經(jīng)典藍牙的LMP的工作原理解析

在藍牙協(xié)議中，為了更加靈活以及容易實現(xiàn)多種特性，使用了多協(xié)議，多層級的設計，LMP即link manager protocol（鏈路管理器協(xié)議）就是藍牙協(xié)議中的一個重要組成部分，本文將對經(jīng)典藍牙的LMP進行解析，帶大家一起了解LMP的工作原理。

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什么是LMP？

LMP是 controller中的一層，用于控制和協(xié)商兩個設備之間藍牙連接的所有操作，這包括了邏輯傳輸和邏輯鏈路的建立和控制，以及物理鏈路的控制，比如藍牙連接中進行斷開、設置輸出功率、獲取features等操作。LMP用于兩個設備上的鏈路管理器（LM）之間的通信，為它們提供了鏈路配置、安全管理、服務質(zhì)量管理、錯誤控制與恢復、電源管理、信息交換等功能。

圖1. 藍牙核心系統(tǒng)架構(gòu)

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LMP的特點

所有LMP消息只能作用于發(fā)送和接收設備之間的物理鏈路以及相關(guān)的邏輯鏈路和邏輯傳輸，如當前有兩個連接A和B，那么A上的LMP消息不應當作用于B。LMP消息用于建立鏈路、加密和控制，由兩個設備之間的ACL-C或ASB-C邏輯鏈路傳輸，只由LM解釋和執(zhí)行，不會傳到更高的協(xié)議層。

圖2. LMP層級

LMP的每個PDU（protocol data unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元，數(shù)據(jù)傳送的基本單元）都被分配一個7位或15位的操作碼（opcode），用于唯一標識不同類型的PDU。操作碼的前7位和1位transaction ID位于有效負載主體的第一個字節(jié)中，如果操作碼的前7位是124到127的話，則操作碼的附加字節(jié)位于有效負載的第二個字節(jié)中，包報頭的FLOW位始終為1，并且在接收時應該被忽略。如果PDU包含一個或多個參數(shù)，這些參數(shù)將被放置在操作碼之后緊接著的有效負載中，即如果PDU具有7位操作碼，則在字節(jié)2處，如果有15位操作碼，則在字節(jié)3處，使用的字節(jié)數(shù)取決于參數(shù)的長度，所有參數(shù)都使用小端格式，即先傳輸最低有效字節(jié)。

圖3. LMP PDU結(jié)構(gòu)

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LMP的工作原理

3.1

事務

LMP根據(jù)事務（transaction）進行操作，事務是實現(xiàn)特定目的的一組連續(xù)的消息交換。構(gòu)成同一事物的一部分的所有PDU的事務ID應該具有相同的值，如果事務是由central發(fā)起的，那么事務ID為0，如果是peripheral發(fā)起的，那么事務ID為1。

3.2

響應超時

ACL-C邏輯鏈路上傳輸?shù)腖MP PDU從被接收到回復之間的時間應該小于LMP響應超時時間（30秒），而在ASB-C邏輯鏈路上發(fā)送的LMP消息則不受LMP響應超時的約束。

3.3

錯誤處理

如果LM接收到一個操作碼未知的PDU，它會以包含錯誤碼Unknown LMP PDU(0x19)的LMP_NOT_ACCEPTED或LMP_NOT_ACCEPTED_EXT來響應，如果接收到的是參數(shù)無效的PDU則應以包含錯誤碼Invalid LMP Parameters(0x1E)的LMP_NOT_ACCEPTED或LMP_NOT_ACCEPTED_EXT來響應。如果超過了最大響應時間或者檢測到鏈路丟失，等待響應的一方應當斷定鏈路連接失敗，及時做出處理。如果收到錯誤消息的數(shù)量超過了閾值，則應該斷開連接。

3.4

沖突解決

由于LMP PDU不是及時傳遞的，因此可能會出現(xiàn)沖突的情況，即兩端都啟動了相同的程序，并且都無法完成。在這種情況下，central應該通過發(fā)送帶有錯誤代碼LMP Error Transaction Collision/LL Procedure Collision(0x23)的LMP_NOT_ACCEPTED或LMP_NOT_ACCEPTED_EXT來拒絕peripheral程序的啟動，從而完成central啟動的程序。

兩個LM啟動了不同的程序并且都無法完成的情況下也會產(chǎn)生沖突，這種情況下central應該通過發(fā)送帶有錯誤碼Different Transaction Collision(0x2A)的LMP_NOT_ACCEPTED或LMP_NOT_ACCEPTED_EXT來拒絕peripheral啟動的程序，從而完成central的程序。

3.5

設備特性

設備特性(device features)定義了很多的設備的特性，這些特性是可以用特定的LMP message來獲取的，為了表示和傳輸這些特性，定義了一些bit位來代表它們，當這些bit被置為1時說明該設備支持這個特性，如圖是一些常見的特征。

圖4. 部分設備特征

每個LMP PDU都是強制性或者可選的，一些LMP PDU需要某些特征的支持，LM不得發(fā)送或接收與其對等設備的特征不兼容的任何PDU，LM可以獲取并緩存對等設備的特征掩碼，在連接期間，支持的特征集不應當被修改。

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常用的LMP流程

LMP有很多基本流程，主要有Connection control、Information Requests、Role Switch、Modes of Operation、Logical Transports。每個流程都包含很多子流程，我們這里只簡單列舉幾個常用的進行講解，并使用泰凌微B91開發(fā)板配合抓包器對LMP流程進行深入了解。

圖5. B91開發(fā)板

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連接建立

在page結(jié)束之后，我們使用該流程來建立Host之間的連接，在這個流程中，我們首先可以請求時鐘偏移、LMP版本、支持的特性、名稱以及可能的detach行為。之后如果要建立連接的話，Paging設備就會發(fā)送LMP_HOST_CONNECTION_REQ，對端如果同意建立連接就可以回復LMP_ACCEPTED PDU否則可以回復LMP_NOT_ACCEPTED PDU，如果peripheral需要進行角色切換的話，它會在收到LMP_HOST_CONNECTION_REQ之后發(fā)送LMP_SLOT_OFFSET和LMP_SWITCH_REQ，如果角色切換失敗，LM將繼續(xù)創(chuàng)建連接，除非由于資源有限無法支持，那么應以帶有錯誤碼Remote Device Terminated Connection due to Low Resources（0x14）的 LMP_DETACH PDU來中止連接。當切換成功時，舊的peripheral將回復LMP_ACCEPTED或LMP_NOT_ACCEPTED并且事務ID將會被設為0。

當連接被接收后，設備就可以調(diào)用LMP安全程序(paring,authentication和encryption)，當設備在連接期間不會再啟動任何安全程序時它會發(fā)送LMP_SETUP_COMPLETE PDU。當兩個設備都發(fā)送LMP_SETUP_COMPLETE PDU時表示連接流程完成，數(shù)據(jù)流可以在BR/EDR ACL邏輯傳輸上傳輸。

圖6. 連接建立流程圖

圖7. 抓包器抓到的LMP Connection establishment流程

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連接斷開

central和peripheral隨時都可以使用LMP_DETACH斷開兩者之間的連接，并在消息中包含錯誤碼，以通知對方斷開原因。而在收到LMP_DETACH后是不會用LMP進行回復的，只會回復一個ack并通知Host連接斷開。

圖8. Detach流程圖

圖9. 抓包器抓到的LMP Detach流程

總結(jié)

LMP是藍牙協(xié)議中重要的一環(huán)，用來管理所有的連接，目前泰凌微電子的TLSR951x和TLSR952x系列芯片均基于自研藍牙協(xié)議棧，支持標準LMP所有過程，且支持BR/EDR和LE雙模共存，多鏈路共存等方案，適合用于需求復雜的產(chǎn)品開發(fā)。

審核編輯：彭菁