1. 蓝牙的整体结构
蓝牙协议栈通常分为 物理层、链路层、协议层、应用层 四个主要部分
- 物理层（PHY, Physical Layer）
- 负责信号的无线传输和接收。
- 使用 2.4GHz ISM 频段，支持 经典蓝牙（BR/EDR） 和 低功耗蓝牙（BLE）。
- 链路层（LL, Link Layer）
- 负责蓝牙设备的连接、数据交换、安全加密等。
- 在 BLE 中负责 广播（Advertising）和扫描（Scanning） 过程。
- L2CAP 层（逻辑链路控制与适配协议）
- 处理数据的 分片（Fragmentation）和重组（Reassembly）。
- 负责 多通道管理（Multiplexing），允许多个协议在同一蓝牙连接上传输。
- 协议层
- **GATT（通用属性协议）**用于 BLE 设备的数据交互，如智能手环与手机通信。
- **SMP（安全管理协议）**负责蓝牙设备之间的身份认证和加密。
- 应用层
- 包括 A2DP（音频协议）、HID（键盘鼠标协议）、BLE Profile（智能设备协议） 等。
- 负责与最终用户交互，比如蓝牙耳机、键盘、鼠标、智能手环等。
2. 详细解析各个部分
（1）物理层（PHY, Physical Layer）
功能
负责 蓝牙无线信号的发送和接收。
采用 跳频扩频（FHSS, Frequency Hopping Spread Spectrum） 技术，减少干扰，提高通信质量。
工作频段2.402 GHz ~ 2.480 GHz（2.4 GHz ISM 频段）。
信道数
- **经典蓝牙（BR/EDR）**79 个信道（1MHz 间隔）。
**低功耗蓝牙（BLE）**40 个信道（2MHz 间隔），其中 3 个信道用于广播。
调制方式
- **BR（基本速率）**GFSK（高斯频移键控），1 Mbps。
- **EDR（增强速率）**π/4-DQPSK 或 8DPSK，最高 3 Mbps。
- **BLE（低功耗蓝牙）**GFSK，1Mbps 或 2Mbps。
（2）链路层（Link Layer, LL）
功能
管理广播（Advertising）和连接事件，定义设备角色（广播者/扫描者/主/从），负责数据包的收发和时序控制。
连接建立和维护
- **经典蓝牙（BR/EDR）**主从架构，一个主设备最多能连接 7 个从设备。
- BLE支持点对点和广播模式。
数据传输
- **ACL（异步连接链路）**主要用于数据通信（如文件传输）。
- **SCO（同步连接链路）**用于实时音频传输（如蓝牙通话）。
信道跳频（Adaptive Frequency Hopping, AFH）
- 经典蓝牙每秒 1600 次跳频，BLE 主要用于减少干扰。
（3）L2CAP 层（逻辑链路控制和适配协议）
功能
多通道管理（Multiplexing）
- 允许不同的应用协议（如音频、HID 设备）同时在蓝牙连接上运行。
数据分片（Fragmentation）和重组（Reassembly）
- 由于蓝牙的 最大数据包大小有限（如 BLE 为 251 字节），L2CAP 负责拆分和合并数据包。
支持的协议
- **SDP（服务发现协议）**允许设备查询对方的功能（如蓝牙耳机的音频协议）。
- RFCOMM（串行端口仿真）用于虚拟串口连接（如蓝牙 GPS）。
- **AVDTP（音频/视频分发协议）**用于 A2DP 蓝牙音频传输。
- **ATT（属性协议）**BLE 设备使用 ATT 进行数据交互。
（4）协议层
协议层包含 GATT、SMP、HID、A2DP、HFP 等，负责数据通信和安全。
GATT（通用属性协议，Generic Attribute Profile）
基于 ATT（Attribute Protocol），用于 BLE 设备的数据交互，定义服务（Services）、特征（Characteristics）和描述符（Descriptors）的层级结构。。
设备扮演 GATT Server（服务器） 或 GATT Client（客户端）。
常见 BLE Profile
- **心率监测（Heart Rate Profile）**智能手环向手机发送心率数据。
**电池电量（Battery Service）**BLE 设备报告电量信息。
SMP（安全管理协议，Security Manager Protocol）
BLE 的安全机制，用于设备配对和加密。
配对模式
- Just Works（无密码）
- Passkey Entry（输入密码）
- OOB（Out of Band，使用 NFC 交换密钥）
加密方式
- 采用 AES-CCM 加密，保证数据安全。
通用访问协议（GAP）
功能管理BLE设备角色（外设/中心设备）、广播参数和连接建立流程。
GAP（Generic Access Profile） 是蓝牙协议栈中的一个关键部分，主要用于管理蓝牙设备的 访问控制、连接管理 和 设备发现。
GAP 是蓝牙设备间通信的基础，它规定了设备如何在无线电环境中互相发现、连接、认证和设置通信参数。
GAP 不是一个单独的数据传输协议，而是 蓝牙设备间通信的高层协议，它为设备如何进行连接、如何广播以及如何相互交互提供了框架。它是 BLE（低功耗蓝牙）和经典蓝牙（BR/EDR）共同的一个协议层。
（5）应用层
应用层提供 用户可以直接使用的蓝牙功能，包括 音频、文件传输、键盘鼠标等。
经典蓝牙应用
| 应用 | 协议 | 功能 |
|---|---|---|
| 音频传输 | A2DP | 高品质立体声传输（如蓝牙耳机、音箱） |
| 音量控制 | AVRCP | 控制音乐播放、音量调节 |
| 蓝牙通话 | HFP | 免提电话（如车载蓝牙） |
| 键盘鼠标 | HID | 适用于无线键盘、鼠标、游戏手柄 |
| 文件传输 | OBEX | 蓝牙传输文件（如手机间发送照片） |
BLE 低功耗蓝牙应用
| 应用 | 设备示例 |
|---|---|
| 健康设备 | 心率监测仪、血压计 |
| 智能家居 | 蓝牙灯泡、智能门锁 |
| 位置跟踪 | iBeacon、蓝牙防丢器 |