bluetooth协议架构详解与android 蓝牙架构分析

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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。
蓝牙模块相关知识交流
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概述 蓝牙技术的特点 蓝牙协议体系结构 Android Bluetooth 架构
概述
“蓝牙”是一种开放的技术规范,它可在世界上的任何地方 实现短距离的无线语音和数据通信。 蓝牙技术的发展: 1994年,爱立信移动通信公司开始研究在移动电话及其附件 之间实现低功耗、低成本无线接口的可行性。随着项目的进 展,爱立信公司意识到短距无线通信的应用前景无限广阔。 (Short Distance Wireless Communication)
(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。
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。
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。
• • • • 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
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。
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。
(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。
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。
二、Baidu Nhomakorabea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。
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。
蓝牙移动终端
• 移动电话( Mobile Phone ), 无绳电话 ( Cordless Phone ), 笔记本电脑 ( Notebook), 个人数字助理 ( PDA ), 数字相机 ( Digital cameras), 打印机 ( Printer), 局域网络 ( Network)等
蓝牙体系结构
爱立信将这项新的无线通信技术命名为蓝牙(Bluetooth)。 Bluetooth取自10世纪丹麦国王 Harald Bluetooth 的名字。 1998年5月,爱立信联合诺基亚(Nokia)、英特尔 (Intel)、IBM 、东芝(Toshiba)这4家公司一起成立了 蓝牙特别兴趣小组(Special Interest Group,SIG),负 责蓝牙技术标准的制定、产品测试,并协调各国蓝牙的具体 使用。目前SIG已经采纳蓝牙4.0核心规范技术拥有极低的运 行和待机功耗,使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。 同时还拥有低成本,跨厂商互操作性,3毫秒低延迟、100米 以上超长距离、AES-128加密等诸多特色,可以用于计步器、 心律监视器、智能仪表、传感器物联网等众多领域,大大扩 展蓝牙技术的应用范围。
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。
• 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。
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。
(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。
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