蓝牙协议分析(7)_BLE连接有关的技术分析
1. 前言
了解蓝牙的人都知道，在经典蓝牙中，保持连接（Connection）是一个相当消耗资源（power和带宽）的过程。特别是当没有数据传输的时候，所消耗的资源完全被浪费了。因而，对很多蓝牙设备来说（特别是功耗敏感的设备），希望在无数可传的时候，能够断开连接。但是，由于跳频（hopping）以及物理通道（Physical Channel）划分的缘故，经典蓝牙连接建立的速度实在难以忍受（要好几秒）。对那些突发的数据传输来说，几秒钟的连接延迟，简直是灾难。
因此，蓝牙SIG制订BLE规范的时候，充分考虑了这方面的需求，极大的简化了连接的建立过程，使连接速度可以达到毫秒级（最快3.75ms就可以搞定）。与此同时，为了节省功耗，也调整了跳频的策略。至此，相比广播通信而言，BLE面向连接的通信，几乎没有额外的代价。
在“蓝牙协议分析(5)_BLE广播通信相关的技术分析”中，我们对BLE的广播通信有了比较全面的了解，本文将接着分析和面向连接的通信有关的技术，包括连接的建立和断开、BLE跳频（Hopping）技术、Link Layer的应答、重传、流控、等等。
2. 怎样才算是建立了连接？
开始之前，我们先回答一个问题，对通信的双方而言，怎样才算建立了连接呢？
从字面上理解，建立了连接，就是指：
二者之间，建立了一条专用的通道，它们可以随时随地的通信。
当然，在蓝牙这种资源有限的通信系统中，通道无法独占，退而求其次，分时也Okay。因此，在BLE中建立了连接，是这样定义的：
在约定的时间段内，双方都到一个指定的物理Channel上通信。
其中，“约定好的时间段”，是时分的概念。而“到指定的物理Channel上”，是跳频的概念。后面的分析，将会围绕这两个概念进行。
另外，和“蓝牙协议分析(5)_BLE广播通信相关的技术分析”类似，我们也将从Link Layer、HCI、GAP三个层次，分别介绍。
3. Link Layer
3.1 角色的定义
和经典蓝牙一样，协议为处于连接状态的BLE设备，定义了两种Link Layer角色：Master和Slave。Master是连接的发起方（Initiator），可以决定和连接有关的参数（很重要，后面会详细介绍）。Slave是连接的接受方（Advertiser），可以请求（或建议）连接参数，但无法决定。
注1：两个BLE设备之间，只能建立一条连接。
3.2 PDU的定义
和广播通信不同，面向连接的通信使用特定的PDU，称作Data Channel PDU，格式如下（LSB—->MSB）：
| Header(16 bits) | Payload(Variable size) | MIC(32 bits) |
16bits的Header的格式如下：
| LLID(2 bits) | NESN (1bit) | SN(1 bit) | MD(1 bit) | RFU(3 bits) | Length(8 bits) |
Data Channel传输的PDU有两类，一类是数据，称作LL Data PDU，另一类中控制信息，称作LL Control PDU。LLID用于区分PDU的类型，具体可参考后面3.2.1和3.2.2的描述。
NESN（Next Expected Sequence Number）和SN（Sequence Number），用于数据传输过程中的应答（Acknowledgement）和流控（Flow Control），具体可参考后面3.7的介绍。
MD（More Data），用于连接的关闭（或者说保持），具体可参考后面3.5的介绍。
RFU（Reserved for Future Use）。
Length，有效数据的长度（Payload+MIC），只有8-bits，因此Link Layer所能传输的最大数据是255 bytes（有MIC的话是251bytes），如果L2CAP需要传输更多的数据，需要分包之后传输（这也是L2CAP的主要功能之一，具体可参考“蓝牙协议分析(3)_蓝牙低功耗(BLE)协议栈介绍”）。
Payload是有效数据（SDU，L2CAP的PDU），长度由Header中的Length字段觉得，有效范围是0~255。
3.2.1 LL Data PDU
LL Data PDU有两种：
Header中的LLID=01b时，Continuation fragment of an L2CAP message, or an Empty PDU。这种类型的PDU，要么是一个未传输完成L2CAP message（长度超过255，被拆包，此时不是第一个），要么是一个空包（Header中的Length为0）。
Header中的LLID=10b时，Start of an L2CAP message or a complete L2CAP message with no fragmentation。这种类型的PDU，要么是L2CAP message的第一个包，要么是不需要拆包的完整的L2CAP message，无论哪种情况，Header中的Length均不能为0。
3.2.2 LL Control PDU
Header中的LLID=11b时，表示这个数据包是用于控制、管理LL连接的LL control PDU。LL control PDU的payload的格式如下：
| Opcode(1 octet) | CtrlData(0 ~ 26 octets) |
其中Opcode指示控制&管理packet的类型，包括：
LL_CONNECTION_UPDATE_REQ，连接参数的更新；
LL_CHANNEL_MAP_REQ，Channel map的更新；
LL_TERMINATE_IND，连接即将被关闭的通知（可以通知被关闭的原因）；
LL_ENC_REQ、LL_ENC_RSP、LL_START_ENC_REQ、LL_START_ENC_RSP，加密有关的请求；等等，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”。
3.3 连接的建立
对BLE来说，连接建立的过程很简单，包括：
1）处于connectable状态设备（Advertiser），按照一定的周期广播ADV_IND或者ADV_DIRECT_IND包（可参考“蓝牙协议分析(5)_BLE广播通信相关的技术分析”）。
2）主动连接的设备（Initiator），在收到广播包之后，会回应一个CONNECT_REQ请求，该请求携带了可决定后续“通信时序”的参数，例如双方在哪一个时间点、哪一个Physical Channel收发数据，等等，后面会详细描述。
3）Initiator在发出CONNECT_REQ数据包之后，自动转变为Connection状态，成为Master角色（注意：这是“自动”的，不需要等待另一方的回应）。同样，Advertiser在收到CONNECT_REQ请求之后，也自动转变为Connection状态，成为Slave角色。
4）此后，双方按照CONNECT_REQ参数所给出的约定，定时到切换到某一个Physical Channel上，按照Master->Slave然后Slave->Master的顺序，收发数据，直至连接断开。
master在发出连接请求的时候，需要在CONNECT_REQ PDU的payload中，定义和连接有关的参数。payload的格式如下：
| InitA (6 octets) | AdvA (6 octets) | LL Data (22 octets) |
其中InitA和AdvA分别是Master和Slave的蓝牙地址，LL data则包含了所有的连接参数，包括：
| AA (4 octets) | CRCInit (3 octets) | WinSize (1 octet) | WinOffset (2 octets) | Interval (2 octets) | Latency (2 octets) | Timeout (2 octets) | ChM (5 octets) | Hop (5 bits) | SCA (3 bits) |
AA，LL Connection的Access Address，在不同设备组合之间，需要唯一，并遵守一些原则，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”。
CRCInit，用于CRC计算的一个初始值，由Link Layer随机生成。
WinSize和WinOffset，全称是transmitWindowSize和transmitWindowOffset，用于决定连接双方收发数据的时间窗口（第2章提到的时分的概念）。下面3.4小节会详细介绍。
connInterval，全称是connInterval，连接双方收发数据的周期。由于一个Master可能会和多个Slave建立连接，因此蓝牙的信道资源不能被某一个LL Connection所独占，所以一个收发周期中，可能有多个连接进行收发数据（具体的时间窗口，由transmitWindowOffset决定）。下面3.4小节会详细介绍。
Latency和Timeout，全称是connSlaveLatency和connSupervisionTimeout，和连接超时、自动断开有关，具体可参考3.4小节的描述。
ChM的全称是Channel map，用于标识当前使用和未使用的Physical Channel。Hop的全称是hopIncrement，它和ChM一起决定了数据传输过程中的跳频算法，具体可参考3.6小节的描述。
SCA（sleep clock accuracy），用于定义最差的Master睡眠时钟精度，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”，本文不再详细介绍。
3.4 连接建立后的通信过程
3.3小节提到，当Master发出/Slave收到CONNECT_REQ后，就自动进入连接状态，那双方在收发数据的时间窗口怎么确定呢？可参考下面图片1和图片2：
图片1 BLE连接时序—Master视角
图片2 BLE连接时序—Slave视角
1）从Master的视角看，当它发出CONNECT_REQ后，会在1.25 ms + transmitWindowOffset到1.25ms + transmitWindowOffset + transmitWindowSize之间，发送第一个packet（M->S）。同理，Slave在收到CONNECT_REQ之后，也会在相应的时间区间去接收packet（M->S）。
a）transmitWindowOffset可以控制这个LL Connection使用哪一段时间进行通信，从而保证了同一个Master和多个Slave之间的多个连接，可以互不影响的通信（时分）。transmitWindowOffset的取值范围是：0 ms到connInterval（后面会介绍connInterval）。
b）从Master发出CONNECT_REQ，到Slave接收到CONNECT_REQ，是有一定的时间延迟的，因此需要一定的时间窗口（transmitWindowSize），才能保证第一个packet能否正确的发送并被接收。transmitWindowSize必须是1.25ms的倍数，最小值是1.25 ms，最大值是（connInterval - 1.25 ms），但不能超过10ms。
c）正常情况下，所有“M->S”数据包的发送，不能超过transmitWindowSize，以便留出S->M的时间。但第一个packet例外（参考上面图片1）。
2）Master发出第一个packet之后，将以此为起始点（称作anchor point），以connInterval为周期，接着发送后续的packet（M->S），以及接收Slave的packet（S->M），具体可参考上面图片1。
a）这样以connInterval为周期的发送（M->S）、接收（S->M）组合（可能有多个），称作Connection Event。因此BLE面向连接的通信的基础，就是Connection Event。
b）connInterval的大小，决定了数据传输的周期。对一个连接来说，每个周期只能有一次的收发，因此connInterval的选择，直接决定了数据传输的速度。BLE协议规定，connInterval必须是1.25ms的倍数，范围是7.5ms~4s。
3）Slave如果没有收到第一个packet（M->S），则会以1.25 ms + transmitWindowOffset为起点，等待connInterval之后，再次尝试接收，直到接收到为止。Slave接收到packet之后，则以收到该packet的时间点为起始点（anchor point），以connInterval为周期，接着接收后续的packet（M->S），以及发送packet给Master（S->M），具体可参考上面图片2。
注2，关于数据传输的速率：
由上面的通信过程可知，BLE面向连接的通信速率，是由connInterval以及每个Connection Event中所传输的数据量决定的。
由上面3.2的描述可知，LL Data PDU的有效负荷不能超过255（251）bytes，不过考虑到一次传输的效率、错误处理等因素，具体的Link Layer不会使用这么大的packet。相应地，为了提高传输速度，一般会在一个Connection Event中，传输多个packet。以iOS为例，它可能会在一个Connection Event中，传输6个packets，每个packet的长度是20bytes。
另外，很多平台为了保证自身作为Master的性能，会限制connInterval的最小值，以iOS为例，最小值是30ms。因此，可估算得到相应的传输速率为20B * 6 / 30ms = 32kbps，是相当缓慢的。
注3：BLE的面向连接通信是使用跳频技术的，即每次Connection Event，都会使用不同Physical Channel收发数据，具体的跳频机制，可参考3.6小节的介绍。
3.5 连接的控制与管理
连接建立之后，Master或者Slave可以借助Link Layer Control Protocol (LLCP)，通过LL Control PDU，对连接进行管理控制，包括：
Connection Update Procedure，连接参数（包括connInterval，connSlaveLatency，connSupervisionTimeout）更新的通知。只能由Master发起。
Channel Map Update Procedure，更新Channel map。只能由Master发起。
Encryption Procedure，对连接进行加密，可由master或者slave发起。
Termination Procedure，断开连接。
Connection Parameters Request Procedure，请求更新连接参数（connInterval，connSlaveLatency，connSupervisionTimeout），Slave或者Master都可以发起，和Connection Update Procedure不同是，这是一个协商的过程，不是一定能够成功。
LE Ping Procedure，类似于网络协议中ping操作。
等等。不再详细介绍，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”。
3.6 连接超时及断开
BLE连接断开的原因有两种：一种是预期内的、主动断开，此时会走3.4小节提到的Termination Procedure过程；第二种是一些非预期的原因导致的超时断开，如距离超出、遭受严重的干扰、突然断电等。
对于第一种，是协议内的正常流程，没有什么好说的。而对于第二种，则需要一些timeout机制，检测这写异常情况，具体如下。
1）Master和Slave的Link Layer，都会启动一个名称为TLLconnSupervision的timer，每接收到一个有效的数据包时，该timer都会重置。
2）连接建立的过程中，如果TLLconnSupervision超过6 * connInterval（没有接收到第一个数据包），则认为连接建立失败。
3）在连接成功之后，如果TLLconnSupervision超过connSupervisionTimeout，则说明link loss，则执行超时断开。connSupervisionTimeout是一个可配置的参数，范围是100ms~32s，并且不能大于(1 + connSlaveLatency) * connInterval * 2。
4）BLE协议允许slave忽略掉“connSlaveLatency”个Connection Event，在被忽略的这段时间内，Slave不需要收发数据包，也不会增加TLLconnSupervision，从而引发超时断开。connSlaveLatency是一个整数，有效范围应该在0到((connSupervisionTimeout / (connInterval*2)) - 1)之间，并且不能大于500。
注4：connSlaveLatency是一个非常有用的参数，它允许Slave在数据通信不频繁的时候，忽略掉一些Connection Event，进而可以睡得更久，更加省电。
3.7 跳频（Hopping）策略
BLE的跳频策略是非常简单的，即：每一个Connection Event，更换一次Physical Channel，当然，master和slave需要按照相同的约定更换，不然就无法通信。这个约定如下：
图片3 BLE跳频策略
1）首先，使用一个Basic的算法，利用lastUnmappedChannel和hopIncrement，计算出unmappedChannel。
a）lastUnmappedChannel在连接建立之初的值是0，每一次Connection Event计算出新的unmappedChannel之后，会更新lastUnmappedChannel。
b）hopIncrement是由Master在连接建立时随机指定的，范围是5到16（可参考3.3中的Hop）。
c）确定unmappedChannel的算法为：unmappedChannel = (lastUnmappedChannel + hopIncrement) mod 37，本质上就是每隔“hopIncrement”个Channel取一次，相当直白和简单。
2）计算出unmappedChannel之后，查找当前的Channel map，检查unmappedChannel所代表的Channel是否为used channel。如果是，恭喜，找到了。
Channel map也是由master，在连接建立时，或者后来的Channel map update的时候指定的。
3）如果不是，将所有的used Channel以升序的方式见一个表，表的长度是numUsedChannels，用unmappedChannel和numUsedChannels做模运算，得到一个index，从按照该index，从表中取出对应的channel即可。
3.8 应答(Acknowledgement)和流控(Flow Control)
由3.2小节的描述可知，LL Data PDU的Header中，有NESN（Next Expected Sequence Number）和SN（Sequence Number）两个标记，利用它们，可以很轻松的在Link Layer实现应答、重传、流控等机制。
为了实现这些功能，Link Layer会为每个连接创建两个变量，transmitSeqNum和nextExpectedSeqNum（为了和packet的SN/NESN bit区分，我们将它们简称为sn和nesn），并在连接建立的时候，它们都被初始化为0。
sn用于标识本地设备（Link Layer）发送出去的packets。
nesn是对端设备（Link Layer）用来应答本地设备发送的packet，或者请求本地设备重发packet。
Link Layer在收发packet时，会遵循如下的原则（可结合下面图片4理解）：
注5：下面图片4是从“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 6, Part B]”中截的一张图，不过spec中画的有问题，我用红色字体改正了。另外，这个图片非常有歧义、难以理解，我会在下面解释。
1）无论是Master还是Slave，发送packet的时候，都会将当前的sn和nesn copy到packet的SN和NESN bit中。
2）无论是Master还是Slave，当接收到一个packet的时候，会将该packet的NESN bit和本地的sn比较：如果相同，说明该packet是对端设备发来的NAK packet（请求重发），则需要将旧的packet重新发送出去；如果不同，说明是对端设备发来的ACK packet（数据被正确接收），则需要将本地的sn加1，接着发送新的packet。
a）以上过程可参考下面图片4中的左边部分。
b）本地的sn，代表本地设备已经发送出去的packet，而packet中的NESN bit，代表对端设备期望本地设备发送的packet。如果二者相同，说明对方期望下次发送的packet，和我们已经发送的packet相同，因此是NAK信号，要求重发。如果二者不同，说明对方设备期望发送一个新的packet，也说明我们上次发送的packet已经成功接收，因此可以将本地的sn加1了。
3）无论是Master还是Slave，当接收到一个packet的时候，会将该packet的SN bit和本地的nesn比较：如果相同，则说明是一个新的packet，接收即可，同时将本地的nesn加1；如果不同，则说明是一个旧的packet，什么都不需要处理。
a）以上过程可参考下面图片4中的右边部分。
b）packet中的SN bit，代表对端设备正在发送的packet，而本地设备的nesn，代表本地设备期望对端设备发送的packet。如果二者相同，则说明是一个期望的packet（新的），就可以收下该packet，并将期望值加1（nesn加1）。如果二者不同，说明不是本地设备期望的packet，什么都不做就可以了。
4）上面2）和3）两个步骤，是相互独立的，因此一个NAK packet，也可能携带新的数据，反之亦然。
5）当一个设备无法接收新的packet的时候（例如RX buffer已满），它可以采取不增加nesn的方式，发送NAK packet。对端设备收到该类型的packet之后，会发送旧的packet（图片4左边部分的“TX old data, sn”分支）。该设备收到这样旧的packet的时候，不会做任何处理（图片4右边部分的“Ignore RX data”分支）。这就是Link Layer的流控机制（Flow control）
图片4 BLE应答和流控机制
4. HCI
HCI（Host Control Interface）的功能就简单多了，就是要封装Link Layer所提供的功能，包括两类。
1）连接的建立、关闭、参数设置、管理等，这一类是通过HCI command/event（其格式可参考“蓝牙协议分析(5)_BLE广播通信相关的技术分析”中的介绍）完成的，包括：
LE Create Connection Command，建立连接的命令，需要提供连接有关的参数，包括connInterval（Conn_Interval_Min和Conn_Interval_Max）、connSlaveLatency（Conn_Latency）和connSupervisionTimeout（Supervision_Timeout）。
LE Create Connection Cancel Command，取消或者断开连接。
LE Connection Update Command，更新连接参数，包括connInterval（Conn_Interval_Min和Conn_Interval_Max）、connSlaveLatency（Conn_Latency）和connSupervisionTimeout（Supervision_Timeout）。
LE Set Host Channel Classification Command，配置Channel map。
LE Read Channel Map Command，读取Channel map。
等等。
有关这些命令的具体描述，可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 2, Part E] Host Controller Interface Functional Specification”。
2）对ACL data的封装和转发，不再详细说明。
6. GAP
GAP（Generic Access Profile）的主要功能，是定义BLE设备所具备的能力，以实现互联互通的功能。
对BEL基于连接的通信来说，GAP定义了4种连接有关的模式（不同的产品形态，可以选择是否支持这些模式，具体可参考“BLUETOOTH SPECIFICATION Version 4.2 [Vol 3, Part C] 9.3 CONNECTION MODES AND PROCEDURES”）：
Non-connectable mode，不可被连接。
Directed connectable mode，可以被“直连”（在知道对方蓝牙地址的情况下的快速连接）。
Undirected connectable mode，可以被“盲连”（不知道对方蓝牙地址）。
Auto connection establishment procedure，可以被自动连接（不需要host干预）。
相应地，GAP定义了5中和这些模式有关的过程（不同的产品形态，可以选择是否支持这些过程）：
General connection establishment procedure，通用的连接建立过程，搜索、发现、连接，都需要Host参与。
Selective connection establishment procedure，有选择的连接建立过程，Host需要告诉Controller，自己只希望于特定的设备建立连接。
Direct Connection Establishment Procedure，直接和某一个已知设备建立连接（对方也知道我们）。
Connection Parameter Update Procedure，连接参数的更新过程。
Terminate Connection Procedure，断开连接。
这些mode和procedure的具体描述，可参考蓝牙spec[1]。
7. 参考文档
[1] Core_v4.2.pdf
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