上面两篇文章，总结了BLE的协议栈概览（包括各层的功能）以及BLE的LL链路层基本，这一章总结BLE空中包格式，以便更好的理解BLE是如何通信的。本文内容仍然是来源于网络上比较优质的博文整合。下文列出了所有的出处。

在说空包格式之前，需要先把物理层简单的串一下。

1.前戏：物理层（PHY）

• 频段
  BLE 使用2.4GHz 工业、科学及医疗(ISM)频段，从2400MHz~2483.5MHz 约 83.5MHz 的频谱资源在任何地方都可以使用。
  
• 调制
  BLE 采用的 GFSK 调制方式(髙斯频移键控)，物理层的比特率为 1Mbit/s(1Mbps)。
• 信道
  一共 40 个通道，37 个自适应自动调频数据通道用于两个连接设备的通讯，3 个固定广播通道分别是 37、 38、 39。
  
  参考：https://blog.****.net/qq_15391889/article/details/87937452

2. 正文：BLE空中包格式

这部分转载：详解BLE 空中包格式—兼BLE Link layer协议解析

BLE空口包（packet，又称air interface packet）涉及BLE协议栈link layer，L2CAP，SMP和ATT等各层次，但link layer跟空口包格式关系最紧密。

2.1 BLE Packet格式

BLE链路层（link layer）只定义了一种packet（空中包）格式，如下所示：

PDU（protocol data unit，协议数据单元） 前两个字节固定为LL header（1个字节长）和payload length（1个字节长，又称data length）。

preamble（前导帧） 为1个字节，根据Access Address第一个Bit，有两种取值情况：0x55或者0xAA（纯PHY层行为），如下所示：

Access Address用来标示接收者ID或者空中包身份，
如前所示，BLE只有一种packet格式，根据Access Address的不同，又区分两种Packet类型：广播包和数据包。

• 广播包Access Address 固定为0x8E89BED6，广播包只能在广播信道（channel）上传输，即只能在37/38/39信道上传输（蓝牙5.0做出了更改，可能支持了在其他通道上进行广播）。广播包发送给附近所有的observer（扫描者）。

• 数据包Access Address为一个32bit的随机值，由Initiator生成。数据包，其实是数据信道上的空中包的简称，数据包只在数据信道上传输，即除37/38/39之外的其余37信道（BLE总共占用40个信道）。每建立一次连接，重新生成一次Access address。数据包是给连接通信使用的，即用于master和slave之间通信的。

  下图是两种数据包的格式对比，下文还会具体细讲：
  

CRC为24bit，初始向量为：

2.2 广播包格式

蓝牙广播包，全名蓝牙广播通道（channel）空中包，即在蓝牙广播通道（37/38/39信道（channel））上传输的空中包，为两种空中包的一种。

Advertising Header即前述的LL header，长度为一个字节，其每bit定义如下所示：

PDU Type为3bit。可以看出扫描PDU和发起连接PDU都属于广播包。

TxAdd/RxAdd，各占1bit，表示随后的Device Address字段代表的蓝牙MAC地址类型，值0代表Public地址，值1代表Random地址。

Payload length定义如下所示，所以广播包PDU最长37个字节。

Device Address，广播包中的强制字段，俗称蓝牙MAC地址，如果是广播包，则是advertiser的MAC地址；如果是scan包或者连接请求包，则是scanner的MAC地址。蓝牙device address为6个字节，这样Advertising data最长为：37-6 = 31B，这就是广播包数据最长只能31个字节的由来。如前所述，device address分public和random两种，定义如下所示：

Random device address又有三种类型，定义如下所示：

Advertising data我会另写一篇文章来详述，这里就不再介绍了。
<插入链接>

如下为一个完整的真实的广播包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。

AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
AA – 前导帧(preamble)
D6BE898E – 访问地址(access address)：由该地址区分广播包和数据包
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
注：上述广播包是蓝牙4.x格式，蓝牙5.0广播包除了包含上述格式外（记住：蓝牙5是跟蓝牙4.x兼容的！），还有一些新的定义，以后我也会写一篇关于蓝牙5广播的文章来专门阐述蓝牙5扩展广播包。

2.3 数据包格式

与蓝牙广播包相对应，蓝牙数据包是另一种BLE packet。蓝牙数据包是蓝牙数据信道空中包的简称，表示空中包只在蓝牙数据信道上传输，即除37/38/39之外的其他37信道。从格式上来说，蓝牙数据包分空包（empty packet） 和 普通数据包（data packet） 两种，空包格式如下。

空包（empty packet）：

普通数据包（data packet）：

Data header，即前述的LL header，在数据包中的定义如下所示：

LLID（2bits）， link layer ID，对LL PDU进行分类：LL data PDU和LL control PDU。也就是说，普通的数据信道空中包包含LL数据包和LL控制包两种，具体定义如下所示。请大家注意分清data channel packet（数据信道空中包）和LL data packet（LL数据包）的区别，如前所示data channel packet包含LL data packet和LL control packet，LL data packet只是data channel packet的一种。在不引起上下文歧义的时候，我们把他们统一称作“数据包”。

Link layer支持如下control PDU：

NESN/SN，NESN和SN各占1bit。
SN（sequence number）表示当前发送的packet编号。
NESN（next expected sequence number）用来告知对方下一个期待的packet的编号。

Link Layer使用SN来告知对方这个packet是新数据包还是重传包，用NESN来告诉对方你之前发我的包已经收到了（相当于ACK的作用），我现在期待下一个新的数据包了，因此BLE没有专门的ACK包，它是通过NESN/SN来实现ACK和重传双重功能的。请参考如下表格，仔细揣摩NESN和SN是如何编码的，以同时完成ACK和重传功能。

MD（1bit），more data，用来指示对方我还有数据包要传，请继续打开射频窗口准备接收。比如Nordic nRF51822一个connection interval可以发6个包或者更多的包（也就是说，一个connection event包含多个数据包交互），用的就是MD来实现的。以notify命令为例，设备（Server）notify第一个数据包并将MD置1，Client（比如手机）收到这个notify命令后，就知道Server还有数据包要传，此时手机可以继续发一个空包给设备，以让设备把第二个notify命令发过来，详情如下所示。注：Master为手机（Client），Slave为设备（Server）。

Payload Length or Data Length，BT4.0/4.1定义如下所示，这就是蓝牙4.0/4.1一个包只能传20个字节的根源。

BT4.2之后，Payload length 8 bits全部用来表示长度，这样的话，payload size最大可达251字节（255 – MIC size）。BLE连接建立之后，可以动态更改data length长度（默认为27字节），这个特性叫做Data Length Extension（DLE），DLE是通过Link layer命令：LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP来实现的。Data length直接跟蓝牙芯片的射频能力有关，像Nordic的nRF51822只支持BT4.1的Data length，就是因为PHY层已经做死了，无法扩展，但Nordic最新的nRF52832和nRF52840，就都支持DLE，即data length最大可到251字节。

L2CAP length (2bits)，表示后面information payload的长度，information payload最大长度除了受这个L2CAP length字段约束，同时还受MTU的限制。

MTU ( Maximum Transmission Unit )，是ATT层与L2CAP层可以交互的最大数据长度，或者说是Client与Server可以交互的最大长度。

总结一下，蓝牙spec里面定义了2个长度字段：LL data length和L2CAP length，同时ATT层还定义了一个MTU，以限制ATT PDU最大长度。
LL data length可以通过LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP动态改变；
MTU size则可以通过后面要讲到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response来改变；
而L2CAP length无法动态改变，也就是说不能超过65535。

L2CAP CID （2bits），逻辑通道的ID，BLE使用固定的通道编号，定义如下所示：

Attribute Protocol（ATT），就是我们经常用到的应用层，应用数据就跟在ATT命令后面，ATT支持如下命令列表：

BLE L2CAP Signaling Channel支持的PDU命令只有三个：

• Command reject
• Connection parameter update request，更新连接参数，比如最小连接间隔，最大连接间隔，slave latency等
• Connection parameter update response，接受或者拒绝上面的请求。

Security Manager Protocol（SMP） 用来实现配对和**分发的，SMP支持如下PDU命令：

如下为一个完整的真实的数据包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。

• 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

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