BLE 协议栈：HCI ACL 数据详解

前言
一、定义
- [1、HCI ACL 数据包（ACL Data Packet）](#1、HCI ACL 数据包（ACL Data Packet）)
[二、ACL 数据包结构](#二、ACL 数据包结构)
[三、Handle and Flags 格式](#三、Handle and Flags 格式)
- [1、Handle and Flags 结构](#1、Handle and Flags 结构)
- 2、字段定义
- 3、连接句柄
[四、Packet Boundary Flag（PBF，包边界标志）](#四、Packet Boundary Flag（PBF，包边界标志）)
- 1、包边界标志定义
- [2、PBF 状态机](#2、PBF 状态机)
- [3、PBF 使用规则](#3、PBF 使用规则)
[五、Broadcast Flag（BC，广播标志）](#五、Broadcast Flag（BC，广播标志）)
- 1、广播标志定义
- 2、广播类型说明
六、数据分片
- 1、分片机制
- 2、分片大小限制
- 3、分片参数
[七、ACL 数据包传输](#七、ACL 数据包传输)
- 1、传输流程
八、主机到控制器流控
- 1、流控机制
- 2、流控命令
- 3、流控状态机
九、缓冲区管理
- 1、缓冲区参数
- 2、缓冲区读取命令
- [3、Read_Buffer_Size 响应](#3、Read_Buffer_Size 响应)
[十、L2CAP 的关系](#十、L2CAP 的关系)
- [1、L2CAP PDU 分片示例](#1、L2CAP PDU 分片示例)
- 2、重组过程

前言

在蓝牙技术中，ACL（Asynchronous Connection-Less，异步无连接）数据包则是 HCI 层传输数据的核心载体，承担着 L2CAP 协议数据转发、多模式传输等关键职责。

一、定义

1、HCI ACL 数据包（ACL Data Packet）

核心职责：

在 ACL 连接上实现数据的双向传输，是蓝牙非实时数据（如文件传输、消息推送）的主要传输载体；
作为 L2CAP（逻辑链路控制和适配协议）与链路层（LL）之间的桥梁，转发 L2CAP 协议数据单元（PDU）；
支持两种传输模式：可靠传输（基于 ARQ 确认机制）和不可靠传输（无需确认，适用于对实时性要求高、可容忍少量丢包的场景）；
自动实现大数据包的分片与重组，解决链路层 MTU（最大传输单元）限制问题，保障数据完整性。

二、ACL 数据包结构

HCI ACL 数据包采用固定的三段式结构：句柄和标志（Handle and Flags）、数据总长度（Data Total Length）、数据负载（Data），整体结构清晰，便于主机与控制器快速解析和处理。

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┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  HCI ACL Data Packet（HCI ACL 数据包）                       │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Handle and Flags（句柄和标志） - 2字节                │   │
│  │  ┌──────────────────────────────────────────────┐    │   │
│  │  │  Connection Handle（连接句柄） - 12 位        │    │   │
│  │  │  Packet Boundary Flag（包边界标志） - 2 位    │    │   │
│  │  │  Broadcast Flag（广播标志） - 2 位            │    │   │
│  │  └──────────────────────────────────────────────┘    │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Data Total Length（数据总长度） - 2字节              │   │
│  │  - 长度: 2 字节（16位）                               │   │
│  │  - 范围: 0x0000 - 0xFFFF（对应0~65535字节）           │   │
│  │  - 作用: 标识后续 Data 字段的实际长度，便于解析         │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
│  ┌──────────────────────────────────────────────────────┐   │
│  │  Data（数据负载） - N字节                             │   │
│  │  - 长度: 0~65535 字节（N = Data Total Length值）      │   │
│  │  - 内容: 主要为 L2CAP PDU，也可包含其他上层协议数据     │   │
│  └──────────────────────────────────────────────────────┘   │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

三、Handle and Flags 格式

Handle and Flags 是 ACL 数据包的"身份标识+控制信号"，共 2 字节（16 位），分为 3 个部分：12 位连接句柄、2 位包边界标志、2 位广播标志，各字段紧密配合，保障数据传输的准确性和有序性。

1、Handle and Flags 结构

plain 复制代码

  15   14   13   12   11   10   9    8    7    6    5    4    3    2    1    0
┌────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┬────┐
│           Connection Handle (12 bits)                     │   PB    │    BC   │
└───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
说明：高位（15~4位）为连接句柄，中位（3~2位）为PB（包边界标志），低位（1~0位）为BC（广播标志）

2、字段定义

位字段	长度	名称	范围	说明
Connection Handle	12 位	连接句柄	0x000 - 0xFFF	唯一标识一个 ACL 连接，由控制器分配，主机通过该句柄区分不同的 ACL 连接，实现多连接并发传输
PB (Packet Boundary)	2 位	包边界标志	0x0 - 0x3	标识当前 ACL 数据包在 L2CAP PDU 分片中的位置，用于分片重组，是保障数据有序性的关键
BC (Broadcast)	2 位	广播标志	0x0 - 0x3	标识数据包的广播类型，主要用于 BR/EDR 蓝牙的多从设备广播场景，LE 蓝牙中多使用点对点模式

3、连接句柄

句柄范围	说明	实操注意
0x000 - 0x0EFF	有效的 ACL 连接句柄	主机可通过该范围的句柄发起 ACL 数据传输，超过该范围的句柄会被控制器判定为无效
0x0F00 - 0x0FFF	保留	该范围句柄为蓝牙规范预留，不可用于实际 ACL 连接，否则会导致数据传输失败

四、Packet Boundary Flag（PBF，包边界标志）

PBF 是分片重组的核心控制标志，用于告知控制器当前数据包在 L2CAP PDU 分片中的角色（开始、继续、完整），确保多个分片能够正确重组为完整的 L2CAP PDU，避免数据错乱。

1、包边界标志定义

二进制值	十六进制值	名称	说明
00	0x0	First Non Flushable	L2CAP 分段的开始（非可刷新），后续分片不可被控制器丢弃，适用于对数据完整性要求高的场景
01	0x1	Continuing	继续分段，可作为中间分片或最后一个分片（可刷新），适用于实时性要求高、可容忍少量丢包的场景
10	0x2	First Flushable	L2CAP 分段的开始（可刷新），后续分片可被控制器根据资源情况丢弃，优先保障实时性
11	0x3	Complete L2CAP PDU	完整的 L2CAP PDU，无需分片，单个 ACL 数据包即可承载整个 L2CAP 协议数据单元

2、PBF 状态机

完整 L2CAP PDU (PB=11)
接收完成
L2CAP 分段开始 (PB=00)
继续分段 (PB=01)
继续分段 (PB=01)
最后分段 (PB=11)
重组完成
L2CAP 分段开始 (PB=10)
继续分段 (PB=01)
Complete_PDU
First_NonFlushable
Continuing
First_Flushable

3、PBF 使用规则

应用场景	PB 值（二进制）	说明	适用场景
完整 L2CAP PDU	11	单个 HCI 包包含完整 PDU，无需分片和重组，传输效率最高	L2CAP PDU 长度 ≤ 链路层 MTU（如 LE 蓝牙默认27字节）
L2CAP 段开始（非刷新）	00	分段开始，后续包不可刷新（不可丢弃），确保所有分片都能被重组	文件传输、数据同步等对完整性要求高的场景
继续分段	01	中间或最后段，可刷新（可丢弃），优先保障实时性	语音辅助数据、实时状态推送等对实时性要求高的场景
L2CAP 段开始（可刷新）	10	分段开始，后续包可刷新，平衡实时性和完整性	视频流、实时监控等需要兼顾实时性和数据量的场景

五、Broadcast Flag（BC，广播标志）

BC 标志用于标识 ACL 数据包的广播类型，主要应用于 BR/EDR（经典蓝牙）的多从设备连接场景，LE（低功耗蓝牙）中多采用点对点模式，广播功能多由 ADV（广播包）实现。

1、广播标志定义

二进制值	十六进制值	名称	说明
00	0x0	Point-to-Point	点对点传输，最常用模式，数据仅在单个主机与单个从机之间传输
01	0x1	Active Slave Broadcast	活跃从广播（BR/EDR 专属），主机向所有处于活跃状态的从机广播数据
10	0x2	Parked Slave Broadcast	休眠从广播（BR/EDR 专属），主机向所有处于休眠状态的从机广播数据，唤醒休眠设备
11	0x3	Reserved	保留，蓝牙规范未定义其用途，不可使用，否则会导致数据传输异常

2、广播类型说明

类型	说明	应用场景	蓝牙类型适配
Point-to-Point (00)	点对点传输，一对一通信，数据私密性高，传输效率稳定	手机与蓝牙耳机、智能手表与手机、蓝牙打印机与电脑等常规一对一连接	LE 蓝牙、BR/EDR 蓝牙均支持，是最常用模式
Active Slave Broadcast (01)	活跃从广播，一对多通信，仅向活跃状态的从机发送数据	BR/EDR 蓝牙的多设备组网，如蓝牙音响阵列、多从机数据同步	仅支持 BR/EDR 蓝牙，LE 蓝牙不支持
Parked Slave Broadcast (10)	休眠从广播，一对多通信，唤醒休眠从机并发送数据，功耗较低	BR/EDR 蓝牙的低功耗多设备场景，如物联网设备休眠唤醒、多传感器数据采集	仅支持 BR/EDR 蓝牙，LE 蓝牙通过广告包实现类似功能

六、数据分片

由于链路层存在 MTU 限制（如 LE 蓝牙默认 MTU 为27字节，BR/EDR 蓝牙 ACL 最大 MTU 为1024字节），当 L2CAP PDU 长度超过链路层 MTU 时，HCI 主机会自动将其拆分为多个 ACL 数据包（分片），传输至控制器后，由链路层重组为完整的 L2CAP PDU，保障大数据量传输的完整性。

1、分片机制

Link_Layer HCI_Controller HCI_Host L2CAP Link_Layer HCI_Controller HCI_Host L2CAP 重组 L2CAP PDU (Large) Fragmentation HCI ACL (PB=00, Segment 1) HCI ACL (PB=01, Segment 2) HCI ACL (PB=01, Segment N) Packets L2CAP PDU

2、分片大小限制

传输层类型	MTU 限制（字节）	单分片最大数据长度（字节）	补充说明
BR/EDR ACL	1024	1024	经典蓝牙 ACL 传输的默认 MTU，可通过协议配置调整
LE ACL	27（默认）	23	LE 蓝牙默认 MTU 为27字节，扣除 4 字节 ACL 头部（Handle+Length），实际数据负载最大23字节
LE ACL（扩展）	251（2M PHY）	247	LE 蓝牙使用 2M PHY 时，可扩展 MTU 至251字节，数据负载最大247字节，传输效率提升明显

3、分片参数

参数名称	说明	默认值	配置方式
HCI_ACL_Data_Packet_Length	HCI ACL 数据包最大长度，决定单分片的最大数据负载	1024 字节	通过 HCI_Host_Buffer_Size 命令配置
HCI_Total_Num_ACL_Data_Packets	控制器可缓存的 ACL 数据包数量，影响分片传输的并发能力	取决于控制器硬件（通常为8~32个）	通过 Read_Num_ACL_Data_Packets 命令读取，部分控制器支持配置

七、ACL 数据包传输

ACL 数据包的传输流程涉及主机、控制器、链路层三个核心组件，从数据发送、验证、转发到确认，形成完整的闭环，确保数据传输的可靠性和有序性，同时支持无效数据包的快速处理。

1、传输流程

LL Controller Host LL Controller Host 检查连接句柄 alt [有效数据包] [无效数据包] HCI ACL Data Packet 验证 PB 标志传递给链路层数据排队发送完成 Number of Completed Packets Event Disconnection Complete Event

八、主机到控制器流控

1、流控机制

机制	说明
Num_HCI_Command_Packets	控制器允许的命令包数量
HCI_Num_Completed_Packets	已完成的 ACL 数据包数量
Host Buffer Config	主机缓冲区配置

2、流控命令

命令	说明
HCI_Host_Buffer_Size	设置主机缓冲区大小
HCI_Host_Number_Of_Completed_Packets	通知控制器处理完成的包

3、流控状态机

初始化
发送 ACL 数据
检查缓冲区
缓冲区可用
缓冲区满
发送完成
收到 Num_Completed_Packets
收到 Num_Completed_Packets
Ready
Sending
Checking
Transmitting
Waiting
Complete

九、缓冲区管理

1、缓冲区参数

参数	主机	控制器
ACL 数据包长度	1024 字节	1024 字节
数据包数量	可配置	可配置
总缓冲区大小	可配置	可配置

2、缓冲区读取命令

命令	OGF:OCF	说明
Read_Buffer_Size	0x04:0x0005	读取 ACL 和 SCO 缓冲区大小
Read_Num_ACL_Data_Packets	0x04:0x0006	读取 ACL 数据包数量

3、Read_Buffer_Size 响应

偏移	长度	参数	说明
0	2	HCI_ACL_Data_Packet_Length	ACL 数据包最大长度
2	1	HCI_SCO_Data_Packet_Length	SCO 数据包最大长度
3	2	HCI_Total_Num_ACL_Data_Packets	ACL 数据包总数
5	2	HCI_Total_Num_SCO_Data_Packets	SCO 数据包总数

十、L2CAP 的关系

1、L2CAP PDU 分片示例

复制代码

L2CAP PDU (300 字节)
    │
    ├─ HCI ACL 1: PB=00, Data (27 bytes) - 段开始
    ├─ HCI ACL 2: PB=01, Data (27 bytes) - 继续
    ├─ HCI ACL 3: PB=01, Data (27 bytes) - 继续
    ├─ ...
    └─ HCI ACL N: PB=01, Data (19 bytes) - 最后段

2、重组过程

L2CAP PDU 300B
Fragment 1: 27B
Fragment 2: 27B
Fragment 3: 27B
Fragment N: 19B
HCI Host
L2CAP PDU Reassembled