提到家庭和工業(yè)自動化、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、可穿戴設(shè)備、人機接口設(shè)備(HID)眾多應(yīng)用的無線連接協(xié)議時，藍牙一定是首選。為滿足各種應(yīng)用的需求，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)對藍牙規(guī)格進行了持續(xù)改進。發(fā)布4.1版大約一年后， SIG在2014年12月藍牙發(fā)布了藍牙規(guī)范4.2版。新的4.2主要包括三項更新 - 低功耗(LE)數(shù)據(jù)長度擴展(DLE)、鏈路層(LL)隱私保護以及安全性加強。這些功能提高了BLE數(shù)據(jù)帶寬、隱私保護和安全性，同時還有助于降低功耗。本系列文章將詳細討論這些功能以及它們?nèi)绾斡绊懴到y(tǒng)性能。

藍牙低功耗(BLE)協(xié)議?？梢苑殖扇齻€部分：

控制器：協(xié)議棧控制器對數(shù)據(jù)包進行了加密，轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)送。在接收時，控制器將對無線信號解碼，并重構(gòu)數(shù)據(jù)包。

主機：主機由管理兩個或多個設(shè)備相互通信的各種協(xié)議和配置文件(安全管理器、屬性協(xié)議等)組成。

應(yīng)用：可使主機和控制器實現(xiàn)一個特定功能的用例。

鏈路層(LL)

藍牙4.2的大部分新功能都集中在鏈路層周圍。鏈路層在建立可靠物理鏈路和功能中扮演著非常重要的角色，有助于提高BLE協(xié)議穩(wěn)健性和能效。鏈路層功能包括廣播、掃描、創(chuàng)建和維護連接以建立物理鏈路。在鏈路層上定義了兩個角色：主設(shè)備和從設(shè)備。

數(shù)據(jù)長度擴展(DLE)

數(shù)據(jù)長度擴展能夠使兩個BLE設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸更快。為了了解DLE功能，請先讓我們來看看鏈路層上的BLE數(shù)據(jù)包。下圖所示為藍牙4.0/4.1的鏈路層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

如果我們仔細觀察各數(shù)據(jù)包的開銷，將發(fā)現(xiàn)存在1個字節(jié)的前導(dǎo)、4個字節(jié)的訪問地址、2個字節(jié)的數(shù)據(jù)頭、3個字節(jié)的循環(huán)冗余檢查(CRC)和一個可選的4個字節(jié)的消息完整性檢查(MIC)。當使用加密時，消息完整性檢查(MIC)將與有效負載一起發(fā)送。因此，每個包含27個字節(jié)數(shù)據(jù)的加密鏈路層數(shù)據(jù)均含有14個字節(jié)的開銷。現(xiàn)在，讓我們來看看藍牙4.2定義的鏈路層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)。

相較于舊版本藍牙規(guī)范的27字節(jié)，藍牙4.2中的有效負載量可達到251個字節(jié)。每個數(shù)據(jù)包開銷仍然保持不變，即14個字節(jié)。然而，該開銷現(xiàn)已與多達251個字節(jié)相關(guān)聯(lián)，而不是27個字節(jié)。這種最小有效負載的變化提高了吞吐量并減少了處理時間。

圖4所示為當數(shù)據(jù)需要通過藍牙4.1和藍牙4.2從一個設(shè)備傳輸至另一個設(shè)備時的吞吐量。

在上圖中，數(shù)據(jù)包時間的計算方法如下：

數(shù)據(jù)包時間= 8 *(前導(dǎo)字節(jié)的數(shù)量+訪問地址字節(jié)的數(shù)量+頭字節(jié)的數(shù)量+有效負載字節(jié)的數(shù)量+ MIC字節(jié)的數(shù)量+ CRC字節(jié)的數(shù)量)/數(shù)據(jù)速率 秒

對于接收數(shù)據(jù)包，不存在有效負載和MIC字節(jié)。因此，接收數(shù)據(jù)包時間為：

發(fā)送數(shù)據(jù)包時間= 8 *(1 + 4 + 2 + 3)/ 106 秒

=80微秒

含27個字節(jié)的有效負載的發(fā)送數(shù)據(jù)包時間為：

發(fā)送數(shù)據(jù)包時間= 8 *(1 + 4 + 2 + 27 + 4 + 3)/ 106秒

=328微秒

同樣，251個字節(jié)的有效負載的發(fā)送數(shù)據(jù)包時間為2120微秒。

另外，如上圖所示，隨著各發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包，存在兩個相關(guān)的幀間間隔(T_IFS)，一個為發(fā)送期間，一個為接收期間。如果某個事務(wù)的幀數(shù)量增加，則該事務(wù)的耗時也將成比例地增加。當數(shù)據(jù)長度功能被啟用時，相較于藍牙4.1，藍牙4.2在一個幀內(nèi)打包了更多數(shù)據(jù)，從而減少了每次事務(wù)處理的總時間，并增加了吞吐量(其中，吞吐量 =有效負載尺寸/總時間)。

如上圖所示，對于藍牙4.1鏈路層，最大有效負載尺寸為27個字節(jié)(216比特)以及該交易的總時間為708微秒，意味著約 298 kbps的理論吞吐量。

而對于4.2鏈路層，最大有效負載尺寸為251個字節(jié)(2008比特)以及總時間為2500微秒，意味著約 784 kbps的理論吞吐量。因此，相較于藍牙4.1，藍牙4.2提供了大約2.6倍的更高吞吐量。

BLE 4.2允許主設(shè)備和從設(shè)備之間協(xié)商數(shù)據(jù)長度，還允許不對稱的發(fā)送和接收有效負載量。有效地利用該功能以及選擇合適的接收/發(fā)送數(shù)據(jù)長度對于實現(xiàn)最大吞吐量具有十分重要的意義。

讓我們考慮這樣一個應(yīng)用：BLE從設(shè)備需要將幾千字節(jié)傳輸至主設(shè)備、從主設(shè)備接收空包并且連接間隔為8.75毫秒。假設(shè)在以下設(shè)置中協(xié)商數(shù)據(jù)長度(從設(shè)備)：

情景1 – 發(fā)送 - 251個字節(jié)，接收 - 251字節(jié)

情景2 – 發(fā)送 - 251個字節(jié)，接收 - 27字節(jié)

在情景1中，如圖5所示，在第一次接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包時，接收有效負載尺寸為0字節(jié)以及發(fā)送有效負載尺寸為251個字節(jié)，耗時2.5毫秒(包括幀間間隔)。第二次接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包也是一樣的。這兩個接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包共耗時5毫秒，在此連接間隔內(nèi)剩下3.85毫秒。在理想情況下，應(yīng)該在同一連接間隔內(nèi)存在另一個接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包。但是，主設(shè)備的調(diào)度器不會在此連接間隔內(nèi)安排另一個接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包。這是因為調(diào)度器會基于協(xié)商的數(shù)據(jù)長度(本案例中發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)長度均為251)來檢查發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包是否具有足夠的時間。如圖所示，含有接收和發(fā)送有效負載量為251字節(jié)的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包需要4.54毫秒。然而，前兩個數(shù)據(jù)包之后的可用時間為3.85毫秒，這導(dǎo)致在本連接間隔內(nèi)僅2個發(fā)送數(shù)據(jù)包。

在情景2中，在該連接間隔內(nèi)，調(diào)度器僅需要2.64毫秒就可調(diào)度一個數(shù)據(jù)包，因此在8.75毫秒的連接間隔內(nèi)可以容納第三個數(shù)據(jù)包，如圖6所示。如圖所示，相對于案例1，本案例將提供高于50%的吞吐量。

盡管PDU尺寸的選擇會影響吞吐量，但還存在對其產(chǎn)生影響的其他因素，比如，連接間隔和最大傳輸單元(MTU)。

數(shù)據(jù)長度的擴展可通過任何連接設(shè)備的控制器來觸發(fā)。如果兩個設(shè)備都支持數(shù)據(jù)長度的擴展功能，則該設(shè)備可發(fā)送一個獲取更新數(shù)據(jù)長度的請求，而其他設(shè)備將通過其自己的參數(shù)來做出響應(yīng)。圖7所示為協(xié)商進程。

如果一臺不支持數(shù)據(jù)長度擴展功能的設(shè)備接收到數(shù)據(jù)長度的更新請求時，將會返回一個未知的回復(fù)。該回復(fù)將通知發(fā)起請求的設(shè)備另一臺設(shè)備不支持DLE，該設(shè)備將繼續(xù)傳輸符合藍牙4.1 PDU尺寸的數(shù)據(jù)。也就是說，數(shù)據(jù)長度擴展支持向下兼容。

數(shù)據(jù)長度擴展在提高吞吐量的同時，也通過減少射頻活動時間從而有助于降低功耗。這是因為在藍牙4.2中，如果數(shù)據(jù)尺寸大于27字節(jié)，所需的接收/發(fā)送數(shù)據(jù)包更少、射頻活動的時間更短)。比如說，需要傳輸 135個字節(jié)，BLE4.1設(shè)備在連接時需要5個發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包來傳輸數(shù)據(jù);然而BLE4.2設(shè)備在傳輸相同數(shù)量的數(shù)據(jù)時只需一個發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包。在無線應(yīng)用中，射頻通信消耗了大多數(shù)的系統(tǒng)電力。使用DLE，射頻通信活動時間減少，可以顯著延長電池壽命。

在本系列文章的第一部分，我們討論了藍牙低功耗(BLE)4.2的數(shù)據(jù)長度擴展(DLE)和低功耗。在本文中，我們將討論藍牙低功耗的隱私保護功能、藍牙4.2的新增功能以及為何這些變化能夠使BLE設(shè)備更加保護隱私和節(jié)能。

隱私保護是BLE設(shè)備防止被不受信任的設(shè)備追蹤的能力。BLE設(shè)備在廣播數(shù)據(jù)包內(nèi)使用48比特地址，如果該地址被其他設(shè)備解碼了，那么根據(jù)這個地址就可以跟蹤該BLE設(shè)備的移動。為了保護BLE設(shè)備的隱私，受信任的BLE設(shè)備將使用共享密鑰“身份解析密鑰”(Identity Resolving Key, IRK)的共享密鑰。兩個具有此共享密鑰的BLE設(shè)備可以相互識別。一臺BLE設(shè)備先利用該共享密鑰生成一個隨機的“可解析私有地址”發(fā)送出來，另一臺設(shè)備則采用同一密鑰來解析該私有地址。

藍牙設(shè)備地址

藍牙設(shè)備使用48比特的設(shè)備地址。設(shè)備地址被分類為：

• 公有設(shè)備地址

• 隨機設(shè)備地址

1. 公有設(shè)備地址：公有設(shè)備地址由每臺設(shè)備的公司ID和公司分配ID組成，遵循IEEE 802-2001標準。公司ID和公司分配ID值均為24比特，構(gòu)成總數(shù)為48比特的地址，如圖1所示。

圖1：公有設(shè)備地址

2. 隨機設(shè)備地址：顧名思義，隨機設(shè)備地址是隨機生成的地址。隨機設(shè)備地址分為兩種類型：

• 靜態(tài)隨機地址

• 私有隨機地址

2.1 靜態(tài)隨機地址：靜態(tài)隨機地址可以是出廠前在設(shè)備上預(yù)先設(shè)定好的，也可以在每次開關(guān)機循環(huán)后更改一個新值。然而，只有設(shè)備經(jīng)過一次完整的開關(guān)機循環(huán)后才可以更改此地址。如果在運行期間更改了該地址，存儲在對端設(shè)備中的地址將失效，并且將不可再使用舊地址進行重新連接。靜態(tài)隨機地址有以下要求：

• 兩個最高有效位恒為1

• 所有隨機位數(shù)值都不能為0

• 所有隨機位數(shù)值都不能為1

圖2：靜態(tài)隨機地址

私有隨機地址分兩種類型 - 不可解析私有地址和可解析私有地址。

2.1.1不可解析的私有地址：不可解析的私有地址隨機生成，并且每次連接都會發(fā)生變化。不可解析的私有地址有以下要求：

• 兩個最高有效位恒為0

• 所有隨機位數(shù)值都不能為0

• 所有隨機位數(shù)值都不能為1

該地址不能和靜態(tài)地址或公有地址相同。

2.1.2可解析私有地址(RPA)

可解析私有地址(RPA)是BLE設(shè)備隱私保護的重要支柱。RPA是指使用隨機數(shù)字和身份解析密鑰(IRK)所生成的地址。兩個設(shè)備在配對期間共享IRK，其存儲在設(shè)備的內(nèi)置存儲器中。兩臺配對設(shè)備除了共享IRK之外，還共享一個稱為身份地址的固定地址。該身份地址可以是公有的或是隨機的靜態(tài)地址類型。因較早進行綁定的設(shè)備存有IRK和身份地址，因此能夠解析配對設(shè)備的私有地址。圖3所示為可解析私有地址的格式。

在RPA中，24比特的Hash是IRK和prand的函數(shù)。Prand是24比特的數(shù)字，它包含22個隨機位數(shù)值以及2個固定的最高有效位數(shù)值;如圖3所示。

圖3：可解析私有地址

可解析私有地址的生成：可解析私有地址是與IRK和prand共同生成的。

Prand是隨機生成的，有以下要求：

• prand的兩個最高有效位數(shù)值應(yīng)等于2b01

• prand的所有位元數(shù)值都不能為0

• prand的所有位元數(shù)值都不能為1

地址中的Hash部分則是利用prand和設(shè)備的128位IRK傳遞到加密函數(shù)“e”生成。此加密函數(shù)的輸出截斷為24個最低有效位數(shù)值，就是Hash數(shù)值。

Hash=e(IRK，prand *)，截斷為24位

*為了使prand的長度與IRK相同，prand增加了104位數(shù)值為0的空白位，確保原有的最低有效位保持不變。

24比特prand和24比特Hash組合生成隨機地址。

可解析私有地址的解析： B設(shè)備如果具有A設(shè)備的IRK，則可以解析該A設(shè)備的可解析私有地址?？山馕鏊接械刂酚?4位的prand和24位的Hash。B設(shè)備通過A設(shè)備的prand和IRK來解析地址。當B設(shè)備接收到A設(shè)備的可解析私有地址后，會從該地址提取出Hash和prand，利用其生成本地Hash值。本地Hash的生成方式與在地址生成期間的方式完全相同。

本地Hash= e(A設(shè)備IRK、prand)，截斷為24位

如果B設(shè)備生成的本地Hash值與從地址中提取的A設(shè)備 Hash值匹配，則該地址被成功解析。如果B設(shè)備有一個以上對端的IRK，則該設(shè)備將為每個存儲的IRK重復(fù)這一步驟，以確定接收到的可解析私有地址是否與存儲的某一個IRK相關(guān)，直到IRK中某一個地址匹配成功或者所有地址匹配結(jié)束。

B設(shè)備在配對過程中收到對端設(shè)備的IRK和身份地址后，會將其與本地IRK一起存儲在待解析列表中，用于將來解析私有地址。

在藍牙4.1中，該解析列表保存在主機上，由主機完成地址解析，這意味著在每次收到附有可解析私有地址的廣播包時，都需要主機參與解析地址。但在藍牙4.2中，該解析列表保存在控制器中，由控制器解析私有地址，無需主機干預(yù);而如果主機使用單獨的CPU控制，則意味著不需要喚醒設(shè)備中的主機，從而降低了整體功耗。即使對于使用相同的CPU執(zhí)行控制器和主機的設(shè)備，因為地址不再需要通過不同的協(xié)議層，也可以通過減少解析地址所需的CPU循環(huán)次數(shù)而降低功耗。此外，在沒有主機參與的情況下，地址在鏈路層解析，可提供更快的連接。當在鏈路層完成地址解析時，Privacy 1.2也被稱為鏈路層(LL)隱私。

可解析私有地址(RPA)超時

隨機私有地址每隔一段時間自動更新，進一步降低了設(shè)備被跟蹤的可能性。該時間間隔由主機設(shè)置，為RPA超時設(shè)置計時。當計時過期時，IRK和新的prand將會生成新的RPA。對于Privacy 1.1，RPA的超時時間固定為15分鐘。藍牙4.2中的Privacy 1.2將最小RPA超時時間減少為1秒，而最大超時時間可以為11.5小時。藍牙4.2中RPA不斷變化，私有設(shè)備難以被跟蹤，從而提高了隱私性。

雖然藍牙4.1和更舊的版本支持可解析私有地址，但由于對連接時間的影響和功耗的影響限制了可用性。在使用RPA時，不能在Privacy1.1中使用諸如設(shè)備過濾和定向連接廣播這樣的功能。

設(shè)備過濾

設(shè)備過濾是指減少其需要響應(yīng)的同類設(shè)備數(shù)量，有助于減少功耗。設(shè)備在過濾功能啟用時需要響應(yīng)的那些同類設(shè)備地址和地址類型，存儲在白名單中。該白名單由主機配置并保持在鏈路層。配置完成后，鏈路層用其來過濾對等設(shè)備。由于在藍牙4.1中使用RPA時地址只能由主機解析，因此鏈路層不能過濾該設(shè)備。因此，對于藍牙4.1，當使用RPA時不支持設(shè)備過濾。由于設(shè)備需響應(yīng)每個對端設(shè)備，因此增加了私有藍牙4.1設(shè)備的功耗。

在藍牙4.2中，由于地址解析在鏈路層完成，即使使用RPA仍然可以過濾設(shè)備?，F(xiàn)在，不在白名單上的設(shè)備不需要主機干預(yù)，因此降低了功耗。

定向連接廣播

該定向連接廣播PDU包含傳播器的RPA，也包括想要連接至的設(shè)備RPA。這使得兩個設(shè)備之間的連接變得更快。此外，輔助設(shè)備不需要與不打算連接的對等設(shè)備共享設(shè)備的具體詳細信息。當基于藍牙4.1的中央設(shè)備使用具備過濾隱私功能的設(shè)備時，定向連接廣播不可用，因為其不能在鏈路層解析地址。然而，藍牙4.2支持在鏈路層解析地址，因此支持定向廣播連接。藍牙4.2包括附加掃描過濾器政策設(shè)置，允許帶可解析私有地址的定向廣播。在輔助設(shè)備采用定向連接廣播之前，必須檢查對等設(shè)備的中央地址解析特性。中央地址解析特性告知設(shè)備對等設(shè)備是否支持地址解析。

綜上所述，使用可解析私有地址時，BLE設(shè)備很難被追蹤到;而RPA頻繁變換且使用定向廣播，則使得跟蹤私有藍牙4.2設(shè)備變得更加困難。在鏈路層的地址解析能夠加速連接且降低功耗。此外，在藍牙4.2中采用RPA時能夠進行設(shè)備過濾，與使用藍牙4.1或更舊版本的設(shè)備相比，可提高私有設(shè)備的功耗利用效率。