BLE协议栈为什么要分层？ BLE协议栈的工作流程是怎样的？
协议栈框架
一般而言，我们把某个协议的实现代码 称为协议栈（protocol stack), BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。再深入BLE协议栈各个组成部分之前，我们先看一下BLE协议栈整体架构。
如上图所述，要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后还需要提供一个 与 芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。可以看出BLE协议栈是连接 芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。那 BLE协议栈具体包含哪些功能呢？简单的来说，BLE协议栈主要是用来对你的应用数据进行层层封包，以生成 一个满足BLE协议栈的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail)中。具体来说，BLE协议栈 主要由如帧头（header)和帧尾（tail）中。具体来说，BLE协议栈主要由 如下及部分组成：
- PHY层（ Physical layer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层做的好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
- LL层（ Link Layer链路层 ）。LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协栈的难点和重点。LL层要做的事情非常多，比如支持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，怎样保证数据的完整性，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，对数据怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。
- HCI (Host controller interface ). HIC是可选的 （具体参上一篇文章：三种蓝牙架构实现方案）， HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。
- GAP层 （Generic sccess profile )。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 是最规范最简单的那一种。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。
- L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol ）。L2CAP对LL进行了一次简单 封装 ，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就是要区分 是加密通道还是普通通道，同时还要 对连接间隔进行管理。
- SMP（Secure manager protocol ）.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。
- ATT（Attribute protocol）.简单来说，ATT层用来定义 用户命令以及命令操作的数据，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（属性）概念，用来描述一条条的数据。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 ）.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。没用GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通 就会出现问题，也就是有GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容问题。成了出货量最大的2.4G无线通信产品。
我相信很多人看了上面的介绍。还是不懂BLE协议栈的工作原理 ，以及每一层具体刚什么的，为什么要这么分层。下面我以如何发送一个数据包为例来讲解BLE协议栈各层时如何紧密配合，以完成发送任务的。
如何通过无线发送一个数据包、
假设有设备A和设备B, 设备A要把自己目前的电量状态86%（ 十六进制表示为0x53 ）发给设备B，该怎么做呢？ 作为一个开发者，他希望越简单越好，对于他而言，他希望调用一个简单的API就能完成这件事，比如send(0x53)，实际上我们的BLE协议栈就是这样设计的，开发者只需要调用send(0x53)就可以把数据发送出去了，其余的事情BLE协议栈帮你搞定。很多人会想，BLE协议栈是不是直接在物理层就把0x53发出去，就如图所示：
这种方式初看起来挺美，但由于很多细节没有考虑到，实际是不可行的。首先，它没有考虑用哪一个射频信道来进行传输，在不更改API的情况下，我们只能对协议栈进行分层，为此引入LL层，开发者还是调用send(0x53)，send(0x53)再调用send_LL(0x53,2402M)（注 ： 2402M为信道频率 ）。这里还是一个问题，设备B怎么知道这个数据包是发给自己的还是其他人的。为此BLE引入access address概念，用来指明接收者身份，其中，0x8E89BED6这个access address比较特殊，它表示要发给周边所有设备，即广播。如果你要一对一的进行通信（BLE协议将 其称为连接），即设备A的数据包只能设备B接收，同样设备B的数据包只能设备A接收，那么就必须生成一个独特的随机access address以标识设备A和设备B两者之间的连接。
广播方式
我们先来看一下简单的广播情况，这种情况下，我们把设备A叫advertiser(广播者)，设备B叫scanner或者observer(扫描者)。广播状态下设备A的LL层API将变成send_LL(0x53,2402M,0x8E89BED6). 由于设备B可以同时接收到很多设备的广播，因此数据包还必须是包含设备A的device address ( 0xE1022AAB753B ) 已确认该广播来自设备A,为此send_LL参数需要变成（ 0x53,2402M,0x8E89BED6,0xE1022AAB753B ）。LL层还要检查数据的完整性，即数据在传输过程中有没有发生篡改，为此引入CRC24对数据包进行检验（假设为 0xB2C78E）.同时为了 调制解调电路工作更高效，每一个数据包的最前面 会 加上1个字节的preamble( 前导帧 )，preamble一般为0x55或者0xAA。这样，整个空中包就变成下图中的包（注 ：空中包用小端模式表示 ！）；
上面这个数据包还有如下问题：
- 没有对数据包进行分类组织，设备B无法找到自己想要的数据0x53。为此我们需要在 access address之后加入 两个字段：LL header和长度字节。LL header 用来表示数据包的LL 类型，长度字节用来指明payload的长度。
- 设备B什么时候开启射频窗口以接受空中数据包？如上图case1所示，当设备A的数据包在空中传输的时候，设备B把接收窗口关闭，此时通信将失败；同样对case2来说，当设备A没有在空中发送数据包时，设备B把接收窗口打开，此时通信也将失败。只有case3的情况，通信才能成功，即设备A的数据包在空中传输时，设备B正好打开射频接收窗口，此时通信才能成功，换句话说，LL层还必须定义通信时序。
- 当设备B拿到数据0x53后；该如何解析这个数据呢？它 到底表示湿度还是电量，还是别的意思？这个就是GAP层引入了LTV (Length-Type-Value)结构来定义数据，比如020105，02-长度，01-类型（强制字段 ，表示广播flag，广播包必须包含该字段），05-值。由于广播包最大只能为31个字节，它能定义的数据类型极其有限，像这里说的电量，GAP就没有定义，因此要通过广播的方式把电量数据发出去，只能使用供应商自定义数据类型0xFF，即04FF590053，其中04表示长度，FF表示数据类型（自定义数据），0x0059是供应商ID(自定义数据中的强制字段)，0x53就是我们的数据（设备双方约定0x53就是 表示电量，而不是其他意思）。
最终空中传输的数据包将变成：
> AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
- AA ----- 前导帧（preamble）
- D6BE898E ----- 访问地址（access address）
- 60 ------ LL帧头字段（LL header）
- 0E ------ 有效数据包长度（payload length)
- 3B75AB2A02E1 ----- 广播者设备地址（advertiser address）
- 02010504FF590053 ----- 广播数据
- 8EC7B2 ------ CRC24值
有了PHY , LL 和 GAP，就可以发送广播包了，但是广播包携带的信息极其有限，而且 还有如下几大限制：
- 无法进行一对一双向通信（广播是一对多通信 ，而且是单方向的通信）
- 由于不支持组包和拆包，因此无法传输大数据。
- 通信不可靠及效率低下。广播信道不能太多，否则将导致扫描端效率低下。为此，BLE只使用37（2402MHz）/38（2426MHz）/39（2480MHz）三个信道进行广播 和扫描，因此广播不支持跳频。由于广播是一对多的，所以广播也无法支持 ACK.这些都使广播通信变得不可靠。
- 扫描端功耗高。由于扫描端不知道设备端何时广播，也不知道设备端 选用哪个频道进行广播，扫描端只能拉长扫描窗口时间，并同时对37/38/39三个通道进行扫描，这样功耗就会比较高。
而连接 方式则可以很好的解决上述问题，下面我们就来了解连接方式是如何将0x53发送出去的。
连接方式
到底什么叫做连接（connection）?像有线UART，很容易理解，就是用线（Rx和 Tx）把设备A和设备B相连，即为连接。用 “线” 把两个设备相连 ，实际是让2个设备有共同的通信媒介，并让两者时钟同步。
蓝牙连接同样也是这个道理，所谓设备A和设备B建立蓝牙连接，就是指设备A和设备B两者一对一 “同步” 成功，其具体包含以下几方面：
- 设备A和设备B对接下来要使用的物理 信道达成一致。
- 设备A和设备B双方建立一个共同 的时间锚点，也就是说，把双方的时间原点变成同一个点。
- 设备A和设备B两者时钟同步成功，即双方 都知道对方什么时候发送数据包，什么时候接收数据包。
- 连接成功后，设备A和设备B通信 流程如下所示：
如上图所示，一旦设备A和设备B连接成功（此种情况下，我们把设备 A称为Master或者Central，把设备B称为Slave或者Peripheral），设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔向设备B发送数据包，而设备B也周期性地以CI为间隔打开射频接收窗口以接收设备A的数据包。同时按照蓝牙spec要求，设备B收到设备A数据包150us后，设备B切换到发送状态，把自己的数据发给设备A；设备A 则切换到接收状态，接收设备B发过来的数据 。
由此可见，连接状态下，设备A和设备B的射频发送和接收 窗口都是周期性地有计划地开和关，而且开的时间非常短，从而大大降低了系统功耗并大大提高系统效率。
现在重新梳理一下在连接状态下 是如何把数据0x53发送出去地，从中大家可以体会 到蓝牙协议栈分层的妙处。
- 对开发者来说，很简单，它他只需要调用send(0x53).
- GATT层定义数据的类型和分组，方便起见，我们用0x0013表示电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（小端模式！）
- ATT层用来选择具体的通信命令，比如 读/写/notify/indicate等，这里选择notify命令0x1B，这样数据包变成了 ：1B130053
- L2CAP层用来指定 connection interval(连接间隔)，比如每10ms同步一次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表示 ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包 头，这样数据就变成为 ：040004001B130053
- LL层要做的工作很多，首先LL层 需要指定用哪个 物理信道进行传输（物理信道不体现在数据包中），然后再给此连接分配一个Access address（0x50655DAB）以标示此连接只为设备A和设备B直连服务，然后再加上LL header 和 payload length字段，LL header标识此packet为数据packet，而不是 control packet等，payload length为 整个L2CAP字段的长度，最后加上CRC24字段，以保证整个packet的数据完整性，所以数据包最后变成：
- AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
- AA ---- 前导帧（preamble )
- 0x50655DAB ---- 访问地址（access address )
- 1E ----- LL帧头字段（LL header )
- 08 ----- 有效 数据包长度（payload length)
- 04000400 ----- ATT数据长度，以及L2CAP 通道编号
- 1B ----- notify command
- 0x0013 ----- 电量数据handle
- 0x53 ------ 真正要发送的电量数据
- 0xF650D5 ----- CRC24值
- 虽然开发者只调用了send(0x53)，但是由于 低功耗蓝牙协议栈层层 打包，最后空中实际传输数据 将变成下图所示的模样，这就 既满足了低功耗蓝牙通信的需求 ，又让用户API变得 简单。
- AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
上述是对BLE协议栈工作流程的一个概述，对于大多数开发者 来说，他们 不关心BLE协议栈是如何实现的，他们更关心 的是BLE协议栈的使用，即怎样开发一个BLE应用。BLE应用是实打实的东西，不能像上面讲述协议栈一样 泛泛而谈，必须 结合具体的蓝牙芯片和蓝牙协议栈进行讲解。