1. 前言
本文是藍牙協定分析的第二篇文章，在“藍牙協定分析(1)_基本概念”的基礎上，從整體架構的角度，了解藍牙協定的組成，以便加深對藍牙的了解。
2. 協定層次
藍牙協定是通信協定的一種，為了把複雜問題簡單化，任何通信協定都具有層次性，特點如下：
從下到上分層，通過層層封裝，每一層隻需要關心特定的、獨立的功能，易于實作和維護；
在通信實體内部，下層向上層提供服務，上層是下層的使用者；
在通信實體之間，協定僅針對每一層，實體之間的通信，就像每一層之間的通信一樣，這樣有利于交流、了解、标準化。
藍牙協定也不例外，其協定層次如下：
從OSI（Open System Interconnection）模型的角度看，藍牙是一個比較簡單的協定，它僅僅提供了實體層（Physical Layer）和資料鍊路層（Data Link Layer ）兩個OSI層次。但由于藍牙協定的特殊性、曆史演化因素等原因，其協定層次又顯的不簡單，甚至晦澀難懂（如上面圖檔所示的Physical Link、Logical Transport等）。
藍牙協定分為四個層次：實體層（Physical Layer）、邏輯層（Logical Layer）、L2CAP Layer和應用層（APP Layer）。
實體層，負責提供資料傳輸的實體通道（通常稱為信道）。通常情況下，一個通信系統中存在幾種不同類型的信道，如控制信道、資料信道、語音信道等等。
邏輯層，在實體層的基礎上，提供兩個或多個裝置之間、和實體無關的邏輯傳輸通道（也稱作邏輯鍊路）。
L2CAP層，L2CAP是邏輯鍊路控制和适配協定（Logical Link Control and Adaptation Protocol）的縮寫，負責管理邏輯層提供的邏輯鍊路。基于該協定，不同Application可共享同一個邏輯鍊路。類似TCP/IP中端口（port）的概念。
APP層，了解藍牙協定中的應用層，基于L2CAP提供的channel，實作各種各樣的應用功能。Profile是藍牙協定的特有概念，為了實作不同平台下的不同裝置的互聯互通，藍牙協定不止規定了核心規範（稱作Bluetooth core），也為各種不同的應用場景，定義了各種Application規範，這些應用層規範稱作藍牙profile。
2.1 實體層
實體層負責提供資料傳輸的實體信道，藍牙的實體層分為Physical Channel和Physical Links兩個子層。我們先介紹Physical Channel。
2.1.1 Physical Channel（實體信道）
一個通信系統中通常存在多種類型的實體信道，藍牙也不例外。另外，由“藍牙協定分析(1)_基本概念”的介紹可知，藍牙存在BR/EDR、LE和AMP三種技術，這三種技術在實體層的實作就有很大的差異，下面讓我們一一介紹。
首先是相同點，BR/EDR、LE和AMP的RF都使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 頻段，頻率範圍是2.400-2.4835 GHz。
注1：不同國家和地區藍牙的頻率和信道配置設定情況是不同，本文所有的描述都以中國采用的“歐洲和美國”标準為準。
除了相同點，剩下的都是不同點了。
BR/EDR是傳統的藍牙技術，它這樣定義實體信道：
1）ISM頻率範圍内被分成79個channel，每一個channel占用1M的帶寬，在0 channel和78 channel之外設立guard band（保護帶寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。
2）采用跳頻技術（hopping），也就是說，某一個實體信道，并不是固定的占用79個channel中的某一個，而是以一定的規律在跳動（該規律在技術上叫做"僞随機碼"，就是"假"的随機碼）。是以藍牙的實體信道，也可以稱作跳頻信道（hopping channel）。
3）BR/EDR技術定義了5種實體信道（跳頻信道），BR/EDR Basic Piconet Physical Channel、BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel、BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel和BR/EDR Synchronization Scan Channel。
4）BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel用于藍牙裝置的發現操作（discovery），即我們常用的搜尋其它藍牙裝置（discover）以及被其它藍牙裝置搜尋（discoverable）。
5）BR/EDR Page Scan Physical Channel用于藍牙裝置的連接配接操作（connect），即我們常用的連接配接其它藍牙裝置（connect）以及被其它藍牙裝置連接配接（connectable）。
6）BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel主要用在處于連接配接狀态的藍牙裝置之間的通信。它們的差別是，BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel使用較少的RF跳頻點。BR/EDR Basic Piconet Physical Channel使用全部79個跳頻點，而BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是根據目前的信道情況使用79個跳頻點中的子集，但是跳頻數目也不能少于20個。這個主要是因為藍牙使用ISM頻段，當藍牙和WIFI共存的時候，部分跳頻點被WIFI裝置占用而使得藍牙裝置在這些跳頻點上的通信總是失敗，是以，需要避過那些WIFI裝置占用的頻點。
7）BR/EDR Synchronization Scan Channel可用于無連接配接的廣播通信，後續文章會詳細介紹。
8）同一時刻，BT 裝置隻能在其中一個實體信道上通信，為了支援多個并行的操作，藍牙系統采用時分方式，即不同的時間點采用不同的信道。
LE是為藍牙低功耗而生的技術，為了實作低功耗的目标，其實體信道的定義與BR/EDR有些差異：
1）ISM頻率範圍内被分成40個channel，每一個channel占用2M的帶寬，在0 channel和39 channel之外設立guard band（保護帶寬，Lower Guard Band為2MHz，Upper Guard Band為3.5MHz）。
2）LE技術定義了2種實體信道，LE Piconet channel和LE Advertisement Broadcast Channel。
3）LE Piconet Channel用在處于連接配接狀态的藍牙裝置之間的通信，和BR/EDR一樣，采用調頻技術。和BR/EDR不一樣的地方是，隻會在40個頻率channel中的37個上面跳頻。
4）LE Advertisement Broadcast Channel用于在裝置間進行無連接配接的廣播通信，這些廣播通信可用于藍牙的裝置的發現、連接配接（和BR/EDR類似）操作，也可用于無連接配接的資料傳輸。
5）和BR/EDR一樣，同一時刻，BT 裝置隻能在其中一個實體信道上通信，為了支援多個并行的操作，藍牙系統采用時分方式，即不同的時間點采用不同的信道。
AMP是為高速資料傳輸設計的技術，其實體層規範直接采用802.11（WIFI）的PHY規範，主要有如下特點：
AMP實體信道隻有一種，即AMP Physical Channel，主要用于已連接配接裝置之間的資料通信，和BR/EDR技術中的BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel位于一個級别，可以互相切換使用。
2.1.2 Physical Links（實體鍊路）
由2.1.1的描述可知，藍牙協定為BR/EDR、LE和AMP三種技術定義了8種類型的實體信道，包括：
AMP physical channel
BR/EDR Basic Piconet Physical Channel
BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel
BR/EDR Page Scan Physical Channel
BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel
BR/EDR Synchronization Scan Channel
LE Piconet Channel
LE Advertisement Broadcast Channel
而實體鍊路，則是對這些實體信道（主要是BR/EDR技術中的Basic Piconet Physical Channel和Adapted Piconet Physical Channel）的進一步封裝，其主要特征是（可參考2.5中的圖檔以輔助了解）：
1）Physical Link是一個虛拟概念，不對應協定中任何的實體，資料包封包/解包的過程中不被展現。
2）AMP Physical Channel、LE Piconet Channel、LE Advertisement Broadcast Channel均有一個一一對應的Physical Link，分别是AMP Physical Link、LE Active Physical Link、LE Advertising Physical Channel。
3）BR/EDR Page Scan Physical Channel、BR/EDR Inquiry Scan Physical Channel、BR/EDR Synchronization Scan Channel隻在特定時間段使用，且無法控制任何屬性，是以不需要再Physical Link中展現。
4）BR/EDR Basic Piconet Physical Channel和BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel是BR/EDR技術中已連接配接裝置之間進行資料通信的通道，且同一時刻隻能根據應用場景選擇一種channel進行資料傳輸。是以這兩個channel被map到BR/EDR Active Physical Link、BR/EDR Parked Physical Link和BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link三個實體鍊路上。
5）BR/EDR Active Physical Link和BR/EDR Parked Physical Link的抽象主要有兩個方面的意義：
5-1）屏蔽底層的Basic/Adapted Piconet Physical Channel之間的差異，統一使用Physical Link取代。在需要的時候，可以通過上層的鍊路管理協定，指定使用哪一種physical channel（Basic or Adapted）。
5-2）可以通過Physical Link的抽象，控制Physical Channel的一些屬性（如發射功率、收發周期等），以達到節省功耗的目的。而上面的層次（如邏輯層）不需要對這些動作知情。
6）BR/EDR Active Physical Link定義了連接配接狀态的藍牙裝置在鍊路處于active狀态時的實體鍊路，該實體鍊路對應的裝置的發射功率是可修改的。
7）BR/EDR Parked Physical Link定義了連接配接狀态的藍牙裝置在鍊路處于parked狀态時的實體鍊路。parked狀态是一種特殊的連接配接狀态，連接配接雙方沒有正在進行的資料傳輸，所有的鍊路消耗，都是為保持連接配接所做的事情。此時可以通過降低在實體信道上的收發頻率而降低功耗。該實體鍊路和BR/EDR Active Physical Link使用相同的實體信道。
8）BR/EDR Connectionless Slave Broadcast Physical Link使用BR/EDR Adapted Piconet Physical Channel，用于一點到多點的廣播通信。
2.2 邏輯層
邏輯層的主要功能，是在已連接配接（LE Advertisement Broadcast可以看做一類特殊的連接配接）的藍牙裝置之間，基于實體鍊路，建立邏輯信道。所謂的邏輯信道，和城市道路上的車道類似：
一條城市道路可以看做一個實體鍊路（可能有兩個方向，我們隻考慮其中一個即可），該實體鍊路根據行車用途，可以劃分為多個邏輯信道，如直行車道、右轉車道、左轉車道、掉頭車道、快速車道、慢速車道等等。
這裡的車道（邏輯信道），從實體角度看，并沒有什麼分别，隻是為了友善交通（資料傳輸），人為的抽象出來的。和車道類似，藍牙邏輯信道的劃分依據是傳輸類型，主要包括下面3類（即Logical Link）：
1）用于管理底層實體鍊路的控制類傳輸，包括AMP-C、ACL-C、PSB-C、LE-C、ADVB-C。
2）傳輸使用者資料的使用者類傳輸，包括AMP-U、ACL-U、PSB-U、LE-U、ADVB-U。
3）其它比較特殊的傳輸類型，包括流式傳輸（stream）、PBD（Profile Broadcast Data）。
以上每種Logic Link都會在下層對應一個Logical Transport，這些Logical Transport具有一些屬性值，如流控、應答/重傳機制等。如下：
AMP ACL（Asynchronous Connection-Oriented Link），基于AMP技術的、面前連接配接的、異步傳輸鍊路，為AMP-U提供服務。
BR/EDR ACL，基于BR/EDR技術的ACL鍊路，為ACL-C、ACL-U提供服務。
SCO/eSCO（Synchronous Connection-Oriented/Extended SCO），基于BR/EDR技術的、面向連接配接的、同步傳輸鍊路，為stream類型的Logical Link提供服務。
ASB（Active Slave Broadcast）、PSB（Parked Slave Broadcast），基于BR/EDR技術的、面向連接配接的廣播傳輸鍊路，為ACL-U、PSB-U、PSB-C提供服務。
CSB（Connectionless Slave Broadcast），基于BR/EDR技術的、無連接配接的廣播鍊路，為PBD提供服務。
LE ACL，基于LE技術的、面前連接配接的、異步傳輸鍊路，為LE-U、LE-C提供服務。
ADVB（Advertising Broadcast），基于LE技術的、廣告/廣播鍊路，為ADVB-U、ADVB-C提供服務。
注2：AMP-C沒有對應的Logical Transport，而是直接控制AMP Physical Link完成所需功能。
注3：藍牙邏輯層的抽象也是讓人醉了！還是那句話，不要逼自己去了解一個瘋子的行為，不然自己也會瘋的。
2.3 L2CAP Channels
L2CAP是Logical Link Control and Adaptation Protocol（邏輯鍊路控制和适配協定）的縮寫，藍牙協定到這個層次的時候，就清爽多了：
對下，它在使用者類XXX-U Logical Link的基礎上，抽象出和具體技術無關的資料傳輸通道（包括單點傳播和廣播兩類），至此使用者就不再需要關心繁雜的藍牙技術細節。
對上，它以L2CAP channel endpoints的概念（類似TCP/IP中的端口），為具體的應用程式（profile）提供獨立的資料傳輸通道（當然，也是一個邏輯通道）。
2.4 Profiles
profile是藍牙Application的代指，也可以翻譯為服務，為了實作不同平台下的不同裝置的互聯互通，藍牙協定為各種可能的、有通用意義的應用場景，都制定的了規範，如SPP、HSP、HFP、FTP、IPv6/6LoWPAN等等。
Profiles基于L2CAP提供的L2CAP channel endpoints實作，在它們對應的層次上進行資料通信，以完成所需功能。有關藍牙profile的介紹，會在後續文章中陸續給出，這裡就不再詳細說明了。
2.5 總結
下面圖檔包含上面各個層次（除了APP layer）中涉及到的一些實體、概念以及互相關系，供大家參考。
摘錄自：Core_v4.2.pdf---->Vol1: Architecture & Terminology Overview---->Part A: Architecture---->3 DATA TRANSPORT ARCHITECTURE---->3.2 TRANSPORT ARCHITECTURE ENTITIES
3. 藍牙核心架構
藍牙規範有兩類：一類是藍牙核心規範，由Bluetooth Core Specification定義，囊括到L2CAP層，以及相關的核心profile；另一類是藍牙Application規範，包含了各種各樣的profile規範（具體可參考“https://www.bluetooth.com/specifications/adopted-specifications”中的清單）。
藍牙核心規範所定義的架構如下：
經過第2章協定層次的介紹，藍牙核心架構已經比較容易了解了，這裡對層次中各個子產品做一個簡單的說明，更為詳細的分析，請參考後續的文章。
1）BR/EDR Radio & LE Radio & AMP PHY
藍牙RF層（實體層），包括BR/EDR、LE以及AMP三種。負責在實體channel上收發藍牙packet。
對BR/EDR和LE RF來說，還會接收來自Baseband的控制指令來控制RF頻率的選擇和timing。
AMP PHY使用802.11（WIFI）的規範，本文不再詳細介紹，後續有關AMP的内容，也不過多涉及。
2）Link Controller & Baseband resource management
Link Controller和Baseband resource management組成了藍牙的基帶（baseband）。
Link Controller負責鍊路控制，主要是根據目前實體channel的參數、邏輯channel的參數、邏輯transport的參數将資料payload組裝成bluetooth packet。另外，通過Link Control Protocol（對LE來說是LL Layer Protocol），可以實作流控、ack、重傳等機制。
Baseband resource management，主要用于管理RF資源。
3）Link Manager
Link Manager主要負責建立、修改、釋放藍牙邏輯連接配接（Logical Link），同時也負責維護藍牙裝置之間實體連接配接（Physical Link）的參數。它的功能主要是通過Link Management Protocol（LMP，for BR/EDR）和Link Layer Protocol（LL，for LE）完成。
4）Device Manager
Device Manager主要負責控制藍牙裝置的通用行為（藍牙資料傳輸除外的行為），主要是：
搜尋附近的藍牙裝置
連接配接到其他的藍牙裝置
使得本地的藍牙裝置connectable和discoverable
控制本地藍牙裝置的屬性（例如本地藍牙裝置的名字、link key等）
5）HCI（Host Controller Interface）
我們在“藍牙協定分析(1)_基本概念”介紹過，藍牙系統分為Bluetooth Controller和Bluetooth Host兩個大的block。它們之間通過HCI接口以HCI協定進行通信。
6）L2CAP
L2CAP位于Bluetooth Host中，包括兩個子子產品：
Channel Manager主要負責建立、管理、釋放L2CAP channel。
L2CAP Resource Manager負責統一管理、排程L2CAP channel上傳遞的PDU（Packet Data Unit），以確定那些高QoS的packet可以獲得對實體信道的控制權。
7）SMP（Security Manager Protocol）
SMP是一個點對點的協定，基于專用的L2CAP channel，用于生成加密（encryption）和識别（identity）用的密匙（keys）。
8）SDP（Service Discover Protocol）
SDP也是一個點對點的協定，基于專用的L2CAP channel，用于發現其它藍牙裝置能提供哪些profile以及這些profile有何特性。在了解清楚了其他藍牙裝置的profile以及特性之後，本藍牙裝置可以發起對自己感興趣的藍牙profile的連接配接動作。
9）AMP Manager
基于L2CAP channel，和對端的AMP manager互動，用于發現對方是否具備AMP功能，以及收集用于建立AMP實體鍊路的資訊。
10）GAP（Generic Access Profile）
GAP是一個基礎的藍牙profile，用于提供藍牙裝置的通用通路功能，包括裝置發現、連接配接、鑒權、服務發現等等。
GAP 是所有其它應用模型的基礎，它定義了在 Bluetooth 裝置間建立基帶鍊路的通用方法。還定義了一些通用的操作，這些操作可供引用 GAP 的應用模型以及實施多個應用模型的裝置使用。GAP 確定了兩個 藍牙裝置（不管制造商和應用程式）可以通過 Bluetooth 技術交換資訊，以發現彼此支援的應用程式。