建立连接(connection establishment)
根据蓝牙spec规定,advertiser发送完一个广播包之后150us(T_IFS),advertiser必须开启一段时间的射频Rx窗口,以接收来自observer的数据包。Observer就可以在这段时间里给advertiser发送连接请求。手机在第三个广播事件的时候扫到了设备B,并发出了连接请求CONN_REQ(CONN_REQ又称为CONNECT_IND)。
如图所示,手机在收到A1广播包ADV_IND后,以此为初始锚点(这个锚点不是连接的锚点),T_IFS时间后给Advertiser发送一个connection request命令,即A2数据包,告诉advertiser我将要过来连你,请做好准备。Advertiser根据connect_req命令信息做好接收准备
connect_req其实是在告诉advertiser,手机将在Transmit Window期间发送第一个同步包(P1)给你,请在这段时间里把你的射频接收窗口打开。设备B收到P1后,T_IFS时间后将给手机回复数据包P2(ACK包)。一旦手机收到数据包P2,连接即可认为建立成功。
所以一旦P1包发出,主机(手机)即认为连接成功,而不管有没有收到设备的ACK包。这也是为什么在Android或者iOS系统中,应用经常收到连接成功的回调事件(该回调事件就是基于****P1包有没有发出,只要P1包发出,手机即认为连接成功,而不管有没有收到设备的ACK包),但实际上手机和设备并没有成功建立连接。后续手机将以P1为锚点(原点),Connection Interval为周期,周期性地给设备B发送数据包(Packet),Packet除了充当数据传送功能,它还有如下两个非常重要的功能:
- 同步手机和设备的时钟,也就是说,设备每收到手机发来的一个包,都会把自己的时序原点重新设置,以跟手机同步。
- 告诉设备你现在可以传数据给我了。连接成功后,BLE通信将变成主从模式,因此把连接发起者(手机)称为Master****或者Central,把被连接者(之前的Advertiser)称为Slave****或者Peripheral。BLE通信之所以为主从模式,是因为Slave不能“随性”给Master发信息,它只有等到Master给它发了一个packet后,然后才能在规定的时间把自己的数据回传给Master。
Connection events
连接成功后,master和slave在每一个connection interval开始的时候,都必须交互一次,即master给slave发一个包,slave再给master发一个包,整个交互过程称为一个connection event或者gap event。 蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开,此时功耗比较高,其余时间蓝牙芯片都是处于idle状态的,因此蓝牙芯片平均功耗就非常低,以Nordic nRF52810为例,每1秒钟Master和Slave通信1次,平均功耗约为6微安左右。 Master不可能时时刻刻都有数据发给slave,所以master大部分时候都是发的空包(empty packet)给slave。同样slave也不是时时刻刻都有数据给master,因此slave回复给master的包大部分时候也是空包。另外在一个connection event期间,master也可以发多个包给slave,以提高吞吐率。
Slave latency
如前所述,在每一个connection interval开始的时候,Master和Slave必须交互一次,哪怕两者之间交互的是empty packet(空包),但如果slave定义了slave latency,比如slave latency = 9,此时slave可以每9个connection interval才回复一次master,也就是说slave可以在前面8个connection interval期间一直睡眠,直到第9个connection interval到来之后,才回复一个packet给master,这样将大大节省slave的功耗,提高电池续航时间。 当然如果slave有数据需要上报给master,它也可以不等到第9个connection interval才上报,直接像正常情况进行传输即可,这样既节省了功耗,又提高了数据传输的实时性。
GAP层角色总结
在BLE通信过程中,随着时间的推移,他们的状态在发生变化,两者的关系也在发生变化,为此蓝牙spec根据不同的时间段或者状态给手机和设备B取不同的名字,即GAP层定义了如下角色:
- advertiser。 发出广播的设备
- observer或者scanner。可以扫描广播的设备
- initiator。能发起连接的设备
- master或者central。连接成功后的主设备,即主动发起packet的设备
- slave或者peripheral。连接成功后的从设备,即被动回传packet的设备 角色是相互独立的,也就是说一个设备可以只支持observer角色,而不支持initiator和central角色。 advertiser和peripheral也是相互独立的,即一个设备可以只作为advertiser角色,而不支持peripheral角色。
A device can act as a central and a peripheral at the same time. • A central can be connected to multiple peripherals. • A peripheral can be connected to multiple centrals.