前言

Bluetooth core system architecture

查看藍(lán)牙核心規(guī)范文檔，都會(huì)看到一個(gè)復(fù)雜的核心系統(tǒng)架構(gòu)圖，藍(lán)牙核心系統(tǒng)架構(gòu)圖概括了藍(lán)牙的基本工作原理。

對(duì)于初學(xué)者，初看這圖，不可避免有點(diǎn)令人望而卻步，這未免太過于晦澀？

本文我們將嘗試對(duì)它進(jìn)行拆開分解，以便于能更好地理解藍(lán)牙的基本工作原理。

(一) Host、Controller 與 HCI

在《藍(lán)牙基礎(chǔ)(一)：藍(lán)牙協(xié)議棧與硬件架構(gòu)方案》中我們有介紹單模與雙模藍(lán)牙。其實(shí)不管是單模還是雙模藍(lán)牙，它們的協(xié)議棧都是采用了分層架構(gòu)的設(shè)計(jì)。

藍(lán)牙分層架構(gòu)涉及的核心結(jié)構(gòu)是：

• Host（主機(jī)）
• Controller（控制器）
• HCI（Host Controller Interface，主機(jī)控制器接口）

(1) 藍(lán)牙 Host（主機(jī)）

Host 運(yùn)行在主處理器上（如 MCU、Linux、Windows 等），主要負(fù)責(zé)上層協(xié)議和應(yīng)用邏輯。

(2) 藍(lán)牙 Controller（控制器）

Controller 通常集成在一個(gè)藍(lán)牙芯片中（有時(shí)稱為 Bluetooth SoC），負(fù)責(zé)底層無線通信功能。

(3) HCI（Host Controller Interface）

HCI 是 Host 和 Controller 之間的 標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，它定義了Host 、Controller 兩者之間如何交換命令、事件和數(shù)據(jù)。

常見的通信方式有：UART、USB、SPI、SDIO 等

(4) Host、Controller、HCI 之間的關(guān)系

Host、Controller、HCI 之間的關(guān)系、可以簡單理解為：

Host 是 大腦，Controller 是 身體，HCI 是它們之間的 通信通道。

在藍(lán)牙鼠標(biāo)中，插入電腦的那個(gè)藍(lán)牙USB適配器是Controller，PC機(jī)系統(tǒng)是Host，它們通過USB HCI協(xié)議進(jìn)行通信。

(二) Resource Manager

在藍(lán)牙協(xié)議棧的層次結(jié)構(gòu)中，HCI 是主機(jī) Host 和控制器 Controller 之間的通信通道。

這里有語音數(shù)據(jù)(實(shí)時(shí)性要求高)，也有數(shù)據(jù)傳輸(文件、通知、控制命令等)。

數(shù)據(jù)類型主要有：SCO、ACL、C/E 等

• HCI Command Packet（Host → Controller）
• HCI Event Packet（Controller → Host）
• HCI ACL Data Packet（數(shù)據(jù)傳輸）
• HCI SCO Packet（用于語音）

有這么多數(shù)據(jù)要進(jìn)行收發(fā)控制，那又是誰來做數(shù)據(jù)收發(fā)的優(yōu)先級(jí)、流量、擁塞控制呢？

這就引入了主機(jī)的 Resource Manager（資源管理器）與控制器中的Baseband Resource Manager（基帶資源管理器）。

(1)  Resource Manager （資源管理器）

Resource Manager 是藍(lán)牙協(xié)議棧中用于整體資源協(xié)調(diào)與管理的模塊，負(fù)責(zé)在協(xié)議棧的不同層之間協(xié)調(diào)有限的系統(tǒng)資源。

• 所在層級(jí)：主機(jī)協(xié)議棧層（Host）或控制器接口層
• 管理對(duì)象：高層資源，如連接、內(nèi)存、協(xié)議模塊調(diào)度
• 作用范圍：跨模塊調(diào)度、資源分配、策略控制
• 典型用途：多連接管理、Host Controller接口管理、QoS管理

(2)  Baseband Resource Manager （基帶資源管理器）

Baseband Resource Manager 是藍(lán)牙控制器中專門用于管理基帶層資源的模塊?；鶐撬{(lán)牙協(xié)議棧的底層部分，直接控制無線鏈路的建立與維護(hù)。

• 所在層級(jí)：控制器內(nèi)部（Controller）
• 管理對(duì)象：低層資源，如跳頻、時(shí)間片、基帶硬件
• 作用范圍：精細(xì)控制藍(lán)牙物理層時(shí)序與硬件調(diào)度
• 典型用途：多個(gè)基帶活動(dòng)時(shí)的時(shí)隙調(diào)度、鏈路維持

(3) 應(yīng)用舉例

假設(shè)一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備既要進(jìn)行語音傳輸（SCO連接，實(shí)時(shí)性要求高），又在做數(shù)據(jù)同步（ACL連接，如文件或通知）。

Resource Manager

• 從全局角度分配資源：決定哪些連接可以共存、各自的優(yōu)先級(jí)
• 管理協(xié)議棧內(nèi)的共享資源：如內(nèi)存緩沖區(qū)、連接控制塊等
• 做策略級(jí)決策：比如為了語音清晰度，優(yōu)先保障SCO連接，限制ACL帶寬

Baseband Resource Manager

• 負(fù)責(zé)底層時(shí)間調(diào)度與頻率控制：在微秒級(jí)別分配SCO和ACL的時(shí)隙
• 解決時(shí)間沖突：協(xié)調(diào)不同連接在物理層的發(fā)送/接收時(shí)機(jī)，避免碰撞
• 控制基帶硬件資源使用：如跳頻、同步窗口、接收緩沖區(qū)等

(4) C-plane 與  U-plane

在藍(lán)牙核心規(guī)范中，藍(lán)牙各層次間的數(shù)據(jù)分為兩種：

• C-plane（Control Plane）
• U-plane（User Plane）

C-plane： 主要用于處理藍(lán)牙協(xié)議棧中的控制信息，包括設(shè)備管理、鏈路管理、信道控制、流量調(diào)度、功率控制、設(shè)備發(fā)現(xiàn)等。

U-plane： 主要用于數(shù)據(jù)傳輸，涉及音頻、文件傳輸、串口通信等用戶數(shù)據(jù)流。

(三) L2CAP 、Link Manager 與 Link Manager

如果要對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)一步細(xì)分，就可以看到下圖的數(shù)據(jù)流。白色表示C-plane，紅色表示U-plane。

這就出現(xiàn)了 Link Manager、 Link Controller 與 L2CAP 模塊

(1) L2CAP

L2CAP（Logical Link Control and Adaptation Protocol,邏輯鏈路控制與適配協(xié)議） 主要起到適配和復(fù)用的作用。

它工作在 Host 層，用于不同高層協(xié)議（如 ATT、SDP、RFCOMM）與底層控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。

它的主要功能有：

(a) 協(xié)議多路復(fù)用

L2CAP 支持多個(gè)協(xié)議共用一個(gè)物理連接（Logical Link Multiplexing）

比如：ATT 和 SDP 可以在同一連接上傳輸數(shù)據(jù)，L2CAP 負(fù)責(zé)區(qū)分這些數(shù)據(jù)流。

(b) 數(shù)據(jù)分片與重組（Segmentation & Reassembly, SAR）

藍(lán)牙底層控制器只能處理較小的數(shù)據(jù)包（如 27字節(jié) MTU）

L2CAP 允許上層發(fā)送大數(shù)據(jù)（如 512字節(jié)），并負(fù)責(zé)：

• 發(fā)送端將其分片（Segmentation）
• 接收端將其重組（Reassembly）

(c) 協(xié)議適配

將高層協(xié)議的數(shù)據(jù)適配到底層連接類型，比如：

• 基于 ACL（Asynchronous Connection-Less）鏈路
• LE（低功耗藍(lán)牙）使用的是 LE-U（LE-U Logical Link）

(d) QoS 支持（BR/EDR 模式）

提供服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service）參數(shù)（在經(jīng)典藍(lán)牙中用得多）

簡而言之：L2CAP 就是藍(lán)牙協(xié)議棧中的適配器和路由器，幫你分發(fā)數(shù)據(jù)、組包、拆包，還能控制多個(gè)協(xié)議通道共享一條藍(lán)牙連接。

(2) Link Manager（LM，鏈路管理器）

Link Manager 主要負(fù)責(zé) 藍(lán)牙鏈路的建立、維護(hù)和管理，它通過 Link Manager Protocol（LMP） 與遠(yuǎn)程設(shè)備的 Link Manager 進(jìn)行交互，控制鏈路的狀態(tài)和特性。

LM 主要功能及工作原理：

LM 通過 LMP（Link Manager Protocol） 交換控制命令，完成各種藍(lán)牙連接管理任務(wù)。

（a）連接建立

• 設(shè)備 A（主機(jī)）向設(shè)備 B（從機(jī)）發(fā)送 LMP_connection_request 請(qǐng)求。
• 設(shè)備 B 確認(rèn)連接，返回 LMP_accepted，然后進(jìn)入Paging（尋呼）過程完成連接。
• 如果設(shè)備之前配對(duì)過，還需要進(jìn)行身份認(rèn)證（Authentication）。

（b）身份認(rèn)證與加密

• 設(shè)備 A 發(fā)送 LMP_authentication_request 進(jìn)行身份驗(yàn)證。
• 使用 E1/E3 密鑰生成函數(shù) 計(jì)算認(rèn)證密鑰。
• 設(shè)備 B 返回認(rèn)證結(jié)果（通過或失?。?。
• 如果啟用了加密，則使用 E0 加密算法 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。

（c）角色切換藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)支持主從角色切換：

• 主設(shè)備（Master）控制通信時(shí)序。
• 從設(shè)備（Slave）按照主設(shè)備分配的時(shí)隙接收/發(fā)送數(shù)據(jù)。

設(shè)備可以通過 LMP_switch_request 請(qǐng)求角色交換。

（d）功耗控制LM 提供了 3 種低功耗模式：

• Hold Mode：暫停數(shù)據(jù)傳輸，但保持連接。
• Sniff Mode：設(shè)備在特定時(shí)間間隔內(nèi)監(jiān)聽數(shù)據(jù)，減少功耗。
• Park Mode：設(shè)備釋放活動(dòng)狀態(tài)，但仍然保持同步。

（e）SCO/eSCO 鏈路管理

LM 負(fù)責(zé) SCO（同步連接） 的分配，如藍(lán)牙語音通話（HFP）。 使用 LMP_setup_synchronous_connection 配置 SCO 連接參數(shù)

(3) Link Manager（LM，鏈路管理器）

Link Controller（LC）直接與 基帶（Baseband） 和 物理層（RF） 交互，負(fù)責(zé)執(zhí)行 LM 發(fā)送的指令，并處理實(shí)際的數(shù)據(jù)包交換。

LC 主要功能及工作原理：

（a）跳頻同步

藍(lán)牙采用 FHSS（跳頻擴(kuò)頻） 技術(shù)，每 625μs 進(jìn)行一次跳頻，避免干擾。

LC 負(fù)責(zé)計(jì)算頻率跳變序列，并確保所有連接設(shè)備在相同的頻率上進(jìn)行通信。

（b）數(shù)據(jù)傳輸

LC 負(fù)責(zé)封裝數(shù)據(jù)包，并通過基帶層發(fā)送到 RF。 支持兩種數(shù)據(jù)鏈路：

• ACL（異步連接鏈路）：用于數(shù)據(jù)傳輸（如文件傳輸）。
• SCO（同步連接鏈路）：用于語音數(shù)據(jù)傳輸（如藍(lán)牙通話）。

（c）數(shù)據(jù)校驗(yàn)

LC 負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的錯(cuò)誤檢測(cè)與糾正，使用：

• CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）：檢測(cè)數(shù)據(jù)包是否損壞。
• FEC（前向糾錯(cuò)碼）：提高數(shù)據(jù)可靠性。
• ARQ（自動(dòng)重傳請(qǐng)求）：如果數(shù)據(jù)包丟失，則請(qǐng)求重傳。

（d）低功耗模式

LC 負(fù)責(zé)執(zhí)行 LMP 指令，讓設(shè)備進(jìn)入 Sniff、Hold 或 Park Mode，減少能耗.

(4) LM 與 LC 的區(qū)別

• LM 負(fù)責(zé)高級(jí)鏈路管理，如身份驗(yàn)證、配對(duì)、角色切換。
• LC 負(fù)責(zé)低級(jí)數(shù)據(jù)傳輸，如數(shù)據(jù)封裝、跳頻、錯(cuò)誤校驗(yàn)。
• LM 通過 LMP 協(xié)議 進(jìn)行控制，而 LC 依賴 基帶協(xié)議 完成數(shù)據(jù)交換。

(四) Device Manager 與 GAP

(1) Device Manager (設(shè)備管理)

Device Manager 是控制器中的關(guān)鍵控制模塊，負(fù)責(zé)連接控制、配對(duì)協(xié)助、設(shè)備發(fā)現(xiàn)等核心操作，是 HCI 與底層鏈路管理之間的橋梁。

Device Manager 的主要功能（基于 Controller 架構(gòu)）

(a) 管理設(shè)備連接（Connection Management）

• 處理來自 Host 的連接請(qǐng)求（Connect、Disconnect）
• 發(fā)起連接或接受連接請(qǐng)求
• 管理多個(gè)連接的狀態(tài)（連接、斷開、重新連接）

(b) 執(zhí)行藍(lán)牙發(fā)現(xiàn)與名稱獲取流程

• 執(zhí)行 Inquiry（發(fā)現(xiàn)）流程，找到周圍的藍(lán)牙設(shè)備
• 執(zhí)行 Remote Name Request 獲取設(shè)備名稱
• 把結(jié)果通過 HCI 上報(bào)給 Host 層（例如 GAP 模塊）

(c) 配對(duì)和認(rèn)證觸發(fā)控制雖然安全管理（SMP）主要在 Host 層，但 Controller 層的 Device Manager 負(fù)責(zé)：

• 啟動(dòng)配對(duì)流程（Pin Code Request、IO Capability Request）
• 管理 Link Key（密鑰）緩存、保存與恢復(fù)

與 Link Manager 協(xié)作完成加密啟動(dòng)、身份驗(yàn)證等過程

(d) Host 層的接口橋梁（HCI）

• 接收 Host 層發(fā)來的 HCI 命令（如創(chuàng)建連接、斷開連接）
• 將 Controller 中的事件上報(bào)給 Host（如連接完成事件、配對(duì)完成事件）

(2) GAP（Generic Access Profile 通用訪問規(guī)范）

GAP（Generic Access Profile） 是藍(lán)牙協(xié)議棧中的一種通用訪問規(guī)范，它不屬于某一個(gè)獨(dú)立的協(xié)議，而是定義了藍(lán)牙設(shè)備之間如何互相看到和連上彼此的通用流程和規(guī)則。

GAP 的主要功能有：

(a) 設(shè)備角色定義

GAP 定義設(shè)備在通信過程中的4種角色：

角色	用途說明
Broadcaster	主動(dòng)廣播數(shù)據(jù)，不接受連接（如 iBeacon）
Observer	被動(dòng)監(jiān)聽廣播，不發(fā)起連接
Peripheral	可被連接設(shè)備，廣播自身信息
Central	發(fā)起連接的設(shè)備（如手機(jī)、網(wǎng)關(guān)）

常見工作模式是：Peripheral 與 Central ，比如我們手機(jī)與藍(lán)牙耳機(jī)。

(b) 設(shè)備發(fā)現(xiàn)（Discovery）

• 掃描周圍廣播（advertising）設(shè)備
• 過濾、解析廣播數(shù)據(jù)（如設(shè)備名、UUID、服務(wù)）
• 提供掃描結(jié)果給上層應(yīng)用

GAP 負(fù)責(zé)調(diào)用控制器執(zhí)行 BLE 掃描命令，然后通過 HCI 返回掃描結(jié)果。

(c) 廣播與掃描（Advertising & Scanning）

GAP 控制以下兩個(gè)重要過程：廣播與掃描

Advertising（廣播）

• Peripheral/Broadcaster 發(fā)送廣播包
• GAP 負(fù)責(zé)配置廣播參數(shù)，如：廣播間隔、內(nèi)容、類型

Scanning（掃描）

• Central/Observer 接收廣播
• GAP 負(fù)責(zé)配置掃描行為，如：掃描窗口、間隔、主動(dòng)掃描、被動(dòng)掃描、過濾策略

(d) 連接管理（Connection Establishment）

• Central 向 Peripheral 發(fā)起連接請(qǐng)求（通過 GAP 接口發(fā)出連接命令）
• GAP 維護(hù)連接狀態(tài)（連接中、已連接、斷開）

GAP 不執(zhí)行連接過程本身，而是通過 HCI 讓 Controller 中的 Device Manager、Link Manager 去處理。

(e) 配對(duì)模式與安全級(jí)別設(shè)置

• 決定是否允許配對(duì)、是否需要加密
• 設(shè)置 I/O 能力（無輸入、數(shù)字鍵盤、顯示器等）
• 選擇配對(duì)模式（Just Works、Passkey、OOB 等）
• GAP 會(huì)協(xié)同 Security Manager（SMP）工作來完成配對(duì)流程

(f) 本地設(shè)備屬性管理

GAP 還提供接口設(shè)置和讀取本地設(shè)備信息：

• 本地設(shè)備名稱（Device Name）
• 外觀（Appearance）
• 連接參數(shù)（Interval、Latency、Timeout）
• 角色切換、白名單管理等

GAP 是藍(lán)牙通信中的“前臺(tái)經(jīng)理”，負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)設(shè)備、建立連接、定義角色、管理廣播和掃描行為，是最核心的 Host 層模塊之一。

(五) BR/EDR 、BLE 雙模架構(gòu)

在上面介紹的藍(lán)牙數(shù)據(jù)流和藍(lán)牙協(xié)議棧模塊中，有些屬于經(jīng)典藍(lán)牙模塊，有些屬于BLE 。

(1) 物理層（PHY）

模塊	BR/EDR Controller	LE Controller
PHY 類型	BR/EDR Radio（79 個(gè) 1MHz 信道）	LE Radio（40 個(gè) 2MHz 信道）
調(diào)制方式	GFSK（BR）、π/4-DQPSK（EDR）	GFSK（可選編碼，支持遠(yuǎn)距/低速）

(2)Link Controller 與 Link Manager

功能區(qū)域	BR/EDR	BLE
Link Controller	處理同步（SCO/eSCO）與異步（ACL）鏈路	處理 LE 連接和廣播/掃描鏈路
Link Manager	支持多種鏈路管理命令（角色切換、加密等）	專為低功耗優(yōu)化，簡化鏈路管理操作

(3) 數(shù)據(jù)通道的區(qū)別

通道類型	BR/EDR 支持	BLE 支持
ACL	支持	支持
SCO / eSCO	支持（用于音頻）	不支持（用 ISO 替代）
ISO（ISOC 通道）	不支持（傳統(tǒng)協(xié)議）	支持（BLE Audio/LE Audio）

(4) BLE 中的ISO/AL 模塊

BLE 控制器新增了 ISO/AL（Isochronous Adaptation Layer），是 BLE Audio 所必需的：

• 提供面向音頻的低延遲、可預(yù)測(cè)傳輸
• 支持廣播音頻（BIS）和連接音頻（CIS）
• 是 5.2 BLE Audio 架構(gòu)中新引入的專用模塊

介紹到這里，再回頭看最開頭提的 Bluetooth core system architecture 就清晰很多了。

結(jié)尾

這里主要介紹了藍(lán)牙核心系統(tǒng)架構(gòu)的各層次結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流、工作原理。下一章將詳細(xì)介紹藍(lán)牙控制器部分的工作原理。