[历史归档]本文原发布于 cstriker1407.info 个人博客内容为历史存档仅供参考。发布时间2019-09-24 标题《实战Linux Bluetooth编程》简略笔记分类网络通讯 / Bluetooth 标签linux·kernel·bluetooth·blueZ《实战Linux Bluetooth编程》简略笔记Bluetooth基本概念Linux下Bluetooth协议栈的介绍HCI层协议概述L2CAP协议简介Bluetooth设备的状态本文参考系列博客【 http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100e0vb.html 】【 http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100e57t.html 】【 http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100e5q9.html 】【 http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100e902.html 】【 http://blog.sina.com.cn/s/blog_602f87700100ehs3.html 】【 https://www.cnblogs.com/LittleHann/p/5598425.html 】仅笔记了部分概念和整体介绍有大量删改。Bluetooth基本概念Bluetooth是爱立信、诺基亚、东芝、IBM和Intel 5家公司在1998年联合推出的一项无线网络技术。其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。在行业协会筹备阶段,需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员在经过一夜关于欧洲历史和未来无限技术发展的讨论后有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。Blatand国王将现在的挪威瑞典和丹麦统一起来就如同这项即将面世的技术,将标准不一的短距离无线传输技术统一起来。蓝牙技术的系统结构分为三大部分底层硬件模块、中间协议层和高层应用。底层硬件部分包括无线跳频RF、基带BB和链路管理LM。无线跳频层通过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。链路管理负责连接、建立和拆除链路并进行安全控制。蓝牙的核心协议由基带链路管理逻辑链路控制与适应协议和服务搜索协议等4部分组成。1. 核心协议BaseBand(基带协议): 基带协议确保各个蓝牙设备之间的射频连接以形成无线网络LMP(链路管理协议): 链路管理协议(LMP)负责蓝牙各设备间连接的建立和设置。LMP通过连接的发起交换和核实进行身份验证和加密通过协商确定基带数据分组大小; 除此之外还控制无线设备的节能模式和工作周期以及无线网络内设备单元的连接状态L2CAP(逻辑链路控制和适配协议): 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)是基带的上层协议可以认为L2CAP与LMP并行工作。L2CAP与LMP的区别在于当业务数据不经过LMP时L2CAP为上层提供服务SDP(使用服务搜索协议): 使用服务搜索协议(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2. 电缆替代协议: PFCOMM3. 电话传送控制协议TCS-Binary 2) AT命令集4. 选用协议PPP 2) UDP/TCP/IP 3) OBEX 4) WAP 5) vCard 6) vCal 7) IrMC 8) WAE除上述协议层外规范还定义了主机控制器接口(HCI)它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口HCI位于L2CAP的下层但HCI也可位于L2CAP上层。蓝牙核心协议由SIG制定的蓝牙专用协议组成。绝大部分蓝牙设备都需要核心协议(加上无线部分)而其他协议则根据应用的需要而定。总之电缆替代协议、电话控制协议和被采用的协议在核心协议基础上构成了面向应用的协议。1. 基带协议基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统其任一分组在指定时隙、指定频率上发送。它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了两种物理连接方式即面向连接(SCO)**: 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附有不同级别的前向纠错(FEC)或循环冗余校验(CRC)而且可进行加密。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无连接(ACL)**: ACL适用于数据分组在同一射频上可实现多路数据传送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2. 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3. 逻辑链路控制和适配协议(L2CAP)该协议是基带的上层协议可以认为它与LMP并行工作它们的区别在于当业务数据不经过LMP时L2CAP为上层提供服务。L2CAP向上层提供面向连接的和无连接的数据服务它采用了多路技术、分割和重组技术、群提取技术。L2CAP允许高层协议以64k字节长度收发数据分组。虽然基带协议提供了SCO和ACL两种连接类型但L2CAP只支持ACL。4. 服务发现协议(SDP)发现服务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5. 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。6. 电话控制协议二元电话控制协议(TCS-Binary或TCSBIN): 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ITU TQ.931建议的TCSBinary被指定为蓝牙的二元电话控制协议规范。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。7. 选用协议点对点协议(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)制定的会话层协议它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)电子名片交换格式(vCard)、电子日历及日程交换格式(vCal)都是开放性规范它们都没有定义传输机制而只是定义了数据传输格式。SIG采用vCard/ vCal规范是为了进一步促进个人信息交换无线应用协议(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Linux下Bluetooth协议栈的介绍Linux下开放的蓝牙协议栈主要包括IBM公司的BlueDrekarNokia公司的Affix, Axis公司的OpenBT和官方协议栈BlueZ。我们主要面对Bluez来探讨。BlueZ基础代码均是由Maxim Krasnyansky完成的。包括HCIL2CAPRFCOMM和基本socket的实现。Bluez分2部分实现1.Kernel层实现正如上一篇所谈到的bluetooth协议栈有多层结构最底层的硬件协议在硬件中就已经实现了。软件级别的协议实现从HCI这一层起就可以了。BlueZ对各层协议的实现是依托于Socket的。BlueZ首先创建了一个新的Socket中的协议–PF_BLUETOOTH AF_BLUETOOTH31). 也就是说Socket的第一个参数domain必须是PF_BLUETOOTH 。这也意味着地址类型需要使用Bluetooth所定义的。其实很简单就是在net_families(网络协议列表)中添加了PF_BLUETOOTH这一项。如果对Linux Kernel有了解的话就知道这个注册动作一定在Bluetooth init部分作的。同样各个协议层如HCIL2CAP,HID等都将自己的行为规范添加到PF_BLUETOOTH协议中。2.应用程序层实现虽然Kernel层已经将Bluetooth协议栈完全实现了但如果要使用起来还是非常不方便的。毕竟应用程序与kernel最方便的交流通道就是ioctl().这非常不直观。于是BlueZ又提供了一套API,这个API帮助开发者方便的与Kernel层协议打交道。当然这些API底层的实现其就是是ioctl.HCI层协议概述HCI提供一套统一的方法来访问Bluetooth底层。如图所示从图上可以看出Host Controller Interface(HCI)就是用来沟通Host和Module。Host通常就是PC Module则是以各种物理连接形式USB,serial,pc-card等连接到PC上的bluetooth Dongle。在Host这一端application,SDP,L2cap等协议都是软件形式提出的Bluez中是以kernel层程序)。在Module这一端Link Manager, BB, 等协议都是硬件中firmware提供的。而HCI则比较特殊它一部分在软件中实现用来给上层协议和程序提供访问接口Bluez中,hci.c hci_usb.chci_sock.c等.另一部分也是在Firmware中实现用来将软件部分的指令等用底层协议明白的方式传递给底层。居于PC的上层程序与协议和居于Modules的下层协议之间通过HCI沟通有4种不同形式的传输Commands, Event, ACL Data, SCO/eSCO Data。HCI CommandHCI Command是Host向Modules发送命令的一种方式。HCI Command Packet结构如下OpCode用来唯一标识HCI Command。它由2部分组成10bit的Opcode Command. 6bit的Opcode Group。HCI EventModules向Host发送一些信息使用HCI Event。Event Packet结构如下HCI Event分3种Command complete Event, Command States EventCommand Subsequently Completend.Command complete Event: 如果Host发送的Command可以立刻有结果则会发送此类Event。也就是说如果发送的Command只与本地Modules有关不与remote设备打交道则使用Command complete Event。例如HCI_Read_Buffer_Size.Command States Event如果Host发送的Command不能立刻得知结果则发送此类Event。Host发送的Command执行要与Remote设备打交道则必然无法立刻得知结果所以会发送Command States Event.例如HCI Connect。Command Subsequently Completend:Command延后完成Event。例如连接已建立。如果Host发送的Command是与Remote device有关的则会先发送Command States Event 。等动作真正完成了再发送 Command Subsequently Completend。BlueZ提供的HCI编程接口提供HCI底层标准API和ioctlL2CAP协议简介Logical Link Control and Adaptation Protocol(L2CAP)逻辑连接控制和适配协议 (L2CAP)为上层协议提供面向连接和无连接的数据服务并提供多协议功能和分割重组操作。L2CAP 充许上层协议和应用软件传输和接收最大长度为 64K 的 L2CAP 数据包。**L2CAP基于通道(channel) 的概念。 通道 (Channel) 是位于基带 (baseband) 连接之上的逻辑连接。**每个通道以多对一的方式绑定一个单一协议 (single protocol)。多个通道可以绑定同一个协议但一个通道不可以绑定多个协议。 每个在通道里接收到的 L2CAP 数据包被传到相应的上层协议。 多个通道可共享同一个基带连接。L2CAP处于Bluetooth协议栈的位置如下也就是说所有L2CAP数据均通过HCI传输到Remote Device。且上层协议的数据大都也通过L2CAP来传送。L2CAP也可以发送Command。例如连接断连等等。L2CAP编程方法L2CAP提供标准socket的API来实现。Bluetooth设备的状态之前HCI编程时是用 ioctl(HCIGETDEVINFO)得到某个Device Infohci_dev_info).其中flags当时解释的很简单。其实它存放着Bluetooth Device例如USB Bluetooth Dongle的当前状态其中UP,Down状态表示此Device是否启动起来。可以使用ioctl(HCIDEVUP)等修改这些状态。另外就是Inquiry Scan, PAGE Scan这些状态Inquiry Scan状态表示设备可被inquiry. Page Scan状态表示设备可被连接。#hciconfig hci0 iscan#hciconfig hci0 pscan或者#hciconfig hci0 piscan就可以设置为PSCAN或者iSCAN状态了。编程则可以使用ioctl(HCISETSCAN) . dev_opt SCAN_INQUIRY;dr.dev_opt SCAN_PAGE;dr.dev_opt SCAN_PAGE | SCAN_INQUIRY;则可以inquiry或者connect了。