实现一个精简的BLE从机协议栈—4—链路层连接建立——前置理论

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本文描述 BLE 链路层连接的建立过程。
  • 本系列文章，基于nordic nrf52840 MCU，来实现一个精简的 BLE 从机协议栈。
  • 已经实现的协议栈地址：https://github.com/fengxun2017/dh_ble/tree/dev，目前在dev分支进行更新开发。早期是基于nrf51822实现了BLE 4.0规范中从机协议栈中的必要部分，实现了可以和手机连接并传输数据。目前手上只有nrf52840了，当前基于nrf52840实现底层需要的驱动，并通过该系列文章，逐步修改一些上层不合理的地方。
  • 该系列文章，涉及到的协议部分会基于BLE 5.3规范进行描述，但仍旧只实现最简单、必要的部分（能连上手机，进行通信即可），并基于iphone进行测试。因此，android可能会由于发送一些我没实现的指令，出现兼容性问题。并且由于没有充分的错误场景测试，一些实现本身可能存在缺陷。
  • 本系列文章，只是用来作为学习 BLE 协议的参考，从硬件层驱动，链路层，到上层协议，都以最直接，简单的方式来实现。

我们实现的是从机协议栈，因此本文介绍的链路层连接建立过程，都是基于从机角度来描述的。本文也只讨论最常见的，普通广播状态下，接收到连接请求（CONNECT_IND）后，连接的建立过程

1：连接建立的总体过程：

一个简单的BLE连接建立的过程，可以大致分为 3 个步骤：

  • 被连接的设备向外广播，发起连接的设备扫描。
  • 发起连接的设备发送连接请求，被连接的设备收到连接请求。此时两个设备都进入了连接态，并且认为连接已创建。
  • 在规定的时间内，成功交互了第一个数据包，则连接正式建立。

如下图所示：

上一篇文章 链路层广播状态机实现 已经详细描述了连接前的广播状态。
本文，我们详细介绍，连接创建 和 连接建立 的过程。

2：连接的创建（created）

在链路层广播状态机实现一文中，我们介绍了设备每次在某个通道广播一个数据包后，都会在当前通道上再监听一会，看是否有设备发起连接请求（或扫描请求），如下图所示：


PS：图中的T_IFS表示帧间间隔（150us），按照规范定义，连续的两个空中数据包，应该间隔IFS=150us。

在上图中，设备在 38 通道广播完数据包后，监听到了连接请求数据包，则设备进入连接态，并作为从机角色（或称为Peripheral）。

需要注意的一个概念是：在BLE协议中，对于连接发起端的设备，只要它发出了连接请求指令（ CONNECT_IND），就认为设备就进入了连接创建状态，并作为主机角色（或称为Central）；对于被连接的设备，只要它接收到了连接请求，就认为设备进入了连接创建状态，并作为从机角色（或称为Peripheral）。

为了更详细的了解 BLE 连接相关内容，有必要详细介绍连接请求（CONNECT_IND）中的内容。在文章BLE链路层包格式中，我们介绍了BLE广播通道的空中数据包的基本形式（LE Uncoded），如下图所示：（不考虑 LE Coded和 CTE）

连接请求指令（CONNECT_IND）是在广播通道下发送的，所以其数据包结构和上图一致。对于连接请求，上图中的 type = CONNECT_IND(4bits值为：0101)，Payload 中包含了 CONNECT_IND 的具体信息，CONNECT_IND完整的数据包内容如下图所示：

PDU中的 Header 所包含的各个字段的含义，在文章BLE链路层包格式中已介绍，这里我们详细介绍一下 连接请求（CONNECT_IND）负载数据（Payload）中的各个字段的含义。

首先，连接是在两个设备之间建立的，所以 Payload 的前2个字段分别是：连接发起方的设备地址，以及被连接目标的设备地址。
之后便是本次连接所使用的连接相关的具体参数 LLDATA，包含如下信息：

  • AA：该值会作为后续连接状态下，数据包中的Access Address：

    PS：基本的广播数据包中的 Access Address，会使用固定值0x8E89BED6。而连接状态下的数据包中的Access Address，则是连接发起方发起连接请求时，按照规范定义的规则生成的。


  • CRCInit: 广播状态下，在计算数据包最后的CRC校验值时，使用的CRC初值为固定值0x555555。而连接创建后，主/从设备后续的数据包在计算CRC校验值时，初始值会使用CONNECT_IND中的这个CRCInit：

    PS：CRC校验值，是通过硬件移位寄存器结构来实现的，所以寄存器中需要有确定的初始值。


  • WinSize，WinOffset：这两个值与连接请求发出后，双方设备之间的第一次握手（数据包交互）有关，后文详细介绍。


  • Interval：连接间隔参数。BLE在底层是周期性地交互数据，每次连接间隔到期时，两个设备进行数据交互。BLE规范将这个数据交互动作定义为连接事件（connection event）

    PS：上图中，每个连接事件里，两个设备只相互发了一包数据，实际上一个连接事件中是可以相互发送多包数据的。


  • Latency：该值是用来控制主从设备在连接后，当链路空闲（无数据需要传输）时，进一步降低主从设备之间的交互频率，从而进一步降低设备功耗。关于空闲时减少交互频率的特性，BLE4.x时代的该特性和当前BLE5.3已经存在很大区别。详细内容后续会针性的对写一篇文章。


  • TimeOut：连接监控超时。BLE连接可能会因为设备离开连接范围，或电池耗尽等原因中断（没有预先的警告）。因此，BLE在链路层需要有一个监控定时器，来监控多久没有收到对方发送过来的一个有效包了，当这个时间超过TimeOut，则认为连接断开了。
    PS：因此，两个连接的BLE设备，即使没数据需要发送，也要相互发送空包（协议栈内部自己负责发送空包），以维持连接的存在。


  • ChM， Hop：为了减少空中信号的相互干扰（区域内可能存在多个使用2.4G信号的设备），BLE在连接过程中是不断跳频通信的。两个设备连接后，每次交互（连接事件）使用的信道都是不同的，如下图所示：

    这就需要设备在运行过程中，不停计算下一次交互使用的信道，而ChM，Hop 参数就与计算下一次使用通道的算法有关。这部分内容也比较细，后面再单独写一篇文章。


  • SCA：主机的时钟精度。时钟精度会影响设备的唤醒监听策略，这部分在之前的文章:基础概念和硬件驱动实现 中有相关介绍。

3：连接的建立（established）

连接创建可以认为是一个中间状态，此时，连接还未真正被建立（established）。只有当两个设备，收到了对方的第一个数据包后，才认为这个连接真正建立了。

因此，核心问题即为：连接创建后，第一次数据交互是在什么时候？
上一节，我们提到了连接请求（CONNECT_IND）中的两个参数WinSize，WinOffset，这两个参数就是用来定义连接创建后第一次数据交互（连接事件）的时机。

第一次数据交互的时序如下图所示： 时序图来自规范V5.3

其中，C->P表示central发送给peripheral的数据包。P->C表示peripheral发送给central的数据包。

如上图，当主机（central）发出连接请求后，主/从设备第一次交互（连接事件）过程为：

  • 首先经过一个固定的延迟 transmitWindowDelay（1.25ms）
  • 再经过一个延迟 transmitWindowOffset （由CONNECT_IND中的 WinOffset 决定）
  • 之后是一个 Transmit Window，central的第一个数据包在这个窗口内发出即可，窗口大小为 transmitWindowSize（由CONNECT_IND中的 WinSize决定）。

由于 Transmit Window 的存在，从机（peripheral）接收到第一个数据包的时间是不确定的。因此，从机需要在 transmitWindowDelay + transmitWindowOffset 之后一直保持监听，直到收到central发送过来的第一个数据包。 即：
transmitWindowOffset <= first pack time <= transmitWindowOffset + transmitWindowSize。
当完成第一次数据交互后，后续的交互都按照连接间隔（connection interval）周期进行。

上文提到的：

  • transmitWindowDelay = 1.25ms是规范定义的数值 （不讨论使用AUX_CONNECT_REQ发起连接的情况）
  • transmitWindowOffset =
    WinOffset * 1.25 ms，这里的 WinOffset 就是连接请求（CONNECT_IND）中的 WinOffset。
  • transmitWindowSize =
    WinSize * 1.25 ms，这里的 WinSize 就是连接请求（CONNECT_IND）中的 WinSize。

4 具体实现

在源码文件 source/BleStack/BleLink/BleLinkAdvertising.c 中，函数 HandleAdvRxDone 会处理广播状态下接收到的数据（扫描请求 或 连接请求）。
当收到连接请求后，函数 HandleAdvRxDone 内部会调用source/BleStack/BleLink/BleLinkConnect.c 中的 LinkConnReqHandle 函数来处理连接请求。

如同前文所述，完整的连接建立过程，需要经过多个阶段，因此链路层连接态下也需要实现一个子状态机，来处理连接建立过程中的各个阶段，下一篇文章再继续介绍。