Bluetooth L2CAP介绍

1. 介绍

L2CAP，Logical Link Control and Adaptation Protocol，即逻辑链路控制和适配协议，是蓝牙系统中的核心协议
相应的规范位于Core Version 4.1的Vol 3:Part A

其在蓝牙架构如下图所示

2. 实现

L2CAP负责适配基带中的上层协议，它同LM并行工作，向上层协议提供面向连接和无连接的数据服务，并提供多路复用，分段和重组操作，允许高层次的协议和应用能够以64KB的长度发送和接收数据包(L2CAP Serveice Data Units, SDU)

L2CAP提供了逻辑信道，名为L2CAP Channels，即在一个或多个逻辑链路上进行多路复用

L2CAP提供了如下功能

 - 协议/信道多路复用 
 - 分段和重组 
 - 服务质量

L2CAP可分为两个部分

 - Channel Manager
 - Resource Manager

TIP:
L2CAP只支持ACL，而不支持SCO/eSCO(用预留宽带进行实时语音传输)  
L2CAP不支持可靠的广播信道

3. 通用操作

3.1 L2CAP Channel

L2CAP基于信道的概念，信道的每一个端点被称为信道标识符(CID)
不同设备间CID可复用，但本地设备CID不可复用

以下是CID ACL-U和AMP-U链路的name space(LE-U未列出)

CID	Description	Logical Link Supported
0x0000	Null identifier
0x0001	L2CAP Signalling Channel	ACL-U
0x0002	Connectionless Channel	ACL-U
0x0003	AMP Manager Protocol	ACL-U
0x0004~0x003E	Reserved	ACL-U
0x003F	AMP Test Manager	ACL-U
0x0040~0xFFFF	Dynamically allocated	ACL-U, AMP-U

3.2 设备间操作

上图说明了CID在不同设备对等L2CAP实体间通信中的使用方式

面向连接的数据信道提供了两设备间的连接，绑定逻辑链路的CID则用于标识信道的每一端
对于无连接的数据信道，当用于广播传输时限制了传输的方向；当用于单播传输时则没有限制

部分信道都保留用做特殊目的，具体如下图

如0x0001表示Signalling Channel，用于创建和建立面向连接的数据信道，并可对这些信道的特性变化进行协商(ACL-U)

3.3 层间操作

3.4 操作模式

L2CAP Channels可运行在以下模式之一

 - 基本L2CAP模式(Basic L2CAP Mode)    /* 也是默认模式 */
 - 流量控制模式(Flow Control Mode) 
 - 重传模式(Retransmission Mode) 
 - 加强版重传模式(Enhanced Retransmission Mode) 
 - 流模式(Streaming Mode) 
 - LE Credit Based Flow Control Mode

4. 数据包格式

本章节介绍数据包格式，Data Packet Format

L2CAP有以下几种连接类型:

 - Connection-oriented Channels in Basic L2CAP mode 
 - Connectionless Data Channel in Basic L2CAP mode 
 - Connection-oriented Channel in Retransmission/Flow Control/Streaming Mode 
 - Connection-oriented Channels in LE Credit Based Flow Control Mode

对于不同的连接类型，数据包格式是不同的；且Information payload是基于Little Endian byte order

4.1 B-Frame

B-Frame格式如下图所示

B-Frame各字段含义如下

Length:              2 bytes, Information payload的字节数(0~65535) 
Channel ID:          2 bytes, 对端目的信道 
Information payload: 0~65535 bytes

4.2 G-Frame

G-Frame格式如下图所示

G-Frame各字段含义如下

Length:     2 bytes, Information payload和PSM的字节数(0~65535) 
Channel ID: 2 bytes, 对于无连接传输使用固定值0x0002 
PSM:        >= 2 bytes, Protocol/Servece Multiplexer

关于PSM，其取值范围如下所示，具体指参考Channel Identifiers
 

4.3 S-Frame/I-Frame

I-Frame用于在L2CAP实体间进行信息传输；S-Frame则用于确认I-Frame和I-Frame的重传请求

S-Frame和I-Frame格式如下图所示

S-Frame和I-Frame各字段含义如下

Length:           2 bytes, 除Basic L2CAP外的总字节数  
Channel ID:       2 bytes, 对端目的信道 
L2CAP SDU Length: 2 bytes, 只出现在Start I-Frame(SAR=0x01)中, 表示总的SDU长度 
FCS:              2 bytes, Frame Check Sequence

Control Field有三种模式

 - Standard Control Field: 用于Retransmission mode and Flow Control mode 
 - Enhanced Control Field: 用于Enhanced Retransmission mode and Streaming mode 
 - Extended Control Field: 用于Enhanced Retransmission mode and Streaming mode

Standard Control Field格式如下
 

Enhanced Control Field格式如下
 

Extended Control Field格式如下
 

Control Field各字段含义如下

SAR:    (2 bits),    Segmentation and Reassembly, 指明该L2CAP是否是分段过
TxSeq:  (6/14 bits), Send Sequence Number,        对发送的I-Frame计数, 用于分段和重组
ReqSeq: (6/14 bits), Receive Sequence Number,     接收方用于应答I-Frame和请求重传
R:      (1 bits),    Retransmission Disable Bit,  用来实现Flow Control
S:      (2 bits),    Supervisory function,        表示S-Frame的type
P:      (1 bits),    Poll,                        置1表示从接收方征求相应 
F:      (1 bits),    Final,                       相应P置1的S-Frame

SAR取值及含义如下
 

S取值及定义定义如下

4.4 LE-Frame

LE-Frame格式如下图所示

LE-Frame字段含义与其他Frame类似

5. 信号包格式

本章节介绍信号包格式，Signaling Packet Format

这里介绍的是在对端设备上两个L2CAP实体间传递的信号命令(Signaling Commands)
这些信号命令通过Signaling Channel来传输
对于ACL-U逻辑链路应该使用CID 0x0001, 而对于LE-U则应该使用CID 0x0005

通用的信号包格式如下

Field类似B-Frame，不详述；值得一说的是payload长度

另需要注意:
一个C-Frame通过0x0001信道可以传递多个命令；而一个C-Frame通过0x0005信道则只能传递一个命令

上图显示了信号命令的通用格式，各字段含义如下

Code:       1 byte,   指定Command的类别 
Identifier: 1 byte,   用于标识一个Request和Response匹配对 
Length:     2 byte,   data字段的长度 
Data:       0~N byte, Code字段来决定其格式

下图显示了规范所定义的Code类型，至于data的格式请参考规范Vol 3-Part A-4

6. 参数配置选项

本章节介绍参数配置选项，Configuration Parameter Options，惭愧，原文晦涩难懂，哥不甚理解

 

各字段含义如下所示

Type:        1 byte, 定义需要被配置的参数, 若不能识别则由最高位决定其行为
                     0表示必须识别该选项, 若无法识别则拒绝配置请求; 1表示可以跳过该选项 
Length:      1 byte, 选项数据的字节数, 若选项数据为空则为0 
Option Data:         由Type决定其内容(不详述,见规范Vol 3-Part A-5)

Type字段具体含义

1) Maximum Transmission Unit(MTU),         Type=0x01 
2) Flush Timeout Option,                   Type=0x02 
3) Quality of Service(Qos) Option,         Type=0x03 
4) Retransmission and Flow Control Option, Type=0x04 
5) Frame Check Sequence(FCS) Option,       Type=0x05 
6) Extended Flow Specification Option,     Type=0x06 
7) Extended Window Size Option,            Type=0x07

7. 状态机

这里指的是面向连接信道(Connection-oriented Channel)状态机(State Machine)，适用于双向CID
介绍了状态(state)，引起状态变化的事件(event)及事件相对应的动作(action)

7.1 状态机

如下图所示,发起请求的一方是客户机,服务器接收请求,应用层的客户既可以发起也可以接收请求

命令规则为:

 - 两层之间的界面上(垂直方向)用下层的缩写名作前缀, 为上层提供服务, 如L2CA 
 - 两个同层实体之间的接口(水平方向)则使用协议缩写作为前缀, 如L2CAP
 - 来自上层的事件称作请求Request(Req), 相应的答复称为确认Confirm(Cfm) 
 - 来自低层的事件称为指示Indication(Ind), 相应的答复称为相应Response(Rsp)

7.2 事件

在L2CAP层中，只有超时事件是由本层产生，事件分为5类:

- 来自下层的指示(Indication)和确认(Confirm) 
- 来自上层的请求(Request)和相应(Response) 
- 来自对等层的数据 
- 来自对等层的请求和相应 
- 超时事件

7.3 动作

动作可分为5类:

 - 对上层的确认(Confirm)和指示(Indication) 
 - 对下层的请求(Request)和相应(Response) 
 - 发给对等层实体的数据传输 
 - 发给对等层的请求和相应 
 - 计时器设置

7.4 信道操作状态

信道操作状态

1)  CLOSED 
2)  WAIT_CONNECT 
3)  WAIT_CONNECT_RSP 
4)  CONFIG 
5)  OPEN 
6)  WAIT_DISCONNECT 
7)  WAIT_CREATE 
8)  WAIT_CREATE_RSP 
9)  WAIT_MOVE 
10) WAIT_MOVE_RSP 
11) WAIT_MOVE_CONFIRM_RSP 
12) WAIT_CONFIRM_RSP

参考:
<逻辑链路控制和适配协议规范>