bluetooth协议架构详解与android 蓝牙架构分析

、中间协议层
中间协议层的一系列协议构成了蓝牙协议体系： • 蓝牙协议体系中的协议按SIG的关注程度分为四层： 1.核心协议：BaseBand、LMP、L2CAP、SDP； 2.电缆替代协议：RFCOMM； 3.电话传送控制协议：TCS-Binary、AT 命 令 集； 4.选用协议：PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、 vCal、IrMC、 WAE。 • 除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI）， 位于蓝牙系统的L2CAP（逻辑链路控制与适配协议）层和 LMP（链路管理协议）层之间的一层协议。
3、电话控制协议
该协议又分为： • 1.二元电话控制协议（TCS-Binary 或TCS BIN） 该协议是面向比特的协议，它定义了蓝牙设备间建立语音 和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移 动管理进程。基于ITUTQ.931建议的TCS Binary被指定为 蓝牙的二元电话控制协议规范。 • 2.AT命令集电话控制协议 SIG定义了控制多用户模式下移动电话和调制解调器的AT 命令集，该AT命令集基于ITU TV.250建议和GSM07.07，它 还可以用于传真业务。
• 连接管理协议（LMP） 该协议负责各蓝牙设备间连接的建立。它通过连接的发 起、交换、核实，进行身份认证和加密，通过协商确定基 带数据分组大小。它还控制无线设备的电源模式和工作周 期，以及微微网内设备单元的连接状态。 • 逻辑链路控制和适配协议（L2CAP） L2CAP协议是一个为高层协议屏蔽基带协议的适配协议， 位于基带协议之上，属于数据链路层，为高层提供面向连 接和面向无连接的数据服务，完成协议复用、分段和重组、 服务质量QoS(Quality Of Service)传输以及组抽象等功能。 虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型，但L2CAP只 支持ACL。
4、选用协议
• 1.点对点协议（PPP） 在蓝牙技术中，PPP位于RFCOMM上层，完成点对点的连接。 • 2. TCP/UDP/IP 该协议是由互联网工程任务组制定，广泛应用于互联网通信的 协议。在蓝牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相连接的 设备进行通信。 • 3.对象交换协议（OBEX） IrOBEX(简写为OBEX)是由红外数据协会（IrDA）制定的会话层 协议，采用简单的和自发的方式交换目标。OBEX是一种类似于 HTTP的协议，它假设传输层是可靠的，采用客户机/服务器模式， 独立于传输机制和传输应用程序接口（API）。 • 4.无线应用协议（WAP） 该协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域无线 网络技术，其目的是将互联网内容和电话传送的业务传送到数 字蜂窝电话和其他无线终端上。
常用应用模式
1．文件传输模式 文件传输模式提供两终端间的数据通信功能，可传输后 缀为.xls、.ppt、.wav、.jpg 和.doc的文件（但并不限 于这几种），以及完整的文件夹、目录或多媒体数据流 等，提供远端文件夹浏览功能。文件传输协议栈如图2所 示。
• • • • 蓝牙技术的系统结构分为三大部分： 1.底层硬件模块 2.中间协议层 3.高层应用
蓝牙协议栈体系结构示意图
一、底层硬件模块
底层硬件部分包括无线跳频（RF）、基带（BB）和链路管理 （LM）。 • RF层 通过2.4GHz无需授权的ISM频段的微波，实现数据位流的过滤 和传输，本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所 需要满足的条件。 • 基带 负责跳频以及蓝牙数据和信息帧的传输。 • 链路管理（LM） 负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。 链路为SCO同步话音链路与ACL 异步数据链路。 • 蓝牙的SIG规定了四种与硬件连接的物理总线方式：USB、RS232、 UART和PC卡
主机 其他高层协议 HCI驱动 物理总线（串口，USB等）驱动
物理总线
物理总线固件
HCI Firmware LM
RF
蓝牙控制器
模块及应用程序接口
1、核心协议
• 基 带 协 议 （BaseBand） <1> 基带和链路控制层确保各蓝牙设备之间的物理连接。 基带协议使用查询和分页进程同步不同设备间的发送频率 和时钟，为基带数据分组提供面向连接（SCO）和无连接 （ACL）两种物理连接方式，而且，同一射频上可实现多 路数据传送。ACL适用于数据分组，SCO适用于话音以及话 音与数据的组合，所有的话音和数据分组都进行前向纠错 （FEC）或循环冗余校验（CRC），且可加密。此外，对于 不同数据类型（包括连接管理信息和控制信息）都分配一 个特殊通道。 <2> 可使用各种用户模式在蓝牙设备间传送话音，面向连 接的话音分组只需经过基带传输，而不到达L2CAP。话音 模式在蓝牙系统内相对简单，只需开通话音连接就可传送 话音。
（5）蓝牙模块体积很小、便于集成。 （6）低功耗： 蓝牙设备在通信连接（Connection）状态下， 有四种工作模式：激活（Active）模式、呼吸（Sniff）模 式、保持（Hold）模式、休眠（Park）模式。Active 模式 是正常的工作状态，另外三种模式是为了节能所规定的低 功耗模式。 （7）开放的接口标准：SIG为了推广蓝牙技术的使用，将蓝 牙的技术标准全部公开，全世界范围内的任何单位和个人 都可以进行蓝牙产品的开发，只要最终通过SIG的蓝牙产品 兼容性测试，就可以推向市场。 （8）成本低：随着市场需求的扩大，各个供应商纷纷推出自 己的蓝牙芯片和模块，蓝牙产品价格飞速下降。
(1)协议复用：由于基带协议不能识别任何高层协议，所以L2CAP必须支 持上层协议复用，它能区分诸如服务发现协议、RFCOMM协议、电话控 制协议等高层协议。 (2)分段与重组：蓝牙基带协议数据包的大小是有限的。发送方需将较大 的L2CAP包必须分解成小的基带包来发送。在接收方，必须将多个基 带包重组为一个完整的L2CAP数据包。 (3)服务质量：在L2CAP建立连接的过程中允许改变两台蓝牙设备间的服 务质量，每个L2CAP实体必须监视协议使用的资源并保证服务质量的 实现。 (4)组管理：蓝牙的基带协议支持微微网， High Layer 即一组设备使用同一时钟同步跳频， request confirm response L2CAP协议的组提取功能可以有效地将 协议的组映射为基带的微微网，以避免 L2CAP 高层协议为了有效的管理组而必须与 response request confirm 基带协议以及链路管理器直接联系。
2、电缆替代协议(RFCOMM)
• RFCOMM是基于ETSI-07.10规范的串行线仿真协议。它在 蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行 线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务。
• RFCOMM提供对RS-232串口的仿真，包括对数据信号线和非 数据信号线的仿真。它既可以仿真两个设备之间的多个串 口，也可以支持多个设备之问的多串口仿真，同时RFCOMM 中还提供了对空调制解调器的仿真。 1．RFCOMM对九针RS-232串口的仿真包括数据信号线和非 数据信号线。 2．多串口仿真 两个数据终端设备之间通过RFCOMM通信，可以打开多达60 个仿真串口，但是实际打开串口数还要视设备生产商的具 体实现以及实际需要而定。
Low Layer(BB or HCI)
• 服务发现协议（SDP） 服务发现在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用，它是所 有用户模式的基础。使用SDP可以查询到设备信息和服务 类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。服务发现协议 由服务发现代理（SDA）、服务发现服务器（SDS）、服务 数据库管理器（SDM）三个模块组成。
HCI协议的作用
HCI协议提供了统一访问蓝牙控制器的能 力。主机控制器以HCI命令的形式提供了 访问蓝牙硬件的基带控制器、链路管理器、 硬件状态寄存器、控制寄存器以及事件寄 存器的能力，所有这些功能都要通过内置 于蓝牙硬件内部的HCI Firmware来实现。 主机通过HCI接口向主机控制器内的HCI Firmware发送HCI命令，HCI Firmware再 通过基带命令、链路管理器命令、硬件状 寄存器、控制寄存器以及事件寄存器完成 该HCI命令，从而实现对蓝牙硬件的控制。
蓝牙协议结构体系
三、高层应用
• 高层应用层具有一套框架，它在蓝牙协议栈的最上 部，其中较典型的有拨号网络、耳机、局域网访问、 文件传输等，它们分别对应一种应用模式。各种应 用程序可以通过各自对应的应用模式实现无线通信。 • 拨号网络应用可通过仿真串口访问微微网 （Piconet），数据设备也可由此接入传统的局域网； • 用户可以通过协议栈中的Audio（音频）层在手机和 耳塞中实现音频流的无线传输； • 多台PC或笔记本电脑之间不需要任何连线，就能快 速、灵活地进行文件传输和共享信息，多台设备也 可由此实现同步操作。
蓝牙技术的特点
蓝牙是一种短距无线通信的技术规范，它最初的目标是取代 现有的掌上电脑、移动电话等各种数字设备上的有线电缆连 接。 （1）全球范围适用：蓝牙工作在2.4GHz的 ISM频段，全球 大多数国家ISM频段的范围是2.4-2.4835GHz，使用该频段 无需向各国的无线电资源管理部门申请许可证。 （2）同时可传输语音和数据：蓝牙采用电路交换和分组交 换技术，支持异步数据信道、三路语音信道以及异步数据 与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为 64kbit/s，语音信号编码采用脉冲编码调制（PCM）或连 续可变斜率增量调制（CVSD）方法。蓝牙有两种链路类型： 异步无连接（ACL）链路和同步面向连接（SCO）链路。
（3）可以建立临时性的对等连接： 根据蓝牙设备在网络中的角色，可分为主设备（Master） 与从设备（Slave）。主设备是组网连接主动发起连接请求 的蓝牙设备，几个蓝牙设备连接成一个皮网（Piconet）时， 其中只有一个主设备，其余的均为从设备。皮网是蓝牙最 基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个 从设备组成的点对点的通信连接。 （4）具有很好的抗干扰能力：工作在ISM频段的无线电设 备有很多种，如家用微波炉、无线局域网（WLAN）Home RF 等产品,蓝牙采用跳频（Frequency Hopping）方式来扩展 频谱，将2.402～2.48GHz频段分成79个频点，相邻频点间 隔1MHz。抵抗来自这些设备的干扰。