ble 广播包详解.docx
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ble广播包详解
在使用EN-Dongle捕获和解析广播包之前,我们先了解一下BLE报文的结构,之后,再对捕获的广播包进行分析。
在学习BLE的时候,下面两个文档是极其重要的,这是SIG发布的蓝牙的核心协议和核心协议增补。
∙核心协议Core_v4.2。
∙核心协议增补CSSv6。
虽然这两个文档是蓝牙技术的根本,但是遗憾的是:
通过这两个文档学习蓝牙并不是那么容易的,阅读和理解起来很费力。
尤其是初学者在阅读这两个文档的时候,感觉无从下口。
所以,本文在分析报文的过程中,会明确指出协议文档在什么地方定义了他们,让我们有目的的去查阅协议文档,做到知其然也知其所以然,这样,学习起来就会轻松很多。
1.BLE报文结构
BLE报文结构如下,他由下图所示的各个域组成。
因为有的域的长度超过了一个字节,所以在传输的过程中就涉及到多字节域中哪个字节先传输的问题,BLE报文传输时的字节序和比特序如下:
∙ 字节序:
大多数多字节域是从低字节开始传输的。
注意,并不是所有的多字节域都是从低字节开始传输的。
∙比特序:
各个字节传输时,每个字节都是从低位开始。
图1:
BLE报文结构
1.1前导
前导是一个8比特的交替序列。
他不是01010101就是10101010,取决于接入地址的第一个比特。
∙若接入地址的第一个比特为0:
01010101
∙若接入地址的第一个比特为1:
10101010
接收机可以根据前导的无线信号强度来配置自动增益控制。
1.2 接入地址
接入地址有两种类型:
广播接入地址和数据接入地址。
∙广播接入地址:
固定为0x8E89BED6,在广播、扫描、发起连接时使用。
∙数据接入地址:
随机值,不同的连接有不同的值。
在连接建立之后的两个设备间使用。
对于数据信道,数据接入地址是一个随机值,但需要满足下面几点要求:
1) 数据接入地址不能超过6个连续的“0”或“1”。
2) 数据接入地址的值不能与广播接入地址相同。
3) 数据接入地址的4个字节的值必须互补相同。
4) 数据接入地址不能有超24次的比特翻转(比特0到1或1到0,称为1次比特翻转)。
5) 数据接入地址的最后6个比特需要至少两次的比特翻转。
6) 符合上面条件的有效随机数据接入地址大概有231个。
1.3 报头
1.3.1广播报文报头
报头的内容取决于该报文是广播报文还是数据报文。
广播报文的报头如下图所示:
图2:
广播报文报头
广播报文的报头包含4bit广播报文类型、2bit保留位、1bit发送地址类型和1bit接收地址类型。
1) 广播报文类型
Core_v4.2的2583页描述了广播报文类型,共有7种类型,如下图所示。
图3:
广播报文类型
每种广播报文类型都具有不同的数据格式及行为。
Core_v4.2的2584页的2.3.1节详细的描述了各个广播报文类型,大家可以阅读此章节进一步了解。
2) 发送地址类型和接收地址类型
发送地址类型和接收地址类型指示了设备使用公共地址(PublicAddress)还是随机地址(RandomAddress)。
公共地址和随机地址的长度一样,都包含6个字节共48位。
BLE设备至少要拥有这两种地址类型中的一种,当然也可以同时拥有这两种地址类型。
∙公共地址(PublicAddress)
公共地址由两部分组成,如下图。
公共地址由制造商从IEEE申请,由IEEE注册机构为该制造商分配的机构唯一标识符OUI(OrganizationallyUniqueIdentifier)。
这个地址是独一无二,不能修改的。
Core_v4.2P2576的1.3.1节描述了公共地址。
图4:
公共地址结构
∙随机地址
随机地址有包含两种:
静态地址(StaticDeviceAddress)和私有地址(PrivateDeviceAddress)。
Core_v4.2P2577的1.3.2.1节描述了静态地址。
图5:
静态地址格式
静态地址有如下要求:
a)静态地址的最高2位有效位必须是1。
b) 静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为0。
c) 静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为1。
在私有地址的定义当中,又包含了两个子类:
不可解析私有地址(Non-resolvablePrivateAddress)和可解析私有地址(ResolvablePrivateAddress,RPA)。
nRF51822使用的是静态地址,芯片在出厂时已经设置好了48位地址,我们可以从下面两个寄存器读出地址类型和地址。
a) DEVICEADDRTYPE寄存器。
DEVICEADDR[n]寄存器:
包含DEVICEADDR[0]和DEVICEADDR[1]两个寄存器。
图6:
地址类型寄存器
图7:
地址寄存器
1.4 长度
∙广播报文:
长度域包含6个比特,有效值的范围是6~37。
∙ 数据报文:
长度域包含5个比特,有效值的范围是0~31。
广播报文和和数据报文的长度域有所不同,主要原因是:
广播报文除了最多31个字节的数据之外,还必须要包含6个字节的广播设备地址。
6+31=37,所以需要6比特的长度域。
再次强调:
广播时必须要包含6个字节的广播设备地址。
1.5 数据(AdvData)
广播和扫面响应的数据格式如下图所示,由有效数据部分和无效数据部分组成。
图8:
广播和扫描响应的数据格式
1) 有效数据部分:
包含N个ADStructure,每个ADStructure由Length,ADType和ADData组成。
其中:
∙Length:
ADType和ADData的长度。
∙ADType:
指示ADData数据的含义。
问题来了,我们怎么知道有哪些ADType?
他们又表示什么意义?
可以通过下面2种方式查看ADType和他们表示的意义。
∙从官网查询,但是需要是会员才可以查询。
https:
//www.bluetooth.org/Technical/AssignedNumbers/generic_access_profile.htm
∙查看Nordic的SDK中的定义,ADtype的定义在程序的“ble_gap.h”头文件中。
定义如下:
1#defineBLE_GAP_AD_TYPE_FLAGS0x01/** 1.6 校验
BLE采用的是24位CRC校验。
CRC对报头、长度和数据进行计算。
24位CRC的生成多项式如下:
2. 广播包解析
通过上文的描述,我们对BLE广播包有了大致的了解,接下来我们用EN-Dongle捕获一个心率计的广播包,通过对实际广播包的分析来理解BLE报文结构和广播。
广播包捕获实验的硬件连接如下。
图9:
硬件连接
2.1心率计程序下载
2.1.1 下载协议栈
SoftDevice必须使用nRFgoStudio下载,打开nRFgoStudio,切换到“ProgramSoftDevice”选项卡。
点击“Browse…”按钮打开SoftDevice的HEX文件(位于“…\BLE实验\蓝牙协议栈(SoftDevice)目录下的” s110)。
点击“Program”下载程序。
2.1.1 下载应用程序
应用程序可以用nRFgoStudio下载,也可以在MDK中直接下载调试,在这里我们用nRFgoStudio下载。
切换到“ProgramApplication”选项卡。
点击“Browse…”按钮打开应用程序的HEX文件(位于“…\BLE实验\ble_app_beacon\pca10028\s110\arm5\_build”目录下的 nrf51822_xxaa_s110.hex)。
点击“Program”下载程序。
2.2 捕获广播包
按照《蓝牙4.0BLE抓包
(一)》中的描述进行抓包,下面是我们捕获一个心率计的广播包。
图10:
捕获的心率计广播包
图11:
查看广播包传输的数据
2.3分析广播包
为了方便分析,我们先取出这个广播包实际传输的数据,如图9中所示。
心率计完整的广播报文如下:
D6BE898E 40 21 60BF8AB9CDC5 0B094E6F726469635F48524D 03194103 020106 07030D180F180A18 EFA6F0
2.3.1接入地址
D6BE898E:
接入地址,对广播来说是固定值。
注意一下这里的字节序,接入地址传输时是低字节在前的。
2.3.2PDU
q 40:
广播报文报头。
l bit0~bit3是0000,说明广播类型是ADV_IND,即通用广播指示。
l bit7(RxAdd)是0,bit7(TxAdd)是1,说明使用的是随机地址(randomaddress)。
Core_V4.2P2584的2.3.1有详细的描述。
q 21:
长度,表示这个广播的长度是33个字节。
q 9A3F20FB74C5:
设备地址,这里使用的是随机静态地址。
接下来就是广播包最重要的部分了,称之为AdvData,前面我们说过AdvData是N个ADStructure组层成,每个ADStructure的格式都是Length|ADType|ADData组成。
0B094E6F726469635F48524D 03194103 020106 07030D180F180A18
第一个字节0B表示第一个ADStructure的长度是11个字节,即第一个ADStructure是由0B加上紧跟着0B后面的11个字节组成,因此,第一个ADStructure是:
0B094E6F726469635F48524D
表1:
第1个ADStructure的意义
Length
ADType
ADData
0B
09
4E6F726469635F48524D
11字节
ADtype为“完整的本地名称”
程序中定义的为”Nordic_HRM”对应的十六进制就是4E6F726469635F48524D
第2个ADStructure是:
03194103
表2:
第2个ADStructure的意义
Length
ADType
ADData
03
19
4103
3字节
ADtype为“外观特性”
外观特性是一个16位的数值,由SIG定义,用来列举设备的外观样式,指示设备是普通手机,手环什么的。
第3个ADStructure是:
020106
表3:
第3个ADStructure的意义
Length
ADType
ADData
02
01
06
2字节
ADtype为“Flag”
flag说明了物理连接功能,比如有限发现模式,不支持经典蓝牙等。
l bit0:
LE 有限发现模式。
l bit1:
LE 普通发现模式。
l bit2:
不支持 BR/EDR。
l bit3:
对 SameDeviceCapable(Controller) 同时支持 BLE 和 BR/EDR。
l bit4:
对 SameDeviceCapable(Host) 同时支持 BLE 和 BR/EDR。
bit5..7:
预留。
第4个ADStructure是:
07030D180F180A18
表4:
第4个ADStructure的意义
Length
ADType
ADData
07
03
0D180F180A18
7字节
ADtype为“16bitServiceuuid列表”
该设备支持的完整的16bitServiceuuid列表。
l 180D:
HeartRateserviceUUID(心率服务UUID)
l 180F:
BatteryserviceUUID(电池服务UUID)
l 180A:
DeviceInformationserviceUUID(设备信息服务UUID)
16bit UUID:
128位的UUID相当长,设备间为了识别数据的类型需要发送长达16字节的数据。
为了提高传输效率,蓝牙技术联盟(SIG)定义了一个称为“UUID基数”的128位通用唯一识别码,结合一个较短的16位数使用。
二者仍然遵循通用唯一识别码的分配规则,只不过在设备间传输常用的UUID时,只发送较短的16位版本,接收方收到后补上蓝牙UUID基数即可。
蓝牙UUID基数如下:
00000000–0000–1000–8000–008059B34FB
如要发送的16位UUID为0x2A01,完整的128的UUID便是:
00002A01 –0000–1000–8000–008059B34FB
低功耗蓝牙使用的那部分UUID被分为下列几组:
l 0x1800~0x26FF:
用作服务类通用唯一识别码。
l 0x2700~0x27FF:
用于标识计量单位。
l 0x2800~0x28FF:
用于区分属性类型。
l 0x2900~0x29FF:
用作特性描述。
l 0x2A00~0x7FFF:
用于区分特性类型。
在程序的“ble_srv_common.h”文件中定义了16bitservice UUID,如下,当然也可以在SIG官网上查询:
1#defineBLE_UUID_ALERT_NOTIFICATION_SERVICE0x1811/**