蓝牙基础(八)：蓝牙应用、Profile、协议栈

liwen01 2025.11.09

前言

前面我们介绍的蓝牙核心系统架构、信道、跳频选择算法、状态、角色、地址可靠性和数据处理流程这些，都是比较偏底层的一些知识。

底层协议规范的制定、开发、验证是一项复杂的任务，首先是 要传输比特，然后是数据包，这些数据包可能还需要重复传输。

数据包构成通信流的一部分，通信流可以进行复用和路由。通信流又可以使用不同的封装方式传输不同类型的信息，等等。

底层部分一般都是芯片原厂或是操作系统已经做好了封装，对于做应用开发的同学而言，它们都是透明的。

（一）协议栈

以我们常用的互联网为例，假设你的电脑通过以太网链路（网线/物理层）连接。

在 Windows 系统中，设备驱动程序负责管理这个物理层，并与名为 IP（也是 Windows 系统的一部分）的标准数据包级协议进行交互。

在 IP 协议之上，可以选择更高级别的协议来管理面向连接的链路（TCP）或原始数据包传输（UDP）。

然后，在 TCP 或 UDP 协议之上，标准化的接口（套接字）允许使用任何应用层协议，例如用于网页访问的 HTTP、用于邮件的 SMTP 等等。

如果你断开电脑的以太网连接（网线），它很可能会自动切换到附近的 Wi-Fi 网络。

从应用层来看，这种切换是透明的：除了性能方面会受到影响外，你的网络连接不会受到任何干扰，甚至 Windows 内部的 TCP/IP 层也不知道物理层已经发生了变化。

由于各层之间的接口定义非常明确，底层以太网层只是被对应的 Wi-Fi 层透明地替换掉了。

在这个例子中，HTTP 和 SMTP 帧通过 TCP/IP 协议和物理层发送。这对网络层和物理层来说是完全透明的，它们甚至不需要知道正在使用哪些应用层。

这就是协议栈的魅力所在：每一层都与其他层相互独立。

（二）经典蓝牙协议栈

（1）L2CAP 之下

从底层开始，物理层 (PHY) 负责实际的调制，而基带层和链路管理协议 (LMP) 层则负责所有射频链路管理任务：寻址、数据包帧格式、信道跳频、自动频率选择 (AFH)、同步、网络发现、加密等等。

链路管理层通过名为主机控制接口 (HCI) 的接口连接到逻辑链路控制适配协议层 (L2CAP)。

（2）L2CAP

L2CAP 层有两个重要任务:分段和复用。

分段 意味着它可以接收来自上层的任意大小的消息，并将其分割成与底层兼容的小块。在接收端，它会检查所有数据块是否都已接收，并按顺序重新组装它们。

复用 意味着来自上层的多个数据流可以在同一无线链路上进行复用；来自不同应用层协议的数据包可以合并到同一无线链路上。

（3）L2CAP 之上

在 L2CAP 之上，还有实际的蓝牙经典应用层。顾名思义，服务发现协议 (SDP) 用于发现给定蓝牙设备支持哪些服务。

RFCOMM 是最常用的蓝牙经典应用协议之一，因为它在控制器和遥控器之间提供了一种透明的 UART 连接。

最后，人机接口设备 (HID) 专用于键盘、鼠标和类似设备；PAN 提供网络仿真协议；AVP 支持立体声音频流。

（4）SCO

SCO（Synchronous Connection-Oriented，同步有连接）

如果您再次查看上图，会发现图左侧有一个奇怪的 SCO 音频，它贯穿了所有 LMP、L2CAP 和应用层。

这个 SCO 音频是历史遗留问题：在第一批蓝牙芯片出现时，微控制器是运行频率约为 1MHz 的 8 位 8051。这类处理器无法通过软件处理数字音频。

因此，完整的蓝牙协议栈仅用于建立连接，然后启用一个快速通道（SCO 音频）直接从基带发送或接收数字音频数据包，无需任何软件处理。

这些数据包随后可以通过 DAC 并发送到耳机。即使 32 位处理器不再存在此类限制，出于兼容性考虑，SCO 音频仍然存在。

当您打开蓝牙免提设备或耳机接听电话时，就会用到它。

（5）Profile

在应用层之上，还有所谓的蓝牙应用配置文件（Profile，上图绿色部分）。

应用配置文件本质上是一组指令，用于以特定方式使用给定的协议栈。

例如，基本图像配置文件 (BIP) 允许设备之间发送图像。BIP 规定必须使用 RFCOMM 协议来传输数据流，并具体说明了如何对图像进行编码、如何在需要时调整图像大小、如何通过 RFCOMM 虚拟 UART 发送图像等等。

（6）HSP 与 A2DP

HSP（Headset Profile，耳机协议）；A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，高级音频分发协议）

HSP 使用 SCO 音频，主要用于耳机。它提供双向、全双工的单声道音频通道，但音质只有电话线那么好。

A2DP 提供高质量的立体声音频连接，但只能单向传输。想想你的耳机。它们使用哪种蓝牙协议？这取决于具体情况。

当你听音乐时，它们很可能使用 A2DP。但当你接听电话时，它们就会切换到 HSP。

（三）BLE 蓝牙协议栈

BLE 协议栈与蓝牙经典协议相比较，两者有一些相似之处，但协议栈本身也存在显著差异。

LE 当然也包含 PHY 层和链路层，但它们与蓝牙经典协议有所不同。BLE 的这些底层通过 HCI 与高层进行接口连接，这与金典蓝牙相同。

另一个与金典蓝牙相同的是 L2CAP 。

除此之外，BLE 仅提出了一种应用层协议，称为属性协议（ATT），以及一种配置文件，称为通用属性配置文件（GATT）。

这看起来简单得多，但正如我将要解释的，这只说对了一半。仅用一个配置文件来兼容大量不同类型的设备，意味着该配置文件必须非常灵活。如果您觉得这并非易事，那么您是对的。

最后 BLE 协议栈中的还有两个实体：

• 安全管理器（SM）负责管理链路安全，尽管它与经典蓝牙的管理方式截然不同；
• 通用访问配置文件（GAP）允许用户发现设备及其服务

（四）双模蓝牙协议栈

从一开始，BLE 的开发目标就是实现与传统蓝牙之间的流畅操作。

更确切地说，其目的是为了方便手机制造商：双模传统蓝牙/BLE 芯片的成本不应高于标准蓝牙芯片。

此外，手机必须能够同时连接传统蓝牙设备（例如耳机）和 BLE 设备。

如何实现这一点？ 关键在于两个协议栈都使用相同的 HCI 协议和相同的 L2CAP 层。

在 HCI 层之下，双模芯片需要支持两个物理层和基带层。

BLE 和蓝牙经典版的物理层和基带层并不完全相同，但它们有很多相似之处，可以共享大部分硬件。特别是，设计射频部分以实现双模兼容性非常容易。

由于 HCI 接口相同，这款双模蓝牙芯片可以通过单条链路（例如 USB）连接到主机处理器。该链路只需支持 BLE 和经典蓝牙的不同 HCI 命令集即可。

L2CAP 对这两个协议栈都是通用的。

事实上，L2CAP 已经为蓝牙经典协议提供了不同协议之间的复用服务。

在双模系统中，L2CAP 的作用就是复用蓝牙经典协议和 BLE 协议：来自蓝牙经典设备的帧会被转发到相应的蓝牙经典协议层，而来自 BLE 设备的帧则会被转发到 ATT 或 SM 层。

结尾

本文内容截取于 Robert Lacoste 的《No Blues with Bluetooth! Part 2》。主要简介了蓝牙的应用、Profile 和协议栈。

下一篇我们将详细介绍蓝牙串口、文件传输与通话控制。

如需了解蓝牙底层工作原理，可查看该系列之前文章：

蓝牙基础(一)：蓝牙协议栈与硬件架构方案

蓝牙基础(二)：蓝牙核心系统架构

蓝牙基础(三)：蓝牙信道、跳频与选择算法

蓝牙基础(四)：蓝牙状态、角色、地址与网络结构

蓝牙基础(五)：蓝牙数据安全、可靠性、组成与处理流程

蓝牙基础(六)：蓝牙传输层 HCI 工作原理

蓝牙基础(七)：蓝牙协议栈的多路复用与数据调度中心 —— L2CAP（蓝牙逻辑链路控制与适配协议）

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