BLE有幾種空中包格式？常見的PDU指令有哪些？PDU和MTU的差別是什麼？DLE又是什麼？BLE怎麼實作重傳的？BLE ACK機制原理是什麼？希望這篇文章能幫你回答以上問題。
雖然BLE空中包（packet）涉及BLE協定棧link layer，L2CAP，SMP和ATT等各層次，但link layer跟空中包格式關系最緊密，掌握了BLE packet的格式，就很容易了解BLE link layer協定的工作原理，是以文章取名“詳解BLE空中包格式—兼BLE link layer協定解析”
BLE Packet格式
BLE鍊路層（link layer）隻定義了一種packet（空中包）格式，如下所示：
而且PDU（protocol data unit，協定資料單元）前兩個位元組固定為LL header（1個位元組長）和payload length（1個位元組長，又稱data length），即上面的Packet可以展開為：
preamble（前導幀）為1個位元組，根據Access Address第一個Bit，有兩種取值情況：0x55或者0xAA（純PHY層行為），如下所示：
Access Address用來标示接收者ID或者空中包身份，如前所示，BLE隻有一種packet格式，根據Access Address的不同，又區分兩種Packet類型：廣播包和資料包：
- 廣播包Access Address 固定為0x8E89BED6，廣播包隻能在廣播信道（channel）上傳輸，即隻能在37/38/39信道上傳輸。廣播包發送給附近所有的observer（掃描者）。
- 資料包Access Address為一個32bit的随機值，由Initiator生成。資料包，其實是資料信道上的空中包的簡稱，資料包隻在資料信道上傳輸，即除37/38/39之外的其餘37信道（BLE總共占用40個信道）。每建立一次連接配接，重新生成一次Access address。資料包是給連接配接通信使用的，即用于master和slave之間通信的。
CRC為24bit，初始向量為：
藍牙廣播包
藍牙廣播包，全名藍牙廣播通道（channel）空中包，即在藍牙廣播通道（37/38/39信道（channel））上傳輸的空中包，為兩種空中包的一種，其具體格式如下所示：
Advertising Header即前述的LL header，長度為一個位元組，其每bit定義如下所示：
- PDU Type為3bit，具體定義如下。可以看出掃描PDU和發起連接配接PDU都屬于廣播包。
注：CONNECT_REQ也可寫作CONNECT_IND
- TxAdd/RxAdd，各占1bit，表示随後的Device Address字段代表的藍牙MAC位址類型，值0代表Public位址，值1代表Random位址。
Payload length定義如下所示，是以廣播包PDU最長37個位元組。
Device Address，廣播包中的強制字段，俗稱藍牙MAC位址，如果是廣播包，則是advertiser的MAC位址；如果是scan包或者連接配接請求包，則是scanner的MAC位址。藍牙device address為6個位元組，這樣Advertising data最長為：37-6 = 31B，這就是廣播包資料最長隻能31個位元組的由來。如前所述，device address分public和random兩種，定義如下所示：
Random device address又有三種類型，定義如下所示：
Advertising data我會另寫一篇文章來詳述，這裡就不再介紹了。
如下為一個完整的真實的廣播包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。
- AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
- AA – 前導幀(preamble)
- D6BE898E – 通路位址(access address)
- 60 – LL幀頭字段(LL header)
- 0E – 有效資料包長度(payload length)
- 3B75AB2A02E1 – 廣播者裝置位址(advertiser address)
- 02010504FF590053 – 廣播資料
- 8EC7B2 – CRC24值
注：上述廣播包是藍牙4.x格式，藍牙5.0廣播包除了包含上述格式外（記住：藍牙5是跟藍牙4.x相容的！），還有一些新的定義，以後我也會寫一篇關于藍牙5廣播的文章來專門闡述藍牙5擴充廣播包。
藍牙資料通道空中包（資料包）
與藍牙廣播包相對應，藍牙資料包是另一種BLE packet。藍牙資料包是藍牙資料信道空中包的簡稱，表示空中包隻在藍牙資料信道上傳輸，即除37/38/39之外的其他37信道。從格式上來說，藍牙資料包分空包（empty packet）和普通資料包（data packet）兩種，空包格式如下。
由圖可見，空包整個payload為空，故名空包。
普通資料包格式如下所示：
Data header，即前述的LL header，在資料包中的定義如下所示：
- LLID（2bits）， link layer ID，對LL PDU進行分類：LL data PDU和LL control PDU。也就是說，普通的資料信道空中包包含LL資料包和LL控制包兩種，具體定義如下所示。請大家注意厘清data channel packet（資料信道空中包）和LL data packet（LL資料包）的差別，如前所示data channel packet包含LL data packet和LL control packet，LL data packet隻是data channel packet的一種。在不引起上下文歧義的時候，我們把他們統一稱作“資料包”。
Link layer支援如下control PDU：
- NESN/SN，NESN和SN各占1bit。SN全稱為sequence number，表示目前發送的packet編号。NESN，next expected sequence number，用來告知對方下一個期待的packet的編号。Link layer使用SN來告知對方這個packet是新資料包還是重傳包，用NESN來告訴對方你之前發我的包已經收到了（相當于ACK的作用），我現在期待下一個新的資料包了，是以BLE沒有專門的ACK包，它是通過NESN/SN來實作ACK和重傳雙重功能的。請參考如下表格，仔細揣摩NESN和SN是如何編碼的，以同時完成ACK和重傳功能。
| 空中包編号 | 傳輸方向 | NESN | SN | NESNꞌ | SNꞌ |
| #1 | M -> S | 1 | |||
| #2 | S -> M | 1 | 1 | ||
| #3 | M -> S | 1 | 1 | ||
| #4 | S -> M | 1 | 1 |
我們來分析#3資料包，#3是master發給slave的，那麼#3的NESN和SN是如何确定的呢？其實#3的NESN和SN是通過比較#1和#2的NESN/SN的值來确定的，Master把#1傳完之後，會把#1包的NESN和SN記錄下來，即表格右邊的NESNꞌ和SNꞌ。然後Master會拿SNꞌ跟#2的NESN相比，兩者不等，說明slave已經收到了#1包，并期待master發一個新的包給它，此時Master會把SNꞌ增1，形成#3包的SN，表示這個資料包是一個新包，然後發出去；兩者相等，說明slave沒有收到#1包，此時master需要重傳。Master還會拿NESNꞌ跟#2的SN相比，兩者相等，說明#2包為新包，然後Master會把NESNꞌ增1，形成#3包的NESN發出去，告訴slave我已經收到#2包了并期待你的下一個包；兩者不等，說明#2包為重傳包。注意：大家可以從上述表格發現一個規律，就是同一方向相鄰的兩個資料包，他們的NESN和SN與另一個包的NESN和SN是相反的，比如#3 NESN = #1 #NESN ，#3 SN = #1 #SN ，同樣#2和#4 各自的NESN和SN是互相相反的。
我們可以用下面的流程圖來描述上述過程。
- MD（1bit），more data，用來訓示對方我還有資料包要傳，請繼續打開射頻視窗準備接收。比如Nordic nRF51822一個connection interval可以發6個包或者更多的包（也就是說，一個connection event包含多個資料包互動），用的就是MD來實作的。以notify指令為例，裝置（Server）notify第一個資料包并将MD置1，Client（比如手機）收到這個notify指令後，就知道Server還有資料包要傳，此時手機可以繼續發一個空包給裝置，以讓裝置把第二個notify指令發過來，詳情如下所示。注：Master為手機（Client），Slave為裝置（Server）。
Payload Length or Data Length，BT4.0/4.1定義如下所示，這就是藍牙4.0/4.1一個包隻能傳20個位元組的根源。
BT4.2之後，Payload length 8 bits全部用來表示長度，這樣的話，payload size最大可達251位元組（255 – MIC size）。BLE連接配接建立之後，可以動态更改data length長度（預設為27位元組），這個特性叫做Data Length Extension（DLE），DLE是通過Link layer指令：LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP來實作的。Data length直接跟藍牙晶片的射頻能力有關，像Nordic的nRF51822隻支援BT4.1的Data length，就是因為PHY層已經做死了，無法擴充，但Nordic最新的nRF52832和nRF52840，就都支援DLE，即data length最大可到251位元組。
L2CAP length，2位元組長度，表示後面information payload的長度，information payload最大長度除了受這個L2CAP length字段限制，同時還受MTU的限制。MTU，Maximum Transmission Unit，是ATT層與L2CAP層可以互動的最大資料長度，或者說是Client與Server可以互動的最大長度。
總結一下，藍牙spec裡面定義了2個長度字段：LL data length和L2CAP length，同時ATT層還定義了一個MTU，以限制ATT PDU最大長度。LL data length可以通過LL_LENGTH_REQ和LL_LENGTH_RSP動态改變，MTU size則可以通過後面要講到的Exchange MTU Request和Exchange MTU Response來改變，而L2CAP length無法動态改變，也就是說不能超過65535。
L2CAP CID，2位元組長度，邏輯通道的ID，BLE使用固定的通道編号，也就是說雖然藍牙spec裡面也允許BLE使用connection oriented channel，但大部分BLE協定棧實作的時候都是使用固定的通道編号，通道編号定義如下所示：
BLE L2CAP Signaling Channel支援的PDU指令隻有三個：
- Command reject
- Connection parameter update request，更新連接配接參數，比如最小連接配接間隔，最大連接配接間隔，slave latency等
- Connection parameter update response，接受或者拒絕上面的請求
Security Manager Protocol（SMP）用來實作配對和密鑰分發的，SMP支援如下PDU指令：
Attribute Protocol（ATT），就是我們經常用到的應用層，應用資料就跟在ATT指令後面，ATT支援如下指令清單：
至此BLE空中包解析就告一段落了，再往上就是應用層資料解析了，這個就不是空中包的範疇，而不是GATT和profile要定義的事情，我會另寫文章來專門談談GATT層協定。
如下為一個完整的真實的資料包示例，注意：BLE空中包采用小端模式。
- AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
- AA – 前導幀(preamble)
- 0x50655DAB – 通路位址(access address)
- 1E – LL幀頭字段(LL header)
- 08 – 有效資料包長度(payload length)
- 04000400 – ATT資料長度，以及L2CAP通道編号
- 1B – notify command
- 0x0013 – 應用資料handle
- 0x53 – 真正要發送的應用資料
- 0xF650D5 – CRC24值