这一抽象概念对管理复杂系统而言至关重要。
　　主设备（master）微微网中协调与其他设备的操作的一台复杂设备。
　　微微网（piconet）单词pico和network两个单词的缩写。pico是SI的前缀之一，表示10–12。这个词源自意大利语piccolo，意思是微小的。因此，piconet是一个非常微小的网络。一个微微网包括唯一的一个主设备以及一个或多个从设备，主设备负责协调与本微微网中的所有其他从设备的操作。
　　无线频段（radio band）无线电波通过频率或波长进行划分。不同的无线电波具有不同的规则和使用方法。当某一范围内的无线电频率以同一规则组合起来时，该频率的集合就被称为一个无线频段。
　　从设备（slave）与主设备一起工作的简单设备。这些设备通常是用途单一的设备。
　　Wi-Fi一种为高传输率而设计的补充无线技术，用于计算机等复杂设备的互联网接入。