BLE 广播基础概述

前言

本文主要讲述BLE链路层交互的空中包相关概念

BLE的协议栈架构层级划分简述如下：

层级	功能	示例
物理层（PHY）	负责无线信号的调制/解调，工作在 2.4GHz ISM 频段（40个信道：37 data, 3 advertising）	GFSK 调制，1Mbps（BLE 5.0 支持2Mbps）
链路层（Link Layer）	管理广播、扫描、连接建立和数据传输	处理 ADV_IND 或 CONNECT_REQ
主机控制接口层（HCI）	定义主机（Host）与控制器（Controller）间的通信协议（如指令、事件、数据流）	通过 UART/USB 传输 HCI 命令包
逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）	提供数据分片、重组和多路复用，管理协议通道	将 ATT 数据分片为适合链路层的包
安全管理层（SM）	处理配对、加密和密钥分发，保障通信安全	使用 AES-CCM 加密链路数据
属性协议层（ATT）	定义设备间数据访问的协议（读/写/通知），基于客户端-服务器模型	读取设备的电量值（0x180F 服务）
通用属性配置文件（GATT）	在 ATT 基础上组织数据为服务（Service）、特征（Characteristic）等结构	心率服务（0x180D）包含测量特征
通用访问配置文件（GAP）	管理设备可见性、连接模式和安全性（角色：广播者、观察者、外围/中心设备）	设置设备为可连接模式

蓝牙设备间的通信，归根到底都是基于空中数据包的交互，本文主要讲述BLE空中包，以及涉及到空中包的相关知识、应用、场景。

BLE空中包基础

BLE链路层（Link Layer）只定义了一种空中包格式：Preamble（前导帧）| Access Address | PDU（protocol data unit，协议数据单元） | CRC（cyclic redundancy check，循环冗余校验）

ATT、GATT、GAP层 都是基于数据信道包的payload的概念

Preamble（前导帧）:0x55或者0xAA

Access Address

Access Address用来标示接收者ID或者空中包身份，根据Access Address的不同，区分两种Packet类型：广播包和数据包

• 广播包Access Address 固定为0x8E89BED6
• 数据包，是数据信道空中包的简称，数据包只在数据信道上传输，即除37/38/39之外的其余37信道（Bluetooth LE总共占用40个信道）。

PDU

PDU（protocol data unit，协议数据单元）前两个字节固定为LL header（1个字节长）和payload length（1个字节长，又称data length）

PDU进一步为：LL Header | Payload Length | Payload

PDU 是 BLE 协议栈链路层的核心概念，定义了设备间数据交换的基本格式。无论是广播还是连接状态下的通信，都依赖于特定类型的 PDU 来完成任务。

BLE广播包

广播包，全名蓝牙广播通道（channel）空中包，即在蓝牙广播通道上传输的空中包，为两种空中包的一种。

对于广播包，PDU段的格式为：LL Header（1 Byte） | Payload Length（1 Byte） | Payload（6-37 Bytes）

PDU段的LL Header，即Advertising Header，其8个bit定义如下所示：

• Bit0：接收地址类型
• Bit1：发送地址类型
• Bit2-3：保留
• Bit4-7：广播报文类型，具体定义如下：

  类型	包	用法
  0000	ADV_IND	可连接非定向广播
  0001	ADV_DIRECT_IND	可连接定向广播
  0010	ADV_NONCONN_IND	不可连接非定向广播
  0011	SCAN_REQ	扫描者需要获得更多信息的扫描请求
  0100	SCAN_RSP	响应来自扫描者的扫描请求
  0101	CONNECT_REQ	发起者的连接请求
  0110	ADV_SCAN_IND	可扫描、不可连接的无定向广播
  xxxx		保留

Payload Length： 广播报文规范的长度范围是6-37字节

Payload：

• Device Address：蓝牙MAC地址（6 Bytes）是强制的
• 对于ADV_IND、SCAN_RSP两种类型的广播包，Advertising data的最大值为37 - 6 = 31字节，这就是广播包数据最长只能为31个字节的由来
• ADV_DIRECT_IND 直连广播包净荷格式由6字节的广播设备地址和6字节的目标设备地址组成
• SCAN_REQ 扫描请求包净荷格式由6字节的扫描设备地址和6字节的广播设备地址组成。远程发起连接的设备，搜索到周围正在广播的设备后，一般会发送扫描请求。

  对于一个可连接非定向广播而言，主机设备仅通过广播能够获取到其的数据长度为被动接收的ADV_IND：31个字节 + 主动扫描的回复包SCAN_RSP：31个字节 = 62个字节

广播包数据（Advertising data）

广播包的数据由多个 AD Structure 组成，每个结构包含3个字段：

• 应用数据的结构格式：AD Structure 1 | AD Structure 2 | ... | AD Structure N
• AD structure的格式为：Length（1 Byte） | Type（1 Byte） | Data
• Length（1字节）：表示Type和Data的长度
• Type（1字节）：数据类型标识，表示Data的用途。0x02表示不完整的16位服务UUID（示例值：0x180A），0x09表示设备完整名称，0x0A表示发射功率等级，0x19表示设备外观，0xFF表示自定义数据（可以私有定义）等等，具体定义见如下：
• 特别地说明，广播名称属于type:0x09，可以选择放置在ADV_IND（主动广播包），或者ADV_RSP（扫描响应包），由于Length和Type各占用了一个字节，那么BLE广播名称的最大有效长度为31 - 2 = 29个字节。

  /*eir packet_type*/
  typedef enum {
      HCI_EIR_DATATYPE_FLAGS =                                                 0x01,
      HCI_EIR_DATATYPE_MORE_16BIT_SERVICE_UUIDS =                              0x02,
      HCI_EIR_DATATYPE_COMPLETE_16BIT_SERVICE_UUIDS =                          0x03,
      HCI_EIR_DATATYPE_MORE_32BIT_SERVICE_UUIDS =                              0x04,
      HCI_EIR_DATATYPE_COMPLETE_32BIT_SERVICE_UUIDS =                          0x05,
      HCI_EIR_DATATYPE_MORE_128BIT_SERVICE_UUIDS =                             0x06,
      HCI_EIR_DATATYPE_COMPLETE_128BIT_SERVICE_UUIDS =                         0x07,
      HCI_EIR_DATATYPE_SHORTENED_LOCAL_NAME =                                  0x08,
      HCI_EIR_DATATYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME =                                   0x09,
      HCI_EIR_DATATYPE_TX_POWER_LEVEL =                                        0x0A,
      HCI_EIR_DATATYPE_CLASS_OF_DEVICE =                                       0x0D,
      HCI_EIR_DATATYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C =                                 0x0E,
      HCI_EIR_DATATYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R =                           0x0F,
      HCI_EIR_DATATYPE_SECURITY_MANAGER_TK_VALUE =                             0x10,
      HCI_EIR_DATATYPE_SECURITY_MANAGER_OOB_FLAGS =                            0x11,
      HCI_EIR_DATATYPE_SLAVE_CONNECTION_INTERVAL_RANGE =                       0x12,
      HCI_EIR_DATATYPE_16BIT_SERVICE_SOLICITATION_UUIDS =                      0x14,
      HCI_EIR_DATATYPE_128BIT_SERVICE_SOLICITATION_UUIDS =                     0x15,
      HCI_EIR_DATATYPE_SERVICE_DATA =                                          0x16,
      HCI_EIR_DATATYPE_APPEARANCE_DATA =                                       0x19,
      HCI_EIR_DATATYPE_ADVERTISING_INTERVAL =                                  0X1A,
      HCI_EIR_DATATYPE_LE_BLUETOOTH_DEVICE_ADDRESS =                           0X1B,
      HCI_EIR_DATATYPE_LE_ROLE =                                               0X1C,
      HCI_EIR_DATATYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C256 =                              0X1D,
      HCI_EIR_DATATYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R256 =                        0X1E,
      HCI_EIR_DATATYPE_LIST_OF_32BIT_SERVICE_SOLICITATION_UUIDS =              0X1F,
      HCI_EIR_DATATYPE_SERVICE_DATA_32BIT_UUID =                               0X20,
      HCI_EIR_DATATYPE_SERVICE_DATA_128BIT_UUID =                              0X21,
      HCI_EIR_DATATYPE_LE_SECURE_CONNECTIONS_CONFIRMATION_VALUE =              0X22,
      HCI_EIR_DATATYPE_LE_SECURE_CONNECTIONS_RANDOM_VALUE =                    0X23,
      HCI_EIR_DATATYPE_URI =                                                   0X24,
      HCI_EIR_DATATYPE_INDOOR_POSITIONING =                                    0X25,
      HCI_EIR_DATATYPE_TRANSPORT_DISCOVERY_DATA =                              0X26,
      HCI_EIR_DATATYPE_LE_SUPPORTED_FEATURES =                                 0X27,
      HCI_EIR_DATATYPE_CHANNEL_MAP_UPDATE_INDICATION =                         0X28,
      HCI_EIR_DATATYPE_BIGINFO =                                               0X2C,
      HCI_EIR_DATATYPE_BROADCAST_CODE =                                        0X2D,
      HCI_EIR_DATATYPE_RESOLVABLE_SET_IDENTIFIER =                             0X2E,
      HCI_EIR_DATATYPE_ADVERTISING_INTERVAL_LONG =                             0X2F,
      HCI_EIR_DATATYPE_BROADCAST_NAME =                                        0X30,
      HCI_EIR_DATATYPE_3D_INFORMATION_DATA =                                   0X3D,
      HCI_EIR_DATATYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC_DATA =                            0xFF
  } HCI_EIR_datatype_t;

广播信道空中包类型及应用

定向与非定向广播的区别与联系、应用

定向广播 的 Payload 中包含两个地址：

• 广播设备地址（6字节）
• 目标设备地址（6字节）

连接与非连接广播的区别与联系、应用

物理信道

BLE信道：40个，其中3个为广播信道，其余37个为连接信道

信标是什么

实际应用案例设计讲解

定向连接广播应用

一个Server设备如果已经与主机设备配对连接过，那么如果想要实现后续回连，只能这个主机去单独连接。避免其它设备点击误连接。 则可以设置定向广播，首次没有连接过时，设置为非定向广播。有连接记录后，记录目标设备的MAC地址，下次连接时，设置定向广播，指定目标MAC地址。

• 从而限制仅目标设备可以连接此个广播。

比如音箱与手环，如果是非定向广播，那么任何主机设备都能点击连接到广播，就会导致有时候想点击连接时，被其它设备占用了连接。

多个广播、多主机连接应用

ble5.0 扩展广播同时支持多个广播，如何配置呢？
需要注意 多个广播和多主机连接的区别与应用

Server（从机）广播参数设置

主动广播包（Advertising Packet）扫描响应包（Scan Response Packet）

两种广播包，主动广播包和响应包，各31个字节，共62字节
adv packet：放置其它字段
adv resonse：可以只用来放置名称

代码应用示例（以杰理方案为例）

/*!
 *  \brief      配置广播参数.
 *  \param      [in] adv_interval     广播周期,Range: 0x0020 to 0x4000 (unit: 0.625ms).
 *  \param      [in] adv_type         广播类型,Range: 0x00 to 0x04.
 *  \param      [in] adv_channel      广播类型通道,range:Range: 0x01 to 0x07.
 *  \note       !!!注意：设置的时候必现在广播关闭的状态下.
 */
#define ble_op_set_adv_param(adv_interval,adv_type,adv_channel)     \
	ble_user_cmd_prepare(BLE_CMD_ADV_PARAM, 3, (int)adv_interval, (int)adv_type, (int)adv_channel)

/*************************************************************************************************/
/*!
 *  \brief      配置广播参数+配对信息(相比配对广播参数,这个函数主要是针对定向广播使用).
 *  \param      [in] adv_interval     广播周期,Range: 0x0020 to 0x4000 (unit: 0.625ms).
 *  \param      [in] adv_type         广播类型,Range: 0x00 to 0x04.
 *  \param      [in] adv_channel      广播类型通道,range:Range: 0x01 to 0x07.
 *  \param      [in] peer_info        (全局变量地址),定向广播时，填入对方的地址信息.
 */
#define ble_op_set_adv_param_ext(adv_interval,adv_type,adv_channel,peer_info)     \
	ble_user_cmd_prepare(BLE_CMD_ADV_PARAM_EXT, 4, (int)adv_interval, (int)adv_type, (int)adv_channel, (void*)peer_info)
#define ble_op_set_adv_data(adv_len,adv_data)     \
	ble_user_cmd_prepare(BLE_CMD_ADV_DATA, 2, (int)adv_len, (void*)adv_data)
#define ble_op_set_rsp_data(rsp_len,rsp_data)     \
	ble_user_cmd_prepare(BLE_CMD_RSP_DATA, 2, (int)rsp_len, (void*)rsp_data)

static void advertisements_setup_init()
{
    uint8_t adv_type = ADV_IND; // 广播类型
    uint8_t adv_channel = ADV_CHANNEL_ALL;  // 37 38 39
    int   ret = 0;

    ble_op_set_adv_param(ADV_INTERVAL_MIN, adv_type, adv_channel);

    ret |= make_set_adv_data();
    ret |= make_set_rsp_data();

    if (ret) {
        puts("advertisements_setup_init fail !!!!!!\n");
        return;
    }
}

思考与拓展

BLE的加密、配对是怎样的？LTK是什么？一般不都是直接点击就连接成功了吗？

BLE 支持配对（Pairing）和绑定（Bonding）。配对、绑定是 BLE 安全机制的一部分，位于 GAP 和 SM 层，不属于 GATT 层。

配对绑定流程简述
连接建立
发起配对请求（Pairing Request）
交换 IO 能力（Display Only / Keyboard Only / No Input No Output 等）
计算 TK、LTK、CSRK
设备确认（MITM Protection）
绑定信息保存到 Flash/NVS
完成：进入 BONDED 状态

密钥类型 描述
LTK（Long Term Key） 加密通信使用的主密钥
IRK（Identity Resolving Key） 解析私有地址（Private Address）
CSRK（Connection Signature Resolving Key） 数据签名验证
EDIV & RAND 用于 LTK 再生

可以通过按键确认绑定配对。
绑定 启用 bond = 1 并保存密钥
用户确认 按钮触发配对响应
下次连接 自动恢复加密状态，无需重新配对

情况一：只连接不配对
可以读写 GATT 特性
但不能访问受保护的特性（如带加密要求的服务）
安全等级较低，适合调试
✅ 情况二：配对但不绑定
当前连接可以加密通信
下次连接仍需重新配对
✅ 情况三：配对并绑定
第一次连接后保存密钥
下次连接可直接恢复加密通道（无需重新配对）

不是说广播一包最大255个字节吗？为什么又说广播包数据最多只能放31个字节？

空中包的数据包类型的有效载荷最大296字节？

BLE名称通常放在哪个广播包？可以分散放在不同包中吗？为什么？

可以放在ADV_IND，也可以放在ADV_RSP，但只能放在一个广播包中
说明名称的长度最大29个字节

广播参数有哪些？连接参数有哪些？有什么区别与联系？

slot是什么

手机扫描周围的广播时，会向所有发现的广播发送扫描请求吗？这个发送过程是怎样的？

是向周围广播 扫描请求 包吗？

BLE 4.x 和 BLE 5.x 有什么区别？在空中包上的体现有哪些？

信道上的区别
4.x 默认信道 37 38 39

从蓝牙5.0开始广播包可以在其它信道上传输

格式的兼容性

BLE连接后，通信所在的信道会动态变化吗？

LE-Audio走的是广播信道包？还是数据信道包？

BIS走广播信道？CIS走走数据信道？

BIS的接收过程是怎样的？
CIS的连接过程是怎样的？

特征服务可以放到广播包里面吗？跟一般的放在数据信道包有什么区别？

可连接、不可连接、定向、非定向的广播包有什么区别？优劣对比？应用场景分别是？

如何区分BLE连接与非连接情况下的通信？

在数据信道上通信，就是连接状态？
在广播信道上通信，就是非连接状态？

广播信道空中包的间隔有什么要求？一般是多少？设置不同的间隔有什么影响？与数据信道空中包的间隔设计有什么差异？

当广播包（ADV_IND）和扫描响应包（SCAN_RSP）​同时包含0x09类型（设备名称）字段且名称内容不同，主机端扫描显示名称结果是怎样的？

取决于主机端的软件设计逻辑

扫描结果的可能表现
​​（1）优先显示扫描响应包（SCAN_RSP）的名称
​原因：扫描设备（如手机）在主动发送SCAN_REQ后，SCAN_RSP被视为对广播数据的补充，部分系统会优先使用SCAN_RSP中的名称覆盖ADV_IND的名称。
​示例：
若ADV_IND中设备名为”Device_A”，SCAN_RSP中为”Device_B”，最终显示为”Device_B”。
例如在Nordic SDK中，SCAN_RSP的配置会覆盖ADV_IND的同类型字段。
​​（2）合并显示或冲突处理
​合并逻辑：某些设备可能将两个名称拼接（如”Device_A_Device_B”），但此行为不符合蓝牙规范。
​冲突处理：若名称字段重复且内容不一致，部分系统可能触发错误日志或直接忽略其中一个字段。
​​（3）仅显示首次接收的名称
​无主动扫描时：若扫描设备未主动发送SCAN_REQ（如仅被动监听），则只显示ADV_IND中的名称。
​主动扫描时：若设备同时接收两个包，可能优先显示SCAN_RSP的最新数据

参考站点

• 从0开始学习BLE：广播包
• LE Audio 蓝牙协议规范–物理信道及PDU
• 低功耗蓝牙(BLE) - 广播（实例说明）