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什么是通信協(xié)議？

隨著時(shí)間的推移，計(jì)算已經(jīng)從獨(dú)立系統(tǒng)發(fā)展為連接形成網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算機(jī)（圖 1）。

 圖 1. 局域網(wǎng) (LAN) 中連接的計(jì)算機(jī)的簡(jiǎn)化圖。

通信網(wǎng)絡(luò)支持共享計(jì)算，許多用戶或終端可以訪問(wèn)同一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在特定場(chǎng)景下，共享計(jì)算可以讓一個(gè)中央系統(tǒng)處理首當(dāng)其沖的工作，并將其結(jié)果分發(fā)給缺乏該能力的多個(gè)用戶。

通信網(wǎng)絡(luò)也用于分散計(jì)算，其中許多計(jì)算機(jī)可以作為對(duì)等點(diǎn)一起工作。這些網(wǎng)絡(luò)有助于將數(shù)據(jù)從一個(gè)點(diǎn)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)點(diǎn)。

需要注意的重要一點(diǎn)是，為了使網(wǎng)絡(luò)中的不同設(shè)備能夠有效地通信或共享數(shù)據(jù)，它們必須使用共同的語(yǔ)言。這就是通信協(xié)議發(fā)揮作用的地方。 

圖 2.協(xié)議的概念視圖，它是一種允許不同設(shè)備進(jìn)行通信的通用語(yǔ)言。

通信協(xié)議是嚴(yán)格定義交換信息的設(shè)備的硬件和軟件應(yīng)如何執(zhí)行每個(gè)通信功能的規(guī)則手冊(cè)。

在通信協(xié)議（又名規(guī)則手冊(cè)）中，您會(huì)找到以下內(nèi)容的規(guī)則：

• 設(shè)備應(yīng)如何識(shí)別自己 
• 他們應(yīng)該如何建立、維護(hù)和結(jié)束連接
• 他們可以發(fā)送什么樣的數(shù)據(jù)，以及他們應(yīng)該如何格式化它 
• 他們?nèi)绾未_保數(shù)據(jù)被兩端正確接收和理解
• 設(shè)備應(yīng)該使用什么調(diào)制和通道
• 設(shè)備應(yīng)該使用什么錯(cuò)誤編碼技術(shù)
• 應(yīng)如何保護(hù)交換的信息

通信協(xié)議基于多種因素，包括要交換的信息的特征、通信媒介以及將使用它的設(shè)備的功能。

從協(xié)議到標(biāo)準(zhǔn)

通信協(xié)議可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程成為標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)是商定或廣泛采用的協(xié)議，無(wú)論制造商如何，都必須遵守。它們?cè)试S生產(chǎn)相關(guān)產(chǎn)品的不同公司遵守相同的協(xié)議，因此它們的設(shè)備可以進(jìn)行通信。

這就是為什么您可以將一家公司的藍(lán)牙耳機(jī)連接到另一家公司的手機(jī)的原因。這些產(chǎn)品的制造商雖然不同，但都遵循標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，在本例中為藍(lán)牙。

除了藍(lán)牙之外，還有一些其他流行的通信標(biāo)準(zhǔn)：

• 以太網(wǎng)
• 傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議 (TCP/IP)
• Wi-Fi
• LoRa
• 低功耗藍(lán)牙（BLE）

接下來(lái)我們談?wù)凚LE。

什么是低功耗藍(lán)牙？

藍(lán)牙的核心是一種使用無(wú)線電波作為通信媒介的短距離連接技術(shù)。該技術(shù)的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范稱為Bluetooth Classic。它的主要設(shè)計(jì)目的是取代線纜并在手機(jī)和其他便攜式設(shè)備之間提供無(wú)線連接。

BLE 作為藍(lán)牙 4.0 規(guī)范的一部分于 2010 年推出，針對(duì)超低功耗應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。由于在超低功耗應(yīng)用中的使用，BLE 服務(wù)于需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)功能的電池供電設(shè)備市場(chǎng)。在BLE 出現(xiàn)之前，這些類型的設(shè)備很難支持互連，因?yàn)樗鼈兿牧颂嚯姵仉娏俊?/span>

下面，我們將介紹BLE的一些優(yōu)化功能，以實(shí)現(xiàn)超低功耗目標(biāo)。

低功耗藍(lán)牙省電功能

1. BLE的無(wú)線傳輸 

啟用BLE 的設(shè)備的無(wú)線傳輸僅在必要時(shí)喚醒以節(jié)省電量。當(dāng)設(shè)備想要發(fā)送或收聽(tīng)數(shù)據(jù)時(shí)，LE radio會(huì)打開(kāi)以快速執(zhí)行必要的任務(wù)，然后斷開(kāi)連接。LE radio的這種操作不同于藍(lán)牙經(jīng)典radio，后者的無(wú)線傳輸大部分時(shí)間都處于打開(kāi)狀態(tài)，并且連接會(huì)保持?jǐn)?shù)小時(shí)或數(shù)天。 

由于 LE radio是間斷連接的，所以它適用于設(shè)備不時(shí)發(fā)送小數(shù)據(jù)包的應(yīng)用，范圍從每秒一次到每隔幾天一次。例如，健身追蹤器中的心率監(jiān)測(cè)器可以收集所有心率數(shù)據(jù)，并每小時(shí)將其發(fā)送到您的智能手機(jī)一次。或者溫度傳感器，如果溫度非常高或非常低，它才會(huì)被觸發(fā)以發(fā)送溫度讀數(shù)。

2. LE 的無(wú)線連接時(shí)間更短

由于可用于連接的 RF 通道數(shù)量減少，Bluetooth LE 消耗的能量更少，從而導(dǎo)致更快的連接速度和更少的掃描時(shí)間。Bluetooth Classic 有 32 個(gè) RF 通道，可用于在設(shè)備之間建立連接，而 Bluetooth LE 只有三個(gè)。

此外，想要被發(fā)現(xiàn)的 BLE 設(shè)備會(huì)在 RF37、RF38 和 RF39 通道（稱為主要廣告通道）上發(fā)送信號(hào)。

當(dāng)一個(gè)設(shè)備想要找到其他設(shè)備時(shí)，它會(huì)在主要廣播通道上偵聽(tīng)廣播數(shù)據(jù)包。由于只有三個(gè)主要廣播頻道，LE 無(wú)線不必掃描那么多頻道，醒著的時(shí)間也更少，因此使用的能量更少。

3. LE 無(wú)線傳輸使用更小的數(shù)據(jù)包 

Bluetooth LE 數(shù)據(jù)包比 Bluetooth Classic 數(shù)據(jù)包小得多。較小的數(shù)據(jù)包大小在編碼和解碼時(shí)需要較少的計(jì)算開(kāi)銷。這也降低了功耗。

4. 電池放電是脈沖式的

電池的特性之一是它的放電方式會(huì)影響其容量。電池容量是在特定條件下可以從電池中提取的能量。電池的恒定電流放電會(huì)縮短其壽命。另一方面，脈沖放電（其中放電之間有空閑時(shí)間）有助于使電池盡可能接近其標(biāo)稱容量。這被稱為電池恢復(fù)效應(yīng)。

Bluetooth LE 利用了這種恢復(fù)效應(yīng)。使用 BLE 的數(shù)據(jù)傳輸是在周期性的短突發(fā)中完成的，隨后是空閑周期。在這些閑置期間，電池可以恢復(fù)，這有助于延長(zhǎng)電池的使用壽命。

5. 低功耗藍(lán)牙協(xié)議是一種非對(duì)稱設(shè)計(jì)

LE 協(xié)議使用非對(duì)稱設(shè)計(jì)來(lái)向想要連接的設(shè)備發(fā)布任務(wù)。資源最受限的設(shè)備做的工作最少。對(duì)于要連接的設(shè)備，一個(gè)必須扮演中心角色，另一個(gè)扮演外圍角色。中央設(shè)備通常具有更強(qiáng)的處理能力和電池電量，如智能手機(jī)。另一方面，外圍設(shè)備通常是處理能力較低且能源資源有限的設(shè)備，如健身追蹤器、心率監(jiān)測(cè)器等。 

低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧

協(xié)議棧（或協(xié)議套件或協(xié)議體系結(jié)構(gòu)）是一組或一組子協(xié)議，它們協(xié)同工作以實(shí)現(xiàn)連接在網(wǎng)絡(luò)中的兩臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)之間的完整通信。協(xié)議棧中的每個(gè)子協(xié)議稱為一個(gè)層或級(jí)別。Bluetooth LE 協(xié)議棧使用分而治之的方法。這意味著整體通信任務(wù)在層之間進(jìn)行了劃分，每個(gè)協(xié)議層負(fù)責(zé)特定的通信功能。

圖 3 顯示了一個(gè)LE協(xié)議棧及其協(xié)議層的例子。

圖 3.低功耗藍(lán)牙堆棧。圖片由Bluetooth SIG提供

表 1 總結(jié)了 LE 協(xié)議棧各層的主要功能。

BLE 設(shè)備通信的兩種主要方式

支持 BLE 的設(shè)備可以通過(guò)以下兩種方式之一進(jìn)行通信：

1.無(wú)連接通信：它將其數(shù)據(jù)廣播到任何監(jiān)聽(tīng)設(shè)備

2.面向連接的通信：它與另一個(gè)設(shè)備形成專用連接，并使用客戶端-服務(wù)器機(jī)制與其進(jìn)行通信

圖 4 顯示了這兩種通信方式的概覽。

圖 4. BLE 設(shè)備通信的不同方式。圖片由瑞薩電子提供

無(wú)連接通信

想要參與無(wú)連接通信的 LE 設(shè)備被賦予 GAP 層定義的兩個(gè)角色。一臺(tái)設(shè)備必須是廣播者，另一臺(tái)設(shè)備必須是監(jiān)聽(tīng)者。

設(shè)備的 GAP 角色控制著設(shè)備的鏈路層，而鏈路層又控制著設(shè)備的 LE 無(wú)線電。 

• 第 1 步：廣播設(shè)備指示其鏈路層成為廣播發(fā)出者。作為控制 LE 無(wú)線電從待機(jī)或空閑狀態(tài)移動(dòng)到廣播狀態(tài)，反之亦然。
• 第 2 步：當(dāng) LE 無(wú)線電處于廣播狀態(tài)時(shí)，（鏈路層）可以在三個(gè)專用廣告通道 RF37、RF38 和 RF39 上發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包。廣播數(shù)據(jù)包可以包含廣播設(shè)備的名稱和地址等數(shù)據(jù)。 
• 第 3 步：另一方面，監(jiān)聽(tīng)者指示其鏈路層成為掃描器。作為掃描器的鏈路層控制 LE 無(wú)線電從待機(jī)狀態(tài)（空閑）移動(dòng)到掃描狀態(tài)，反之亦然。
• 第 4 步：當(dāng) LE 無(wú)線電處于掃描狀態(tài)時(shí)，掃描器調(diào)入并收聽(tīng)主要廣播頻道（RF37、RF38 和 RF39）上的數(shù)據(jù)。

例如，圖 5 中的圖像顯示我的手機(jī)作為監(jiān)聽(tīng)者拾取了兩個(gè)廣播信標(biāo)的數(shù)據(jù)包：

圖 5.拾取設(shè)備。

BLE 中無(wú)連接通信的常見(jiàn)應(yīng)用包括信標(biāo)和廣播其讀數(shù)的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器。

面向連接的通信

在面向連接的通信中，您必須清楚兩個(gè)主要概念：設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)備之間的客戶端-服務(wù)器關(guān)系。

設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接設(shè)置

需要注意的一點(diǎn)是BLE中稱為配置文件的任何內(nèi)容都可以針對(duì)特定用例控制和協(xié)調(diào)堆棧的其他層。在這方面，GAP控制鏈路層和PHY層（LE無(wú)線電）應(yīng)如何運(yùn)行，以便BLE設(shè)備發(fā)現(xiàn)和建立連接。

想要參與面向連接的通信的 LE 設(shè)備被賦予由 GAP 層定義的兩個(gè)角色。一個(gè)設(shè)備必須是中央設(shè)備，另一個(gè)設(shè)備必須是外圍設(shè)備。。

• 第 1 步：外圍設(shè)備的廣播指示 LE 無(wú)線電在廣播信道上廣播數(shù)據(jù)包，并監(jiān)聽(tīng)來(lái)自中央設(shè)備的連接請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。
• 第 2 步：當(dāng)中央設(shè)備要連接到外圍設(shè)備時(shí)，它首先使用其鏈路層作為掃描器。掃描儀將使用 LE 無(wú)線電收聽(tīng)廣播數(shù)據(jù)包。 
• 第 3 步：當(dāng)中央設(shè)備識(shí)別出它希望連接的設(shè)備時(shí)，鏈路層將 LE 無(wú)線電從廣播狀態(tài)切換到啟動(dòng)狀態(tài)。

• 第 4步：在初始狀態(tài)下，LE無(wú)線電向外圍設(shè)備發(fā)送連接請(qǐng)求數(shù)據(jù)包。如果外圍設(shè)備接受連接請(qǐng)求，則連接建立。

客戶端-服務(wù)器關(guān)系

連接設(shè)置完成后，通用屬性配置文件執(zhí)行三個(gè)主要功能：它使用 ATT 協(xié)議來(lái)構(gòu)建將要交換的數(shù)據(jù)。它定義了一個(gè)包含服務(wù)和特性的層次結(jié)構(gòu)，以文件文件夾的方式排列數(shù)據(jù)。這種安排數(shù)據(jù)的方式使其易于存儲(chǔ)和訪問(wèn)。

它還定義了連接設(shè)備交互方式的客戶端-服務(wù)器關(guān)系。GATT 為連接的設(shè)備定義了兩個(gè)角色：一個(gè)設(shè)備將是客戶端，另一個(gè)將是服務(wù)器。 

• 服務(wù)器：充當(dāng)容納數(shù)據(jù)變量的數(shù)據(jù)庫(kù)。服務(wù)器使用 ATT 協(xié)議的屬性數(shù)據(jù)類型存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。服務(wù)器上的數(shù)據(jù)按照 GATT 的定義分層組織。可以根據(jù)訪問(wèn)權(quán)限訪問(wèn)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。一些數(shù)據(jù)既可讀又可寫。有些可能只是可讀的。

• 客戶端：連接到服務(wù)器后，客戶端通常會(huì)請(qǐng)求訪問(wèn)存儲(chǔ)在服務(wù)器上的數(shù)據(jù)（屬性）。客戶端可以根據(jù)訪問(wèn)權(quán)限讀取和/或?qū)懭敕?wù)器的屬性。

BLE 設(shè)備面向連接的應(yīng)用示例：

帶有傳感器的睡眠追蹤器可以檢測(cè)我們睡覺(jué)時(shí)發(fā)生的生理變化。跟蹤器連接到您的智能手機(jī)以共享讀數(shù)。跟蹤器充當(dāng)服務(wù)器。智能手機(jī)作為客戶端，讀取存儲(chǔ)在跟蹤器中的數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙 SIG（特別興趣小組）

什么是藍(lán)牙 SIG？Bluetooth SIG 是一個(gè)獨(dú)立的非盈利組織，負(fù)責(zé)定義藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)。Bluetooth SIG 不是公司或合作。它不制造或銷售藍(lán)牙產(chǎn)品。

相反，它有四個(gè)主要職責(zé)。這些都是：

• 發(fā)布藍(lán)牙規(guī)范
• 保護(hù)藍(lán)牙商標(biāo)
• 在產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)之前提供資格認(rèn)證計(jì)劃

• 推廣藍(lán)牙技術(shù) 

Bluetooth SIG 于 1998 年成立，當(dāng)時(shí)只有五個(gè)創(chuàng)始成。它們是愛(ài)立信、英特爾、IBM、諾基亞和東芝。多年來(lái)，Bluetooth SIG 組織已發(fā)展到擁有超過(guò) 16,000 家成員公司。

Bluetooth SIG 為希望加入的公司提供兩個(gè)會(huì)員級(jí)別，即采用者會(huì)員級(jí)別和準(zhǔn)會(huì)員級(jí)別（表 2）。

表 2.  Bluetooth SIG 成員詳細(xì)信息。

最后，Bluetooth SIG 擁有 7 家擁有發(fā)起人級(jí)別會(huì)員資格的成員公司。其中包括所有創(chuàng)始公司，以及蘋果和微軟。

高效協(xié)議和企業(yè)協(xié)作

在我們?nèi)找婊ヂ?lián)的世界中，低功耗藍(lán)牙已成為重要的通信超低功耗應(yīng)用。正如我們所見(jiàn)，它需要高效的協(xié)議設(shè)計(jì)和公司之間的協(xié)作，才能使BLE 或任何通信標(biāo)準(zhǔn)真正產(chǎn)生重大的市場(chǎng)影響。