使用BLE 4.2的系统设计：更快、更安全、更节能

1、【Word版本下载可任意编辑】 使用BLE 4.2的系统设计：更快、更安全、更节能 提到家庭和工业自动化、物联网(IoT)、可穿戴设备、人机接口设备(HID)众多应用的无线连接协议时，蓝牙一定是。为满足各种应用的需求，蓝牙技术联盟(SIG)对蓝牙规格开展了持续改良。发布4.1版大约一年后， SIG在20*年12月蓝牙发布了蓝牙规范4.2版。新的4.2主要包括三项更新 - 低功耗(LE)数据长度扩展(DLE)、链路层(LL)隐私保护以及安全性加强。这些功能提高了BLE数据带宽、隐私保护和安全性，同时还有助于降低功耗。本系列文章将详细讨论这些功能以及它们如何影响系统性能。 蓝牙低功耗(BLE)协议

2、栈可以分成三个部分： 控制器：协议栈控制器对数据包开展了加密，转换为无线信号发送。在接收时，控制器将对无线信号解码，并重构数据包。 主机：主机由管理两个或多个设备相互通信的各种协议和配置文件(安全管理器、属性协议等)组成。 应用：可使主机和控制器实现一个特定功能的用例。 链路层(LL) 蓝牙4.2的大部分新功能都集中在链路层周围。链路层在建立可靠物理链路和功能中扮演着非常重要的角色，有助于提高BLE协议稳健性和能效。链路层功能包括广播、扫描、创立和维护连接以建立物理链路。在链路层上定义了两个角色：主设备和从设备。 数据长度扩展(DLE) 数据长度扩展能够使两个BLE设备之间的数据传输更快。为了

3、了解DLE功能，请先让我们来看看链路层上的BLE数据包。下列图所示为蓝牙4.0/4.1的链路层数据包构造。 如果我们仔细观察各数据包的开销，将发现存在1个字节的前导、4个字节的访问地址、2个字节的数据头、3个字节的循环冗余检查(CRC)和一个可选的4个字节的消息完整性检查(MIC)。当使用加密时，消息完整性检查(MIC)将与有效负载一起发送。因此，每个包含27个字节数据的加密链路层数据均含有14个字节的开销。现在，让我们来看看蓝牙4.2定义的链路层数据包构造。 相较于旧版本蓝牙规范的27字节，蓝牙4.2中的有效负载量可到达251个字节。每个数据包开销仍然保持不变，即14个字节。然而，该开销现已

4、与多达251个字节相关联，而不是27个字节。这种有效负载的变化提高了吞吐量并减少了处理时间。 图4所示为当数据需要通过蓝牙4.1和蓝牙4.2从一个设备传输至另一个设备时的吞吐量。 在上图中，数据包时间的计算方法如下： 数据包时间= 8 *(前导字节的数量+访问地址字节的数量+头字节的数量+有效负载字节的数量+ MIC字节的数量+ CRC字节的数量)/数据速率 秒 对于接收数据包，不存在有效负载和MIC字节。因此，接收数据包时间为： 发送数据包时间= 8 *(1 + 4 + 2 + 3)/ 106 秒 =80微秒 含27个字节的有效负载的发送数据包时间为： 发送数据包时间= 8 *(1 + 4

5、+ 2 + 27 + 4 + 3)/ 106秒 =328微秒 同样，251个字节的有效负载的发送数据包时间为2120微秒。 另外，如上图所示，随着各发送/接收数据包，存在两个相关的帧间间隔(T_IFS)，一个为发送期间，一个为接收期间。如果某个事务的帧数量增加，则该事务的耗时也将成比例地增加。当数据长度功能被启用时，相较于蓝牙4.1，蓝牙4.2在一个帧内打包了更多数据，从而减少了每次事务处理的总时间，并增加了吞吐量(其中，吞吐量 =有效负载尺寸/总时间)。 如上图所示，对于蓝牙4.1链路层，有效负载尺寸为27个字节(216比特)以及该交易的总时间为708微秒，意味着约 298 kbps的理论吞

6、吐量。 而对于4.2链路层，有效负载尺寸为251个字节(20*比特)以及总时间为2500微秒，意味着约 784 kbps的理论吞吐量。因此，相较于蓝牙4.1，蓝牙4.2提供了大约2.6倍的更高吞吐量。 BLE 4.2允许主设备和从设备之间协商数据长度，还允许不对称的发送和接收有效负载量。有效地利用该功能以及选择合适的接收/发送数据长度对于实现吞吐量具有十分重要的意义。 让我们考虑这样一个应用：BLE从设备需要将几千字节传输至主设备、从主设备接收空包并且连接间隔为8.75毫秒。假设在以下设置中协商数据长度(从设备)： 情景1 发送 - 251个字节，接收 - 251字节 情景2 发送 - 251

7、个字节，接收 - 27字节 在情景1中，如图5所示，在次接收/发送数据包时，接收有效负载尺寸为0字节以及发送有效负载尺寸为251个字节，耗时2.5毫秒(包括帧间间隔)。第二次接收/发送数据包也是一样的。这两个接收/发送数据包共耗时5毫秒，在此连接间隔内剩下3.85毫秒。在理想情况下，应该在同一连接间隔内存在另一个接收/发送数据包。但是，主设备的调度器不会在此连接间隔内安排另一个接收/发送数据包。这是因为调度器会基于协商的数据长度(本中发送/接收的数据长度均为251)来检查发送/接收数据包是否具有足够的时间。如下图，含有接收和发送有效负载量为251字节的接收和发送数据包需要4.54毫秒。然而，前

8、两个数据包之后的可用时间为3.85毫秒，这导致在本连接间隔内仅2个发送数据包。 在情景2中，在该连接间隔内，调度器仅需要2.64毫秒就可调度一个数据包，因此在8.75毫秒的连接间隔内可以容纳第三个数据包，如图6所示。如下图，相对于1，本将提供高于50%的吞吐量。 尽管PDU尺寸的选择会影响吞吐量，但还存在对其产生影响的其他因素，比方，连接间隔和传输单元(MTU)。 数据长度的扩展可通过任何连接设备的控制器来触发。如果两个设备都支持数据长度的扩展功能，则该设备可发送一个获取更新数据长度的请求，而其他设备将通过其自己的参数来做出响应。图7所示为协商进程。 如果一台不支持数据长度扩展功能的设备接收到

9、数据长度的更新请求时，将会返回一个未知的回复。该回复将通知发起请求的设备另一台设备不支持DLE，该设备将继续传输符合蓝牙4.1 PDU尺寸的数据。也就是说，数据长度扩展支持向下兼容。 数据长度扩展在提高吞吐量的同时，也通过减少射频活动时间从而有助于降低功耗。这是因为在蓝牙4.2中，如果数据尺寸大于27字节，所需的接收/发送数据包更少、射频活动的时间更短)。比方说，需要传输 135个字节，BLE4.1设备在连接时需要5个发送/接收数据包来传输数据;然而BLE4.2设备在传输相同数量的数据时只需一个发送/接收数据包。在无线应用中，射频通信消耗了大多数的系统电力。使用DLE，射频通信活动时间减少，可

10、以显著延长电池寿命。 在本系列文章的部分，我们讨论了蓝牙低功耗(BLE)4.2的数据长度扩展(DLE)和低功耗。在本文中，我们将讨论蓝牙低功耗的隐私保护功能、蓝牙4.2的新增功能以及为何这些变化能够使BLE设备更加保护隐私和节能。 隐私保护是BLE设备防止被不受信任的设备追踪的能力。BLE设备在广播数据包内使用48比特地址，如果该地址被其他设备解码了，那么根据这个地址就可以跟踪该BLE设备的移动。为了保护BLE设备的隐私，受信任的BLE设备将使用共享密钥“身份解析密钥”(Identity Resolving Key, IRK)的共享密钥。两个具有此共享密钥的BLE设备可以相互识别。一台BLE设

11、备先利用该共享密钥生成一个随机的“可解析私有地址”发送出来，另一台设备则采用同一密钥来解析该私有地址。 蓝牙设备地址 蓝牙设备使用48比特的设备地址。设备地址被分类为： 公有设备地址 随机设备地址 1. 公有设备地址：公有设备地址由每台设备的公司ID和公司分配ID组成，遵循IEEE 802-20*标准。公司ID和公司分配ID值均为24比特，构成总数为48比特的地址，如图1所示。 图1：公有设备地址 2. 随机设备地址：顾名思义，随机设备地址是随机生成的地址。随机设备地址分为两种类型： 静态随机地址 私有随机地址 2.1 静态随机地址：静态随机地址可以是出厂前在设备上预先设定好的，也可以在每次开

12、关机循环后更改一个新值。然而，只有设备经过完整的开关机循环后才可以更改此地址。如果在运行期间更改了该地址，存储在对端设备中的地址将失效，并且将不可再使用旧地址开展重新连接。静态随机地址有以下要求： 两个有效位恒为1 所有随机位数值都不能为0 所有随机位数值都不能为1 图2：静态随机地址 私有随机地址分两种类型 - 不可解析私有地址和可解析私有地址。 2.1.1不可解析的私有地址：不可解析的私有地址随机生成，并且每次连接都会发生变化。不可解析的私有地址有以下要求： 两个有效位恒为0 所有随机位数值都不能为0 所有随机位数值都不能为1 该地址不能和静态地址或公有地址相同。 2.1.2可解析私有地址

13、(RPA) 可解析私有地址(RPA)是BLE设备隐私保护的重要支柱。RPA是指使用随机数字和身份解析密钥(IRK)所生成的地址。两个设备在配对期间共享IRK，其存储在设备的内置存储器中。两台配对设备除了共享IRK之外，还共享一个称为身份地址的固定地址。该身份地址可以是公有的或是随机的静态地址类型。因较早开展绑定的设备存有IRK和身份地址，因此能够解析配对设备的私有地址。图3所示为可解析私有地址的格式。 在RPA中，24比特的Hash是IRK和prand的函数。Prand是24比特的数字，它包含22个随机位数值以及2个固定的有效位数值;如图3所示。 图3：可解析私有地址 可解析私有地址的生成：可

14、解析私有地址是与IRK和prand共同生成的。 Prand是随机生成的，有以下要求： prand的两个有效位数值应等于2b01 prand的所有位元数值都不能为0 prand的所有位元数值都不能为1 地址中的Hash部分则是利用prand和设备的128位IRK传递到加密函数“e”生成。此加密函数的输出截断为24个有效位数值，就是Hash数值。 Hash=e(IRK，prand *)，截断为24位 *为了使prand的长度与IRK相同，prand增加了104位数值为0的空白位，确保原有的有效位保持不变。 24比特prand和24比特Hash组合生成随机地址。 可解析私有地址的解析： B设备如果具

15、有A设备的IRK，则可以解析该A设备的可解析私有地址。可解析私有地址有24位的prand和24位的Hash。B设备通过A设备的prand和IRK来解析地址。当B设备接收到A设备的可解析私有地址后，会从该地址提取出Hash和prand，利用其生成本地Hash值。本地Hash的生成方式与在地址生成期间的方式完全相同。 本地Hash= e(A设备IRK、prand)，截断为24位 如果B设备生成的本地Hash值与从地址中提取的A设备 Hash值匹配，则该地址被成功解析。如果B设备有一个以上对端的IRK，则该设备将为每个存储的IRK重复这一步骤，以确定接收到的可解析私有地址是否与存储的某一个IRK相关

16、，直到IRK中某一个地址匹配成功或者所有地址匹配结束。 B设备在配对过程中收到对端设备的IRK和身份地址后，会将其与本地IRK一起存储在待解析列表中，用于将来解析私有地址。 在蓝牙4.1中，该解析列表保存在主机上，由主机完成地址解析，这意味着在每次收到附有可解析私有地址的广播包时，都需要主机参与解析地址。但在蓝牙4.2中，该解析列表保存在控制器中，由控制器解析私有地址，无需主机干预;而如果主机使用单独的CPU控制，则意味着不需要唤醒设备中的主机，从而降低了整体功耗。即使对于使用相同的CPU执行控制器和主机的设备，因为地址不再需要通过不同的协议层，也可以通过减少解析地址所需的CPU循环次数而降低

17、功耗。此外，在没有主机参与的情况下，地址在链路层解析，可提供更快的连接。当在链路层完成地址解析时，Privacy 1.2也被称为链路层(LL)隐私。 可解析私有地址(RPA)超时 随机私有地址每隔一段时间自动更新，进一步降低了设备被跟踪的可能性。该时间间隔由主机设置，为RPA超时设置计时。当计时过期时，IRK和新的prand将会生成新的RPA。对于Privacy 1.1，RPA的超时时间固定为15分钟。蓝牙4.2中的Privacy 1.2将RPA超时时间减少为1秒，而超时时间可以为11.5小时。蓝牙4.2中RPA不断变化，私有设备难以被跟踪，从而提高了隐私性。 虽然蓝牙4.1和更旧的版本支持可

18、解析私有地址，但由于对连接时间的影响和功耗的影响限制了可用性。在使用RPA时，不能在Privacy1.1中使用诸如设备过滤和定向连接广播这样的功能。 设备过滤 设备过滤是指减少其需要响应的同类设备数量，有助于减少功耗。设备在过滤功能启用时需要响应的那些同类设备地址和地址类型，存储在白名单中。该白名单由主机配置并保持在链路层。配置完成后，链路层用其来过滤对等设备。由于在蓝牙4.1中使用RPA时地址只能由主机解析，因此链路层不能过滤该设备。因此，对于蓝牙4.1，当使用RPA时不支持设备过滤。由于设备需响应每个对端设备，因此增加了私有蓝牙4.1设备的功耗。 在蓝牙4.2中，由于地址解析在链路层完成，即使使用RPA仍然可以过滤设备。现在，不在白名单上的设备不需要主机干预，因此降低了功耗。 定向连接广播 该定向连接广播PDU包含传播器的RPA，也包括想要连接至的设备RPA。这使得两个设备之间的连接变得更快。此外，辅助设备不需要与不打算连接的对等设备共享设备的具体详细信息。当基于蓝牙4.1的中央设备使用具备过滤隐私功能的设备时，定向