蓝牙协议系列之（三） Link Layer

3  Link Layer

3.1 功能介绍
经过Physical Layer的定义，通信所需的物理通道已经okay了，即40个RF Channel（后面统一使用Physical Channel指代）。此时Link Layer可以粉墨登场了，它主要的功能，就是在这些Physical Channel上收发数据，与此同时，不可避免的需要控制RF收发相关的参数。但仅做这些，还远远不够：
    首先，Physical Layer仅仅提供了有限的40个Physical Channel，而BLE中参与通信的实体的数量，肯定不是这个数量级。Link Layer需要解决Physical Channel的共享问题；
    其次，通信是两个实体之间的事情，对这两个实体来说，它们希望看到一条为自己独享的传输通道（就是我们所熟悉的逻辑链路，Logical Link）。这也是Link Layer需要解决的；
    再则，Physical Channel是不可靠的，任何数据传输都可能由于干扰等问题二损毁、丢失，这对有些应用来说，是接受不了的。因此Link Layer需要提供校验、重传等机制，确保数据传输的可靠性；


3.2 Physical Channel的共享问题
1） 数据量比较少、发送不频繁、对时延不是很敏感的场景
例如一个传感器节点（如温度传感器），需要定时（如1s）向处理中心发送传感器数据（如温度）。
针对这种场景，BLE的Link Layer采取了一种比较懒的处理方式----广播通信：
从40个Physical Channel中选取3个，作为广播通道（advertising channel）；
在广播通道上，任何参与者，爱发就发，爱收就收，随便；
所有参与者，共享同一个逻辑传输通道（广播通道）
2）数据量较大、发送频率较高、对时延较敏感的场景
BLE的Link Layer会从剩余的37个Physical Channel中，选取一个，为这种场景里面的通信双方建立单独的通道（data channel）。这就是连接（connection）的过程。

同时，为了增加容量，增大抗干扰能力，连接不会长期使用一个固定的Physical Channel，而是在多个Channel（如37个）之间随机但有规律的切换，这就是BLE的跳频（Hopping）技术。

3.3 状态（state）和角色（role）的定义
BLE协议在Link Layer抽象出5种状态：

· Standby State 
· Advertising State 
· Scanning State 
· Initiating State 
· Connection State
并以如下的状态机进行切换（设备在同一时刻只能处于这些状态的一种）：

Standby状态是初始状态，即不发送数据，也不接收数据。根据上层实体的命令（如位于host软件中GAP），可由其它任何一种状态进入，也可以切换到除Connection状态外的任意一种状态。

Advertising状态是可以通过广播通道发送数据的状态，由Standby状态进入。它广播的数据可以由处于Scanning或者Initiating状态的实体接收。上层实体可通过命令将Advertising状态切换回Standby状态。另外，连接成功后，也可切换为Connection状态。

Scanning状态是可以通过广播通道接收数据的状态，由Standby状态进入。根据Advertiser所广播的数据的类型，有些Scanner还可以主动向Advertiser请求一些额外数据。上层实体可通过命令将Scanning状态切换回Standby状态。

Initiating状态和Scanning状态类似，不过是一种特殊的接收状态，由Standby状态进入，只能接收Advertiser广播的connectable的数据，并在接收到数据后，发送连接请求，以便和Advertiser建立连接。当连接成功后，Initiater和对应的Advertiser都会切换到Connection状态。

Connection状态是和某个实体建立了单独通道的状态，在通道建立之后，由Initiating或者Advertising自动切换而来。通道断开后，会重新回到Standby状态。

通道建立后（通常说“已连接”），处于Connection状态的双方，分别有两种角色Master和Slave：
Initiater方称作Mater；
Advertiser方称作Slave。

注1：从横向看，协议的每个层次（如这里的
Link Layer）都可以当做可相互通信的实体。
这里的状态，就是指这每一层实体的状态。
因此，在协议的多个层次上，都可能有状态定义，
甚至名字也一样，我们阅读协议栈的时候，

一定要留意，不要被绕晕了。

3.4 Air Interface Protocol
状态和角色定义完成后，剩下的事情就简单了，主要包括两类：
提供某一状态下，和其它实体对应状态之间的数据交换机制；
根据上层实体的指令，以及当前的实际情况，负责状态之间的切换。BLE协议中，这些事情是由一个叫做空中接口协议（Air Interface Protocol）的家伙负责，主要思路如下：
1）定义在Physical Channel上收发的数据包的格式（packet format）
在BLE中，两种类型的Physical Channel（advertising channel和data channel）统一使用一种packet format，如下：

Preamble(1 octet)    Access Address(4 octets)    PDU(2 to 257 octets)    CRC(3 octets)

关于packet format，我们可以关注如下内容：
      1.1）Access Address，用于识别是数据包还是广播包。
      1.2）PDU，BLE在Link Layer的PDU长度最大为257 octets（octets当做bytes就行了）。这决定了上层实体，如L2CAP、Application等，需要拆分、重组才能支持更大数据量的传输。
      1.3）Link Layer总packet长度是9~264bytes。

2）定义不同类型的PDU及其格式

由3.3节所述Link Layer有5种状态，每种状态下所传输数据的功能不尽相同，基于此，Air Interface Protocol定义出多种的PDU类型，后面章节会详述

3）以白名单（White List）的形式定义Link Layer的数据过滤机制
主要针对广播通道，因为随着通信设备的增多，空中的广播数据将会呈几何级的增长，为了避免资源的浪费（特别是BLE Host），有必要在Link Layer过滤掉一些数据包，例如根据蓝牙地址，过滤掉不是给自己的packet。

4） Link Layer Control
经过Air Interface Protocol的抽象，BLE实体已经具备广播通信、点对点连接的建立和释放、点对点通信等基本的能力。除此之外，Link Layer又抽象出来一个链路控制协议（Link Layer Control），用于管理、控制两个Link Layer实体之间所建立的这个Connection，主要功能包括：
更新Connection相关的参数，如transmitWindowSize、transmitWindowOffset、connInterval等等；
更新该连接所使用的跳频图谱（使用哪些Physical Channels）；
执行链路加密（Encryption）有关的过程。