BLE链路层空中包格式

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空中包格式

BLE链路层的空中包格式非常简单，它所有的空中包都遵循下图所示的格式：

有上图可见，BLE空中包由4个部分组成，他们分别是：

前导码(Preamble)
访问地址(Access Address)
协议数据单元(Protocol Data Unit)
CRC

前导码占1个字节，访问地址占4个字节，PDU占2到257个字节，CRC占3个字节， 一个完整的空中包大小为10个字节到265个字节之间

LSB（The Least Significant）表示最低有效位；MSB（The Most Significant）表示最高有效位。最低有效位最先被链路层发往空中，最高有效位最后发送。也就是说前导码最先被发送出去，其次是访问地址，再次是PDU，最后才是CRC

前导码(Preamble)

前导码占8个比特，所有广播信道中，空中包的前导码都是10101010b；数据信道中，空中包的前导码是10101010b或者是01010101

如果从电平的角度来说，前导码其实是一个高低变化矩形波，接收者可以将接收电路的频率同步到该矩形波的频率，这就是所谓的接收端频率同步的机制。通俗点讲就是，接收者可以借此预估出一个比特的起始位置以及一个比特的宽度，从而可以准确的接收后续每一个有效比特位。

同时，前导码标记着一个有效空中包的起始位置，避免空中无效数据的干扰。

访问地址(Access Address)

广播信道和数据信道中的访问地址是不同的。广播信道的访问地址固定为0x8E89BED6；数据信道的访问地址由发起者决定。因此简单理解就是，从访问地址首先可以区分，这个空中包是一个广播包还是一个连接态的数据包。

上文讲到了数据信道的前导码是10101010b或者是01010101b，其实这取决于数据信道中的访问地址的最低有效位是0还是1，如果是1，则前导码是01010101b，否则是10101010b

当发起者向广播者发起一个连接请求的时候，它会把访问地址的值放入连接请求的相应字段中，当链路层连接成功建立之后，双方进入到连接态，以后的空中包双方都使用这个访问地址进行通讯。

由此可见，访问地址也是跟一个具体的链路层连接相互绑定的。例如，一个设备跟多个设备都建立了链路层的连接，也就是说一个设备同时维护多个链接，当这个设备收到一个空中包的时候，它只需通过访问地址就可以知道该空中包是哪个连接的包了。

协议数据单元(Protocol Data Unit)

协议数据单元是空中包的有效载荷部分，不同类型的空中包，它的PDU都不相同，大致可分为广播信道的PDU和数据信道的PDU

BLE采用跳频机制，链路层一共有40个信道，其中3个信道是广播信道，另外37个信道是数据信道

当设备处于广播态或者发起态的时候，设备发送或者接收广播信道的PDU；当设备与另一个设备建立链路层连接之后，双方进入到连接态，他们发送或者接收数据信道的PDU

广播信道PDU

广播信道PDU的结构由两部分组成，分别是Header和Payload，如下图所示：

由上图可知，Header大小为16bits，也就是2个字节，Payload的长度由Header中的Length字段决定，那么先看下Header字段的组成，如下图所示：

Header字段由以下6个部分组成：

PDU类型：广播包的类型
RFU（Reserve For Future）：保留未来使用
TxAdd：发送者的地址类型
RxAdd：接收者地址类型
Length：Payload部分的长度
RFU（Reserve For Future）：保留未来使用

广播包的类型如下表所示：

PDU Type	Packet Name
0000	可连接非定向广播（ADV_IND）
0001	可连接定向广播 (ADV_DIRECT_IND)
0010	不可连接广播 (ADV_NONCONN_IND)
0011	扫描请求 (SCAN_REQ)
0100	扫描响应 (SCAN_RSP)
0101	连接请求 (CONNECT_REQ)
0110	可扫描指示 (ADV_SCAN_IND)
0111-1111	保留 (Reserved)

这里不展开介绍各个包的类型了，以后的博文中会有详细介绍

数据信道PDU

数据信道PDU包含16比特的头部和一个⻓度可变的payload，以及可能还包含一个

MIC(Message Itegrity Check：消息完整性检查)，数据信道PDU格式如下图所示：

其中Header的结构如下图所示：

Header包括6个部分：

LLID ：

2个字节，表示这个包是LL Data PDU（链路层数据包）还是LL Control PDU（链路层控制包），它可能的取值如下：

00b：保留
01b：LL Data PDU（链路层数据包）或者是一个Empty PDU（空包）。如果是链路层数据包，由于一个过长的L2CAP包会被分片成多个包分别发送，这个包就是被分片之后的非第一个分片包
10b：LL Data PDU（链路层数据包），它表示未被分片的完整的数据包，或者是分片之后的第一个分片包。
11b：是LL Control PDU（链路层控制包）

NESN ：

下一个包的序列号

SN ：

空中包的序列号

MD ：

More Data的意思，由于BLE是低功耗蓝牙，本质上采用的是睡眠唤醒机制，处于唤醒状态时发送和接收空中包，如果MD字段设置为1，则表示发送者后续还有更多的空中包要发送，以此通知接收者不要进入睡眠状态，要持续保持数据传输；如果该字段设置为0，则表示发送者没有更多的数据要发送了，可以进入睡眠状态了。