經(jīng)典藍牙協(xié)議PAN詳解

藍牙 Profile定義了藍牙設(shè)備之間如何進行通信以及實現(xiàn)特定的功能和應(yīng)用場景。正是由于各種Profile的存在拓展出了藍牙豐富的應(yīng)用場景，例如A2DP、HFP、HID等。PAN Profile便提供了藍牙設(shè)備接入以太網(wǎng)絡(luò)的能力。

PAN（Personal Area Networking）Profile即個人局域網(wǎng)協(xié)議。它描述了兩臺或多臺支持藍牙的設(shè)備如何組成一個自組網(wǎng)絡(luò)，以及如何使用相同的機制通過網(wǎng)絡(luò)接入點訪問遠程網(wǎng)絡(luò)。PAN Profile中主要包含的角色是網(wǎng)絡(luò)接入點（Network Access Point）、組自組網(wǎng)絡(luò)（Group Ad-hoc Network）和個人局域網(wǎng)用戶（Personal Area Network User）。網(wǎng)絡(luò)接入點可以是傳統(tǒng)的局域網(wǎng)數(shù)據(jù)接入點，而組自組織網(wǎng)絡(luò)則代表一組只相互連接的設(shè)備，個人局域網(wǎng)用戶代表通過PAN協(xié)議上網(wǎng)的用戶。本文將基于泰凌 BTBLE Dual Mode SDK以個人局域網(wǎng)用戶（PANU）的角度講述PAN在經(jīng)典藍牙協(xié)議棧中的層級結(jié)構(gòu)、SDP服務(wù)發(fā)現(xiàn)、BNEP數(shù)據(jù)交互、PAN Profile連接以及通過HTTP訪問網(wǎng)頁并獲取網(wǎng)頁數(shù)據(jù)的流程。

BNEP（Bluetooth Network Encapsulation Protocol）即藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝協(xié)議規(guī)范。它描述了PAN 使用的協(xié)議，定義了藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝的數(shù)據(jù)包格式，用于在藍牙媒體上傳輸常用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝支持與 IEEE 802.3/以太網(wǎng)封裝相同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包包含在藍牙網(wǎng)絡(luò)封裝數(shù)據(jù)包中，直接通過藍牙L2CAP協(xié)議傳輸。簡而言之PAN負責(zé)處理收/發(fā)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，BNEP負責(zé)將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)封裝上藍牙協(xié)議的包頭。

1層級結(jié)構(gòu)

類似A2DP和AVDTP，PAN是建立在BNEP之上的，而BNEP又直接建立在L2CAP上。從NAP發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)經(jīng)過PANU端的Baseband再到L2CAP經(jīng)過BENP解析最終到達PANU。

BNEP協(xié)議棧層級

PANU和NAP實體之間的協(xié)議交互

2SDP服務(wù)發(fā)現(xiàn)

為了確保PAN能正常連接，需要在手機上打開藍牙網(wǎng)絡(luò)共享功能。Android和iOS操作系統(tǒng)的開啟路徑分別如下圖所示（不同Android機型略有差異）：

Android 藍牙共享網(wǎng)絡(luò)開啟路徑

iOS藍牙共享網(wǎng)絡(luò)開啟路徑

在SDP服務(wù)發(fā)現(xiàn)階段手機會主動查詢我們可用的服務(wù)并作出響應(yīng)，下圖為PANU角色時手機查詢到的服務(wù)信息。

分配給PAN Profile的Record Handle為0x0010001a，service class ID表明當(dāng)前角色是PANU，BNEP對應(yīng)的PSM為0x000F，當(dāng)前BNEP協(xié)議版本為v1.0，支持的以太網(wǎng)絡(luò)類型有IPv4（0x0800）和ARP（0x0806）。在Profile描述列表中表明PAN當(dāng)前版本為v1.0，服務(wù)名稱為Personal Ad-hoc User Service，對該服務(wù)的描述為泰凌。

PANU 服務(wù)查詢表

3BNEP數(shù)據(jù)交互

BNEP建立在L2CAP之上，因此需要根據(jù)BNEP的PSM在L2CAP上創(chuàng)建對應(yīng)的通道。根據(jù)BNEP Specification規(guī)定，BNEP對應(yīng)的PSM為0x000F（SDP就是根據(jù)PSM來識別是哪一個Profile），BNEP的MTU SIZE最小值為1691。在L2CACP_CONFIGURATION階段如果MTU SIZE小于1691則會導(dǎo)致通道創(chuàng)建失敗。

創(chuàng)建L2CAP通道

BNEP主要有五種類型的數(shù)據(jù)包，分別是BNEP_GENERAL_ETHERNET、BNEP_CONTROL、BNEP_COMPRESSED_ETHERNET、BNEP_COMPRESSED_ETHERNET_SOURCE_ONLY、BNEP_COMPRESSED_ETHERNET_DEST_ONLY。BNEP_CONTROL提供了兩臺藍牙設(shè)備PANU與NAP之間交換控制信息的能力，其中包括發(fā)起B(yǎng)NEP連接請求/響應(yīng)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)類型過濾器、設(shè)置MAC/網(wǎng)卡地址過濾器和響應(yīng)未知控制命令的能力。除BNEP_CONTROL之外的其他四種數(shù)據(jù)包都用于兩臺藍牙設(shè)備之間傳輸網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

BNEP_GENERAL_ETHERNET：該類型數(shù)據(jù)包的包頭中會攜帶自身藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址以及對端藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，這種包適合在多連接情況下進行數(shù)據(jù)交互。

BNEP_COMPRESSED_ETHERNET：該類型數(shù)據(jù)包省略了對端和自身的藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，這種包適合在一對一連接情況下PANU與PANU之間數(shù)據(jù)交互。

BNEP_COMPRESSED_ETHERNET_DEST_ONLY：該類型數(shù)據(jù)包的包頭中僅攜帶對端的網(wǎng)絡(luò)包類型和對端的藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，省略了自身的藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，這種包適合在一對多連接情況下進行數(shù)據(jù)交互。

BNEP_COMPRESSED_ETHERNET_SOURCE_ONLY：該類型數(shù)據(jù)包的包頭中僅攜帶自身的藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，省略了對端的藍牙MAC地址/IP網(wǎng)卡地址，這種包適合在一對多連接情況下進行數(shù)據(jù)交互。

任意一端發(fā)起B(yǎng)NEP連接時需要發(fā)送BNEP_SETUP_CONNECTION_REQUEST_MSG，對端藍牙設(shè)備在接收到該CONTROL包時需要回復(fù)BNEP_SETUP_CONNECTION_RESPONSE_MSG，若Response Message字段的值為0x0000( Operation Successful)則表示BNEP連接成功。

BNEP的連接與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包交互

BNEP成功連接后隨即會收到來自手機的網(wǎng)絡(luò)包，主要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議包有IPv4、IPv6、ARP。至此PAN Profile建立成功，接下來需要結(jié)合TCP/IP協(xié)議棧（lwIP、uIP）去解析/封裝網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

4uIP協(xié)議棧與網(wǎng)絡(luò)幀收發(fā)邏輯

uIP協(xié)議棧（Micro IP）是一個相較于lwIP更加輕量級的嵌入式TCP/IP協(xié)議棧，特別適用于低內(nèi)存、低帶寬的嵌入式設(shè)備。我們將uIP協(xié)議棧與BTBLE Dual Mode SDK做了適配，通過軟件的方式使用兩組環(huán)形隊列模擬了uIP協(xié)議中所需要的網(wǎng)卡驅(qū)動設(shè)備。

uIP協(xié)議棧封包格式

uip_buf用于保存接收和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。接收的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)都應(yīng)該放入該緩沖區(qū)。

在接收到手機的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時會把BNEP格式的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)包按照uIP協(xié)議棧的包格式組包好后拷貝到模擬網(wǎng)卡RX FIFO（sTlkTapDevRxFifo）環(huán)形隊列中。main_loop將接收到的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)包從模擬網(wǎng)卡RX FIFO環(huán)形隊列中取出并拷貝到uip_buffer中。

在發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)時將uip_buffer中的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)包拷貝到模擬網(wǎng)卡TX FIFO（sTlkTapDevTxFifo）環(huán)形隊列中。main_loop將需要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)包從模擬網(wǎng)卡TX FIFO環(huán)形隊列中取出并將包格式從uIP協(xié)議棧的包格式包轉(zhuǎn)換成BNEP格式的網(wǎng)絡(luò)幀數(shù)據(jù)包，然后調(diào)用BNEP發(fā)送函數(shù)將網(wǎng)絡(luò)包數(shù)據(jù)發(fā)送給對端藍牙設(shè)備。

當(dāng)BNEP連接完成后會先進行DHCP_DISCOVER、DHCP_OFFER、DHCP_REQUEST、DHCP_ACK四階段交互，完成手機分配IP地址給PANU。

DHCP IP地址分配

ARP階段完成網(wǎng)卡地址和IP地址的轉(zhuǎn)換與綁定，設(shè)備可以直接通過IP地址向?qū)Χ税l(fā)送數(shù)據(jù)。

ARP網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換

接下來以訪問https://zongxiaodong.cn/image_test/images為例，下載該網(wǎng)站中名為1.png的圖片。在DNS解析階段會將zongxiaodong.cn轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的IP地址60.205.46.170。

uIP DNS域名解析

緊接著將1.png下載到本地。uIP web client用例主要是實現(xiàn)接入互聯(lián)網(wǎng)的功能，并通過HTTP協(xié)議訪問指定的網(wǎng)站。其功能主要包括建立網(wǎng)絡(luò)連接，構(gòu)建HTTP請求，發(fā)送HTTP請求，接受HTTP響應(yīng)，解析HTTP響應(yīng)。如圖示，等待網(wǎng)站響應(yīng)后1.png的圖片數(shù)據(jù)就通過網(wǎng)絡(luò)下載到PANU本地了。

HTTP訪問網(wǎng)站并下載圖片數(shù)據(jù)

5結(jié)束語

泰凌 BTBLE Dual Mode SDK集成了PAN網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能，這使得采用泰凌TLSR951x/952x藍牙芯片的模塊和產(chǎn)品能夠通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，輕松連接至支持NAP藍牙網(wǎng)絡(luò)熱點的智能手機等主設(shè)備。這種連接提供了網(wǎng)絡(luò)訪問和數(shù)據(jù)下載服務(wù)，而且整個過程無需在手機上安裝任何APP，極大地簡化了設(shè)備間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)共享過程。

泰凌TLSR951x是一款高性能的藍牙雙模SoC，它巧妙地將經(jīng)典藍牙與低功耗藍牙技術(shù)集成在單一芯片之中。這款芯片搭載了一個32位RISC-V MCU，具備強大的內(nèi)核功能和一系列先進的外設(shè)模塊，為高端耳戴式和可穿戴設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計和開發(fā)提供了堅實的基礎(chǔ)。其多級電源管理設(shè)計使得TLSR951x在實現(xiàn)超低功耗運行的同時，也滿足了對功耗極為敏感的應(yīng)用需求，而高集成度則進一步幫助客戶優(yōu)化了系統(tǒng)總成本。

而TLSR952x則是泰凌微電子推出的一款集成了先進音頻子系統(tǒng)的SoC，它包含了FastDSP單元、帶加速器的音頻編解碼器和電源管理單元，特別適合于ANC（主動降噪）和ENC（環(huán)境降噪）等高端音頻應(yīng)用。TLSR952x全面支持藍牙5.3標(biāo)準(zhǔn)，包括基本速率（BR）、增強數(shù)據(jù)速率（EDR）、低功耗（LE）、藍牙低功耗 Mesh以及2.4 GHz專有標(biāo)準(zhǔn)，將無線音頻設(shè)備所需的所有特性和功能集于一身，為客戶提供了一個全面而高效的音頻解決方案。