蓝牙概述及基本架构介绍

[1. 概述](#1. 概述)
- [1.1 蓝牙的概念](#1.1 蓝牙的概念)
- [1.2 蓝牙的发展历程](#1.2 蓝牙的发展历程)
- [1.3 蓝牙技术概述](#1.3 蓝牙技术概述)
- - [1.3.1 Basic Rate(BR)](#1.3.1 Basic Rate(BR))
  - [1.3.2 Low Energy（LE）](#1.3.2 Low Energy（LE）)
[2. 蓝牙的基本架构](#2. 蓝牙的基本架构)
- [2.1 芯片架构](#2.1 芯片架构)
- [2.2 协议架构](#2.2 协议架构)
- - [2.2.1 官方协议中所展示的蓝牙协议架构](#2.2.1 官方协议中所展示的蓝牙协议架构)
  - - [2.2.1.1 全局分析](#2.2.1.1 全局分析)
    - [2.2.1.2 局部分析](#2.2.1.2 局部分析)
  - [2.2.2 HW层，Transport层，Host层](#2.2.2 HW层，Transport层，Host层)
  - - [2.2.2.1 HW层------蓝牙芯片层](#2.2.2.1 HW层——蓝牙芯片层)
    - [2.2.2.2 Transport------数据传输层](#2.2.2.2 Transport——数据传输层)
    - [2.2.2.3 HOST------协议层](#2.2.2.3 HOST——协议层)
  - [2.2.3 BLE蓝牙体系架构](#2.2.3 BLE蓝牙体系架构)
[3. 市场常见的蓝牙技术方案](#3. 市场常见的蓝牙技术方案)
- [3.1 SOC单芯片方案](#3.1 SOC单芯片方案)
- [3.2 SOC蓝牙+MCU方案](#3.2 SOC蓝牙+MCU方案)
- [3.3 蓝牙host+controller分开方案](#3.3 蓝牙host+controller分开方案)
[4 Bluez介绍](#4 Bluez介绍)
- [4.1 Bluez概述](#4.1 Bluez概述)
- [4.2 Bluez目录介绍](#4.2 Bluez目录介绍)

1. 概述

1.1 蓝牙的概念

蓝牙，是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、PDA（掌上电脑）、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换，蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.11协议。

1.2 蓝牙的发展历程

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了20个岁月。从最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.2，经历了近9个版本的修订后，发展为当前的状况。

"蓝牙"的形成背景:

1998 年 5 月，爱立信、诺基亚、东芝、 IBM和英特尔公司等五家著名厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。

芯片霸主 Intel 公司负责半导体芯片和传输软件的开发，爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发， IBM 和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。

1999 年下半年，著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股"蓝牙"热潮。

全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品，使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景，并预示着 21 世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

蓝牙版本	发布时间	最大传输速率	传输距离
蓝牙1.0	1998	723Kbps	10米
蓝牙1.1	2002	810Kbps	10米
蓝牙1.2	2003	1Mbps	10米
蓝牙2.0+EDR	2004	2.1Mbps	10米
蓝牙2.1+EDR	2007	3Mbps	10米
蓝牙3.0+HS	2009	24Mbps	10米
蓝牙4.0-4.2	2010/2013/2014	24Mbps	50米
蓝牙5.0-5.2	2016/2019/2020	48Mbps	300米

第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索，使用的是BR技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能达到721.2Kbps。
第二代蓝牙：新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技术，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。
第三代蓝牙：核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，支持动态地选择正确射频，传输速率高达 24Mbps
第四代蓝牙：主推" Low Energy"低功耗， BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能
第五代蓝牙：开启「物联网」时代大门，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力

1.3 蓝牙技术概述

蓝牙协议包括两种技术：BR：Basic Rate和LE：Low Energy。这两种技术都包括搜索（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是不能互通的。

厂商如果只实现了一种，那么只能与同样实现该技术的设备互通。

如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通，那么就只能同时实现两种技术，而不去管是否真的需要。

1.3.1 Basic Rate(BR)

BR：Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP（Alternate MAC and PHY layer extension））。
BR：最早期的蓝牙技术，速度只能达到721.2Kbps，在那个年代，已为高大上了。
EDR：随着技术的提升，使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。
AMP：使用AMP技术的蓝牙，理论速率可以达到54Mbps。

AMP的Alternate交替使用体现在：由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显，BR/EDR和AMP是不能同时使用的。

简单的说，就是：BR和EDR是可以同时存在的，但BR/EDR和AMP只能二选一。

1.3.2 Low Energy（LE）

上面所讲的BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。

从它的英文名字上就可以看出它是一种低功耗蓝牙技术，是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术，旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。

低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调制系统更简单。

LE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个"蓝牙"的前缀而已。

目前BLE主要广泛应用于IoT产品领域。

技术规范	经典蓝牙（BT）	低功耗蓝牙（BLE）
无线电频率	2.4GHz	2.4GHz
距离	10米	最大100米
发送数据所需时间	100ms	<3ms
响应延时	约100ms	6ms
安全性	64/128-bit及用户自定义的应用层	128-bit AES及用户自定义的应用层
能耗	100%（ref）	1%-50%
空中传输数据速率	1-3Mb/s	1Mb/s
主要用途	手机游戏机耳机汽车 PC	手机游戏机 PC 智能穿戴设备汽车家用电子

2. 蓝牙的基本架构

2.1 芯片架构

蓝牙的核心系统，由一个Host和一个或多个Controller组成。

BT Host：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的上层。
BT Controller：一个逻辑实体，在HCI（Host Controller Interface）的下层。

Bluetooth的主控制器，可能是以下几种：

BR/EDR Controller：内部包含Radio, Baseband，Link Manager，可选的HCI。
LE Controller ：内部包含LE PHY，Link Layer ，可选的HCI
BR/EDR & LE Controller：BR/EDR与LE的组合的控制器
MAC/PHY (AMP) Controller：二级控制器，可替代的，内部包含 802.11 PAL (Protocol Adaptation Layer)，802.11 MAC，PHY，可选的HCI。

根据Host与Controller的组成关系，常见的蓝牙芯片也分为以下几种：

单模蓝牙芯片：单一传统蓝牙的芯片，单一低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合1个Controller）
双模蓝牙芯片：同时支持传统蓝牙和低功耗蓝牙的芯片。即（1个Host结合多个Controller）

因此，蓝牙芯片就会有以下几种架构：

2.2 协议架构

蓝牙的协议架构我们从两个视角来进行认识。

2.2.1 官方协议中所展示的蓝牙协议架构

2.2.1.1 全局分析

Controller：

BR/EDR Controller：由Link Manager、Link Controller、BR/EDR Radio组成
LE Controller：由Link Manager、Link Controller、 LE Radio 组成
AMP Controller：由 AMP PAL, AMP MAC, AMP PHY组成

Host:

BR/EDR Host：由 L2CAP、SDP 、GAP 组成
LE Host：由 L2CAP、SMP 、GAP 、Attribute protocol、GATT组成

2.2.1.2 局部分析

Host层

Channel Manager：通道管理，主要用于创建、管理、关闭L2CAP通道，用于服务协议和应用数据的传输。
L2CAP Resource Manage：L2CAP资源管理，主要负责管理分片的PDU的正确提交。
Security Manager Protocol：SMP安全管理协议，主要负责生成加密密钥和身份密钥。
Attribute Protocol：ATT，属性协议，主要负责服务端与客户端点到点的数据传输。
AMP Manager Protocol：直接使用L2CAP与远程设备通信。
Generic Attribute Profile：GATT，提供更多的功能，概要文件描述了属性服务器中使用的服务层次结构、特征和属性，用于LE设备
Generic Access Profile：GAP，标识了基础的蓝牙设备的通用功能

Controller层

Device Manager：控制蓝牙设备的通用行为，负责与蓝牙通信过程中，所有的与数据无关的操作，如查询设备，连接设备
Link Manager：链路管理，主要负责创建，修改，释放逻辑链路。
Baseband Resource Manager：基带资源管理，主要负责所有的访问无线电媒体
Link Controller：链路控制，主要负责从编码和解码蓝牙数据包
PHY：物理层，主要负责发送，接收物理通道的信息包

2.2.2 HW层，Transport层，Host层

2.2.2.1 HW层------蓝牙芯片层

HW层，指的是蓝牙芯片层，也就是我们上面说的Controller，包括以下几个部分：

RF（RADIO）：射频层，本地蓝牙数据通过射频发送给远端设备，并且通过射频接收来自远端蓝牙设备的数据。
BB（BASEBAND）：基带层，进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。
LMP（LINK MANAGER PROTOCOL）：链路管理层，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作
HCI（HOST CONTROLLER INTERFACE）：主机控制器接口层，HCI层在芯片以及协议栈都有，芯片层面的HCI负责把协议栈的数据做处理，转换为芯片内部动作，并且接收到远端的数据，通过HCI上报给协议栈。
BLE PHY：BLE的物理层
PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
BLE LL：BLE的链路层
LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者ATT。

2.2.2.2 Transport------数据传输层

Transport层，主机控制层接口，通过硬件接口UART/USB/SDIO把HOST协议层的数据发送给Controller层，并且接收Controller层的数据。

该部分有几个协议：

H2：基于USB的传输
H4：基于UART的传输，最简单的传输方式，只在HCI raw data前面加上一个type
H5: 基于UART的传输
BCSP: 基于UART的传输
SDIO ：基于SDIO的传输

H4需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/UART_CTS/UART_RTS/VCC/GND接到MCU；

H5只需要蓝牙芯片的UART_TX/UART_RX/VCC/GND接到MCU就可以通信。

2.2.2.3 HOST------协议层

HOST层，此部分就是蓝牙协议栈，该部分包括多个协议：

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）：逻辑链路控制与适配协议，将ACL数据分组，对高层应用的数据进行分组，并提供协议复用和服务质量交换等功能。通过协议多路复用、分段重组操作和组概念,向高层提供面向连接的和无连接的数据服务。

L2CAP对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。
SDP（SERVICE DISCOVERY PROTOCOL）：服务发现协议，为应用程序提供发现可用服务，并确定服务特征的方法。
RFCOMM（Serial Port Emulation）：串口仿真协议，上层协议蓝牙电话，蓝牙透传SPP等协议都是直接走的RFCOMM
SPP（SERIAL PORT PROFILE）：蓝牙串口协议
HID（HUMAN INTERFACE DEVICE）：人机接口协议，HID还是有很多广泛的用途的，比如蓝牙鼠标，蓝牙键盘，蓝牙自拍杆，蓝牙手柄等。
IAP：苹果的特有协议，分为IAP1/IAP2，一般做Carplay或者iPod功能会涉及到该协议
PBAP（Phone Book Access）：蓝牙电话本访问协议
MAP（MESSAGE ACCESS PROFILE）：蓝牙短信访问协议
OBEX：对象交换协议，蓝牙电话本，蓝牙短信，文件传输等协议都是走的OBEX
HFP（Hands-Free）：蓝牙免提协议
HSP：蓝牙耳机协议，最开始的蓝牙耳机协议，算是一个简化版的HFP。
A2DP（Advanced Audio Distribution）: 蓝牙音乐协议
SM: 蓝牙BLE安全管理协议

SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。
GAP（GENERIC ACCESS PROFILE）：它定义了蓝牙设备的基本要求。

它联系了所有的不同的层之间的交互，也描述了设备发现、建立连接、安全、认证、关联模型和发现服务的行为和方法。

对于BR/EDR，它定义了一个蓝牙设备，包括无线电、基带、链路管理器、L2CAP和服务发现协议（SDP）功能。

对于LE，它定义一个物理层（PHY），链路层，L2CAP，安全管理器，属性协议和通用属性配置文件。

GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。
ATT（Attribute Protocol）：蓝牙属性协议,用于发现、读、写对端设备的协议(针对BLE设备),ATT允许设备作为服务端提供拥有关联值的属性集，让作为客户端的设备来发现、读、写这些属性；同时服务端能主动通知客户端。

简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。
GATT（Generic Attribute Profile）：蓝牙通用属性协议，描述了一种使用ATT的服务框架，该框架定义了数据交换的格式。

GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。

GATT与ATT的关系：GATT 是脱胎于 ATT ，ATT 是 Attribute Protocol Specification 属性规范协议，注意ATT是协议，而GATT是规范，两者不同点在于 ATT规定了数据格式，而 GATT 则是按照 ATT 的格式将具体数据填充进去。

2.2.3 BLE蓝牙体系架构

3. 市场常见的蓝牙技术方案

3.1 SOC单芯片方案

一般是半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中，（比如CSR BC4/5,CSR8670,CSR8675,TI CC2540，NRF51xxx，NRF52xxx，乐鑫ESP32等等），架构如下：

市场上的常见产品：蓝牙音箱，蓝牙耳机，蓝牙手环，蓝牙心率带

3.2 SOC蓝牙+MCU方案

就是在1）的基础上，通过特定的interface(UART居多)，发送自定义的command来达到想要的功能，比如发送0x01代表搜索周围设备，当然在产品中肯定不会定义这么简单的command，一般要加上command id + command len + command para data + command check sum来实现功能。

架构如下：

此部分的应用一般用于外设功能相对于复杂，需要驱动很多外设，但是单芯片方案的性能达不到的情况下一般用这种方案。

3.3 蓝牙host+controller分开方案

这种应用算是蓝牙最复杂的应用，适用于蓝牙使用情景较复杂的情况下使用，比如车载蓝牙等。客户需要有很多蓝牙协议，比如蓝牙电话（HFP），蓝牙音频（A2DP），蓝牙音乐控制（AVRCP），蓝牙电话本（PBAP），蓝牙短信（MAP），BLE,HID，如果你说以上还能用soc做，那么再加上Carplay的IAP/IAP2，Android Auto的RFCOMM BT呢，基本以上就需要这种方案了。

其中Transport是一个协议，H2就是在USB的基础上的协议，H4,H5,BCSP是UART基础上的协议，当然还有SDIO。

市场上常见产品：手机，功能较为复杂的蓝牙手表。

4 Bluez介绍

4.1 Bluez概述

BlueZ 是官方 Linux Bluetooth 栈，由主机控制接口（Host Control Interface ，HCI）层、Bluetooth 协议核心、逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol，L2CAP）、SCO 音频层、其他 Bluetooth 服务、用户空间后台进程以及配置工具组成。

BlueZ 的架构主要分为以下几个组件：

HCI（Host Controller Interface）层：这是 BlueZ 与蓝牙硬件之间的接口层。它负责与蓝牙控制器进行通信，发送和接收命令、事件和数据包。HCI 层通常由 Linux 内核提供的驱动程序来实现。
L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol）层：L2CAP 是蓝牙协议栈中的一个重要组件，提供了对称的、面向连接的数据通信服务。它在底层的物理链路之上建立逻辑连接，并负责分配信道和数据包的传输。
SDP（Service Discovery Protocol）层：SDP 提供了一种机制，用于在蓝牙设备之间发现和描述可用的服务和其特性。它允许设备查询其他设备上支持的服务，并获取服务的详细信息。
RFCOMM（Radio Frequency Communication）层：RFCOMM 是一种在 L2CAP 上运行的协议，它模拟了串行通信接口，使蓝牙设备能够像使用串口一样进行数据通信。
GAP（Generic Access Profile）层：GAP 定义了蓝牙设备之间的通用访问规范，包括设备发现、连接和身份验证等功能。它定义了设备的角色、广播和扫描行为，以及与配对和安全性相关的规则。
GATT（Generic Attribute Profile）层：GATT 是蓝牙 Low Energy（LE）模式中的一个重要概念，用于定义蓝牙设备之间的通信协议。它基于客户端-服务器模型，其中服务提供者提供各种服务，并通过 GATT 协议使客户端可以读取和写入服务的属性。

BlueZ 还提供了一组丰富的工具和库，用于在 Linux 系统上开发和管理蓝牙应用程序。这些工具包括 hciconfig（用于配置 HCI 接口）、hcitool（用于执行蓝牙设备和操作的低级别命令）、bluetoothctl（用于交互式地管理蓝牙设备）等。

4.2 Bluez目录介绍

Bluez协议栈下载地址：http://www.bluez.org/

目录架构介绍：

bash 复制代码

android/ - 用于替代android中bluedroid的android版本bluez源码。
attrib/ - 包含gatttool 源码以及与gatt attribute相关的代码，gatttool程序入口为gatttool.c。　　　
btio/ - 通过的标准socket接口与BlueZ5 kernel模块通信。
client/ - bluetoothctl源码，程序入口为main.c。
doc/ - BlueZ5 API文档。
emulator/ - 与bluetooth虚拟controller工具相关的代码。
gdbus/ - BlueZ5自带的内部gdbus库源码。
gobex/ - Blue5自带的内部gobex库源码。
lib/ - libbluetooth.so 源码，提供BlueZ4 API，用来支持某些第三方应用。
monitor/ - btmon源码, 程序入口为main.c。
obexd/ - obexd源码，程序入口为src/main.c。
peripheral/ - 与蓝牙ble的GATT相关的代码？。
plugins/ - BlueZ5插件源码（neard，autopair等插件）。
profiles/ - BlueZ5蓝牙上层协议（a2dp，hid等）源码。
src/ - bluetoothd源码，程序入口为main.c。
test/ - Bluez5测试脚本。
tools/ - Bluez5测试工具集源码。
unit/ - PTS测试相关的一些代码？。
README / INSTALL - 配置，编译，安装Bluez5的说明。
Makefile.obexd - 定义obexd编译规则，此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.plugins - 定义BlueZ5的plugins（neard，autopair等）的编译规则， 此文件被include于Makefile.am中。
Makefile.tools - 定义BlueZ5测试工具集的编译规则，此文件被include于 Makefile.am中。
Makefile.am - 定义了Bluez5的编译规则。用于automake工具，生成 Makefile.in文件。
Makefile.in - 用于configure脚本，生成最终的Makefile文件。
configure.ac - 用于autoconf工具，生成configure脚本。
configure - 配置编译选项，生成最终的Makefile文件,以及config.h文件

bluez核心代码在src目录下，入口函数是main.c，bluez5编译后会生成bluetoothd可执行文件，该可执行文件在linux系统启动时自动加载，加载配置文件放在/etc/init/bluetooth.conf。