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Wireshark 搭配 Bluetooth Dongle 抓取的 HCI 数据包你会发现没有 Page 阶段的数据包因为它发生在控制器内部的射频层Baseband LMP。你在 Wireshark 的 HCI 视图中只能看到Sent: Create ConnectionEvent: Connection Complete中间的 page 流程是控制器内部完成的这部分数据不需要经过 Wireshark所以也就显示不了。3经典蓝牙 CONNECTION 子模式image它们的关系可以简化为下面关系Connection State├── Active Mode│ ├── Sniff Mode│ ├── Hold Mode│ └── Park Mode└── Connectionless Peripheral Broadcast Mode注意在蓝牙核心规范V5.3中Active Mode 模式下已经没有 Park Mode 这个模式了。Active Mode活动模式Active Mode 是默认模式。在此模式中设备从机保持同步并始终监听主机Master的 Poll 包。主从设备之间的通信是持续的、周期性的。从机必须在每个主机 Poll 时间点监听功耗较高。Sniff Mode嗅探模式Sniff 模式是一种低功耗模式。从机不再持续监听而是按照约定的 Sniff 间隔T_sniff 定期监听主机。其余时间从机关闭接收机进入休眠。在 Sniff 窗口期间从机能收发数据窗口外从机不响应主机。例如耳机在待机播放时段保持低功耗但仍能响应主机的控制命令。优点是节能缺点是通信延迟变高Hold Mode保持模式Hold 模式也是低功耗模式的一种但与 Sniff 不同。从机在指定时间内完全不参与连接通信在 Hold 时间结束后再恢复到 Active 模式。Hold 模式通常在从机需要执行其他任务如扫描、建立新连接、或暂时关闭射频时使用比如:一个设备可能暂时挂起当前连接以执行页面扫描操作Page Scan4BLE 蓝牙状态BLE 状态机以 Standby 为中心其他状态围绕它转换设计更为节能与高效。imageStandby待机状态 BLE默认状态为 Standby不进行任何广播、扫描或连接操作该模式下功耗最低。它是所有状态的中心枢纽可跳转到任何其他状态。Advertising广播状态设备周期性发送广播包ADV告诉周围设备“我在这儿”。Scanning扫描状态 设备监听并接收广播包可选择性回应广播设备实现设备发现如手机找蓝牙耳机。Initiating发起连接状态主设备Central在此状态下发起连接请求给广播设备Peripheral。Connection连接状态设备之间建立了一个正式的连接。使用数据通道进行定时通信支持读写服务、通知、长连接等操作。Synchronization同步状态用于周期性广播同步如广播音频设备不建立连接仅同步获取广播内容。Isochronous Broadcasting等时广播状态BLE 5.2 引入的状态支持等时性数据广播如 LE Audio广播音频数据流无需连接即可接收5经典蓝牙与BLE蓝牙状态的区别经典蓝牙 BR/EDR更适合持续大数据量的通信如音频、文件传输BLE 更适合低功耗、间歇、小数据量通信特别是物联网设备特性/对比点 经典蓝牙BR/EDR BLE低功耗蓝牙状态机复杂性 更复杂包含 Inquiry、Page 等 更简洁以 Standby 为中心的放射状状态图广播机制 没有通用广播需先发现、再配对 支持广播和扫描机制无需连接也能传输信息连接建立过程 分为 Inquiry Page 两阶段 Advertising Initiating 一步完成功耗控制 设计为连续音频或数据传输功耗较高 设计为间歇通信功耗非常低通信角色 Piconet 主从结构固定主从 Central-Peripheral 灵活切换支持的应用 传统音频如耳机、数据同步等 IoT、传感器、手环、LE Audio 等新特性支持 不支持 LE Audio 等新协议 支持 Periodic Advertising、Isochronous Channel 等回到顶部二蓝牙角色在不同版本和不同模式中蓝牙的角色有些混乱。一会是 Master/Slave, 一会又是 Central/Peripheral 。在蓝牙5.2 之前BR/EDR 控制器中一般称呼为 Master/SlaveBLE 控制器中一般称呼为 Central/Peripheral。但是在蓝牙 5.3 中它们统一称呼为 Central/Peripheral。1经典蓝牙角色image经典蓝牙常见于耳机、音箱、鼠标、键盘等手机/电脑一般做 Master主设备负责发起连接、控制时隙。耳机/音箱/键盘/鼠标一般做 Slave从设备等待手机/电脑来连。2BLE 蓝牙角色image在BLE蓝牙控制器中控制器的角色有好几个Advertiser广播者、Scanner扫描者、Initiator发起者、Central中心设备、Peripheral外设设备Advertiser广播者在广播信道上周期性发送广告包一般用于被发现、连接或广播数据。Scanner扫描者主动扫描广播信道接收广告包。可以选择发出 Scan Request 获取更多信息。Initiator发起者接收广播后主动发起连接请求的一方。一旦连接成功就转变为 Central。Central中心设备 类似 Master控制连接的时间和数据传输 常见于手机、PC 等。Peripheral外设设备被 Central 连接的一方常见于手环、传感器、耳机等。BLE蓝牙 从“广播 → 扫描 → 建链”过程中角色会逐步转化Advertiser → PeripheralScanner/Initiator → Central3其它层的角色上面那说的 Central原 Master / Peripheral原 Slave是物理层 / 链路层 (Controller) 里的角色。在蓝牙协议栈的不同层中它们又有定义一些不同的角色Link Layer底层链路角色Central / Peripheral → 确定“谁发起连接谁维持时钟”Host 层协议GATT/ATT/SM角色Client / Server → 确定“谁请求谁提供数据”Profile 层应用协议角色Source/Sink, Host/Device, Controller/Target → 确定“谁是功能提供方谁是功能使用方”它们之间不是一一对应的而是逐层映射物理连接角色Central/Peripheral → 决定谁主导链路协议角色Client/Server → 决定谁发起请求应用角色Source/Sink 等 → 决定谁产生/消费具体业务数据回到顶部三蓝牙地址蓝牙中设备地址 Bluetooth Device Address 与 接入地址 Access Address 是两个完全不同的概念但有时候它们容易被理解混乱。1BD_ADDR 设备地址格式image每个蓝牙设备都有一个唯一的 48 位地址6 字节类似于以太网中的MAC 地址用于标识设备身份。主要应用于设备发现与连接访问控制如连接白名单通信加密中的密钥派生。BD_ADDR 的整体格式为 蓝牙设备地址 NAP UAP LAP字段 名称 位数 说明NAP Non-significant Address Part 16 bits 地址的高 16 位通常表示厂商编号OUI由 IEEE 分配给厂商UAP Upper Address Part 8 bits 地址的中间 8 位通常用于形成 Access Code访问码时使用LAP Lower Address Part 24 bits 地址的低 24 位由设备制造商分配给设备用于唯一标识设备2BD_ADDR 设备地址分类BD_ADDR├── Public Device Address 公共地址│ └── 来源IEEE 注册的 EUI-48厂家分配│ └── 作用全局唯一适用于 BR/EDR 或 BLE│└── Random Device Address 随机地址├── Static Random Address 静态随机地址├── Private Resolvable Address RPA可解析私有地址└── Private Non-Resolvable Address NRPA不可解析私有地址Public Device Address公共地址:结构与普通以太网 MAC 地址完全一致它由蓝牙设备制造商在出厂时烧录进控制器Controller在全世界范围内唯一。传统蓝牙 BR/EDR例如音箱、耳机等几乎都使用 Public Address设备在广播时直接使用 BD_ADDR 作为标识可用于长期绑定bonding和身份识别。Random Device Address随机地址因为固定的 BD_ADDR 会暴露设备身份例如 MAC 地址可被追踪所以 BLE 支持使用随机地址。随机地址又分为三大类。AStatic Random Address静态随机地址在设备启动时随机生成在一次启动周期内保持不变通常用于无隐私要求但又不想使用公共地址的场景。比如一些 BLE 外设如手环、灯泡在上电后广播自己的随机固定地址。BPrivate Resolvable AddressRPA可解析私有地址:周期性变化例如每 15 分钟更新一次,地址高2位为01它的变化过程可被“已配对的设备”解析。比如手机与手环已配对后即使地址变化仍能识别对方。C Private Non-Resolvable AddressNRPA不可解析私有地址:周期性变化,每次广播可能都不同完全无法解析无 IRK 参与地址高2位为00主要应用于一次性连接请求或者是不需要被识别身份的设备广播如匿名信标。3 Access Address 地址imageAccess Address 是蓝牙链路层中用于标识和同步数据包的一个 32-bit4字节地址。它存在于所有蓝牙物理层PHY数据包的包头部分作用类似于一个“信道标识符”帮助接收方判断接收到的数据包属于哪个连接或广播。蓝牙中根据通信类型不同Access Address 有两种主要用途广播信道Advertising Channel 和 数据信道Data ChannelA广播信道Advertising Channel所有的广播信道都使用同一个固定的 Access Address0x8E89BED6, 这个值在规范中是固定定义的全球蓝牙设备统一使用它应用于广播包Advertising Packet或扫描包Scan Request/ResponseB数据信道Data Channel当两个设备成功建立连接Connection后Link Layer 会为该连接生成一个唯一的 Access Address。因此在连接阶段的 Access Address 是专属于该连接的。回到顶部四蓝牙网络结构蓝牙通信体系结构主要是 BR/EDR 模式中定义了两种典型拓扑结构Piconet微微网 和 Scatternet散射网1 Piconet微微网imagePiconet 是蓝牙设备之间通过一条共享的物理链路建立起来的 基本网络单元。在一个 Piconet 中最多允许 8 个活跃设备同时参与通信1 个 Central 最多 7 个 Peripheral所有设备共享同一个跳频序列Frequency Hopping Sequence时钟参考Clock Reference访问码 Access Code由 Central 的 BD_ADDR 派生因此一个 Piconet 的物理信道由 Central 的 BD_ADDR 和时钟共同定义。蓝牙 BR/EDR 使用时分双工 (TDD)每个时隙 625 μsCentral 与 Peripheral 交替发送偶数时隙 → Central 发送奇数时隙 → Peripheral 响应这样实现双向通信的同步控制。2Scatternet散射网imageScatternet 是由两个或多个 Piconet 通过共享设备互联 而成的更大网络结构。也就是说一个设备可以同时属于多个 Piconet用于桥接通信。在 Scatternet 中某个设备可能在一个 Piconet 中充当 Central在另一个中充当 Peripheral每个 Piconet 有自己独立的时钟跳频序列访问码共享设备通过 时间分片Time Sharing 的方式在多个 Piconet 之间切换。Scatternet 网络它更多是一个理论拓扑结构或过渡性历史概念应用极少主要存在于早期研究、学术实验和少数特种系统。现代蓝牙体系基本以 BLE 多连接和 Mesh 网络取代了 Scatternet。