liwen01 2025.10.01
前言
在一個筆記本電腦上，它的藍牙可以同時連接：手機，藍牙耳機、音響、鍵盤、鼠標、打印機等等外設。
這些設備有些是 BR/EDR, 有些是BLE，所以筆記本電腦的藍牙肯定是雙模藍牙，能同時支持BR/EDR 和 BLE 設備。
在這個由多個藍牙設備組成的網絡中，它們處於什麼狀態，各自的角色是什麼，它們又是通過什麼來區分彼此？
實際在不同的藍牙版本中，它們的定義有很大的變化。
在查看藍牙相關資料時，有些概念容易被搞混，也常常造成理解上的偏差。
（一）藍牙狀態
BR/EDR 與 BLE 使用不同的控制器，所以它們的鏈路控制器的狀態也存在明顯差異。
（1）經典藍牙狀態
STANDBY（待機狀態）:設備默認狀態，在該狀態下設備沒有發出任何藍牙射頻信號，所以它功耗最低。在此狀態下，它只是在等待外部命令觸發狀態切換。
INQUIRY（查詢狀態）：用於主動查找附近的藍牙設備，設備發送 Inquiry 請求，目標設備在 Inquiry Scan 狀態中會響應。
INQUIRY SCAN（查詢掃描狀態）：設備週期性監聽查詢請求（Inquiry packets），如果收到合法的 Inquiry 請求，設備會迴應其地址和信息。
PAGE（尋呼狀態）：發起連接使用的狀態，發起方已知目標設備的地址，發送 Page（尋呼包）嘗試建立連接、Page 包中包含目標設備的 BD_ADDR、重複發送尋呼直到目標設備響應或超時。
PAGE SCAN（尋呼掃描狀態）：目標設備在該狀態中監聽尋呼包，如果接收到尋呼包，進入配對流程並建立連接。
SYNCHRONIZATION TRAIN（同步訓練狀態）：發送一組同步包，讓對方設備更容易鎖定頻道，減少設備發現時間。
SYNCHRONIZATION SCAN（同步掃描狀態）：設備監聽並鎖定同步訓練包，成功鎖定後進入下一步操作（如連接、配對）。
CONNECTION（連接狀態）：雙方已經完成握手（Paging）並建立同步，可進行數據傳輸，包括 L2CAP 數據包、控制包、音頻數據等。
（2）經典藍牙 Page 狀態
使用 Wireshark 搭配 Bluetooth Dongle 抓取的 HCI 數據包，你會發現：沒有 Page 階段的數據包，因為它發生在控制器內部的射頻層（Baseband + LMP）。
你在 Wireshark 的 HCI 視圖中只能看到：
Sent: Create Connection
Event: Connection Complete中間的 page 流程是控制器內部完成的，這部分數據不需要經過 Wireshark，所以也就顯示不了。
（3）經典藍牙 CONNECTION 子模式
它們的關係可以簡化為下面關係：
Connection State
├── Active Mode
│ ├── Sniff Mode
│ ├── Hold Mode
│ └── Park Mode
└── Connectionless Peripheral Broadcast Mode注意：在藍牙核心規範V5.3中，Active Mode 模式下已經沒有 Park Mode 這個模式了。
Active Mode（活動模式）：Active Mode 是默認模式。在此模式中，設備（從機）保持同步並始終監聽主機（Master）的 Poll 包。主從設備之間的通信是持續的、週期性的。從機必須在每個主機 Poll 時間點監聽，功耗較高。
Sniff Mode（嗅探模式）：Sniff 模式是一種低功耗模式。從機不再持續監聽，而是按照約定的 Sniff 間隔（T_sniff） 定期監聽主機。其餘時間從機關閉接收機進入休眠。在 Sniff 窗口期間，從機能收發數據；窗口外從機不響應主機。
例如耳機在待機播放時段，保持低功耗但仍能響應主機的控制命令。優點是節能，缺點是通信延遲變高
Hold Mode（保持模式）：Hold 模式也是低功耗模式的一種，但與 Sniff 不同。從機在指定時間內完全不參與連接通信；在 Hold 時間結束後，再恢復到 Active 模式。Hold 模式通常在從機需要執行其他任務（如掃描、建立新連接、或暫時關閉射頻）時使用
比如:一個設備可能暫時掛起當前連接以執行頁面掃描操作（Page Scan）
（4）BLE 藍牙狀態
BLE 狀態機以 Standby 為中心，其他狀態圍繞它轉換，設計更為節能與高效。
Standby（待機）狀態 ：BLE默認狀態為 Standby，不進行任何廣播、掃描或連接操作，該模式下功耗最低。它是所有狀態的中心樞紐，可跳轉到任何其他狀態。
Advertising（廣播）狀態：設備週期性發送廣播包（ADV），告訴周圍設備“我在這兒”。
Scanning（掃描）狀態 ：設備監聽並接收廣播包，可選擇性迴應廣播設備，實現設備發現（如手機找藍牙耳機）。
Initiating（發起連接）狀態：主設備（Central）在此狀態下發起連接請求給廣播設備（Peripheral）。
Connection（連接）狀態：設備之間建立了一個正式的連接。使用數據通道進行定時通信，支持讀寫服務、通知、長連接等操作。
Synchronization（同步）狀態：用於週期性廣播同步（如廣播音頻）；設備不建立連接，僅同步獲取廣播內容。
Isochronous Broadcasting（等時廣播）狀態：BLE 5.2 引入的狀態，支持等時性數據廣播（如 LE Audio）；廣播音頻數據流，無需連接即可接收；
（5）經典藍牙與BLE藍牙狀態的區別
經典藍牙 BR/EDR更適合持續大數據量的通信（如音頻、文件傳輸）；
BLE 更適合低功耗、間歇、小數據量通信，特別是物聯網設備；
| 特性/對比點 | 經典藍牙（BR/EDR） | BLE（低功耗藍牙） |
|---|---|---|
| 狀態機複雜性 | 更復雜，包含 Inquiry、Page 等 | 更簡潔，以 Standby 為中心的放射狀狀態圖 |
| 廣播機制 | 沒有通用廣播，需先發現、再配對 | 支持廣播和掃描機制，無需連接也能傳輸信息 |
| 連接建立過程 | 分為 Inquiry + Page 兩階段 | Advertising + Initiating 一步完成 |
| 功耗控制 | 設計為連續音頻或數據傳輸，功耗較高 | 設計為間歇通信，功耗非常低 |
| 通信角色 | Piconet 主從結構（固定主從） | Central-Peripheral 靈活切換 |
| 支持的應用 | 傳統音頻（如耳機）、數據同步等 | IoT、傳感器、手環、LE Audio 等 |
| 新特性支持 | 不支持 LE Audio 等新協議 | 支持 Periodic Advertising、Isochronous Channel 等 |
（二）藍牙角色
在不同版本和不同模式中，藍牙的角色有些混亂。一會是 Master/Slave, 一會又是 Central/Peripheral 。
在藍牙5.2 之前，BR/EDR 控制器中一般稱呼為 Master/Slave，BLE 控制器中一般稱呼為 Central/Peripheral。
但是在藍牙 5.3 中，它們統一稱呼為 Central/Peripheral。
（1）經典藍牙角色
經典藍牙常見於：耳機、音箱、鼠標、鍵盤等
- 手機/電腦：一般做 Master（主設備），負責發起連接、控制時隙。
- 耳機/音箱/鍵盤/鼠標：一般做 Slave（從設備），等待手機/電腦來連。
（2）BLE 藍牙角色
在BLE藍牙控制器中，控制器的角色有好幾個：Advertiser（廣播者）、Scanner（掃描者）、Initiator（發起者）、Central（中心設備）、Peripheral（外設設備）
Advertiser（廣播者）：在廣播信道上週期性發送廣告包，一般用於被發現、連接或廣播數據。
Scanner（掃描者）：主動掃描廣播信道，接收廣告包。可以選擇發出 Scan Request 獲取更多信息。
Initiator（發起者）：接收廣播後，主動發起連接請求的一方。一旦連接成功，就轉變為 Central。
Central（中心設備）： 類似 Master，控制連接的時間和數據傳輸， 常見於手機、PC 等。
Peripheral（外設設備）：被 Central 連接的一方，常見於手環、傳感器、耳機等。
BLE藍牙 從“廣播 → 掃描 → 建鏈”過程中，角色會逐步轉化：
Advertiser → Peripheral
Scanner/Initiator → Central（3）其它層的角色
上面那説的 Central（原 Master） / Peripheral（原 Slave）是物理層 / 鏈路層 (Controller) 裏的角色。
在藍牙協議棧的不同層中，它們又有定義一些不同的角色
- Link Layer（底層鏈路角色）：Central / Peripheral → 確定“誰發起連接，誰維持時鐘”
- Host 層協議（GATT/ATT/SM）角色：Client / Server → 確定“誰請求，誰提供數據”
- Profile 層（應用協議角色）：Source/Sink, Host/Device, Controller/Target → 確定“誰是功能提供方，誰是功能使用方”
它們之間不是一一對應的，而是逐層映射：
- 物理連接角色（Central/Peripheral） → 決定誰主導鏈路
- 協議角色（Client/Server） → 決定誰發起請求
- 應用角色（Source/Sink 等） → 決定誰產生/消費具體業務數據
（三）藍牙地址
藍牙中設備地址 Bluetooth Device Address 與 接入地址 Access Address 是兩個完全不同的概念，但有時候它們容易被理解混亂。
（1）BD_ADDR 設備地址格式
每個藍牙設備都有一個唯一的 48 位地址（6 字節），類似於以太網中的MAC 地址，用於標識設備身份。
主要應用於：設備發現與連接，訪問控制（如連接白名單），通信加密中的密鑰派生。
BD_ADDR 的整體格式為 ：藍牙設備地址 = NAP + UAP + LAP
| 字段 | 名稱 | 位數 | 説明 |
|---|---|---|---|
| NAP | Non-significant Address Part | 16 bits | 地址的高 16 位，通常表示廠商編號（OUI），由 IEEE 分配給廠商 |
| UAP | Upper Address Part | 8 bits | 地址的中間 8 位，通常用於形成 Access Code（訪問碼）時使用 |
| LAP | Lower Address Part | 24 bits | 地址的低 24 位，由設備製造商分配給設備，用於唯一標識設備 |
（2）BD_ADDR 設備地址分類
BD_ADDR
├── Public Device Address （公共地址）
│ └── 來源：IEEE 註冊的 EUI-48（廠家分配）
│ └── 作用：全局唯一，適用於 BR/EDR 或 BLE
│
└── Random Device Address （隨機地址）
├── Static Random Address （靜態隨機地址）
├── Private Resolvable Address （RPA，可解析私有地址）
└── Private Non-Resolvable Address （NRPA，不可解析私有地址）Public Device Address（公共地址）:結構與普通以太網 MAC 地址完全一致，它由藍牙設備製造商在出廠時燒錄進控制器（Controller），在全世界範圍內唯一。
傳統藍牙 BR/EDR（例如音箱、耳機等）幾乎都使用 Public Address，設備在廣播時直接使用 BD_ADDR 作為標識，可用於長期綁定（bonding）和身份識別。
Random Device Address（隨機地址）：因為固定的 BD_ADDR 會暴露設備身份（例如 MAC 地址可被追蹤），所以 BLE 支持使用隨機地址。隨機地址又分為三大類。
（A）Static Random Address（靜態隨機地址）：
在設備啓動時隨機生成，在一次啓動週期內保持不變，通常用於無隱私要求但又不想使用公共地址的場景。比如：一些 BLE 外設（如手環、燈泡）在上電後廣播自己的隨機固定地址。
（B）Private Resolvable Address（RPA，可解析私有地址）:
週期性變化（例如每 15 分鐘更新一次）,地址高2位為01；它的變化過程可被“已配對的設備”解析。比如：手機與手環已配對後，即使地址變化，仍能識別對方。
（C） Private Non-Resolvable Address（NRPA，不可解析私有地址）:
週期性變化,每次廣播可能都不同，完全無法解析（無 IRK 參與），地址高2位為00；主要應用於一次性連接請求，或者是不需要被識別身份的設備廣播（如匿名信標）。
（3） Access Address 地址
Access Address： 是藍牙鏈路層中用於標識和同步數據包的一個 32-bit（4字節）地址。
它存在於所有藍牙物理層（PHY）數據包的包頭部分，作用類似於一個“信道標識符”，幫助接收方判斷接收到的數據包屬於哪個連接或廣播。
藍牙中根據通信類型不同，Access Address 有兩種主要用途：廣播信道（Advertising Channel） 和 數據信道（Data Channel）
（A）廣播信道（Advertising Channel）
所有的廣播信道都使用同一個固定的 Access Address：0x8E89BED6, 這個值在規範中是固定定義的，全球藍牙設備統一使用
它應用於：廣播包（Advertising Packet）或掃描包（Scan Request/Response）
（B）數據信道（Data Channel）
當兩個設備成功建立連接（Connection）後，Link Layer 會為該連接生成一個唯一的 Access Address。因此在連接階段的 Access Address 是專屬於該連接的。
（四）藍牙網絡結構
藍牙通信體系結構（主要是 BR/EDR 模式）中定義了兩種典型拓撲結構：Piconet（微微網） 和 Scatternet（散射網）
（1） Piconet（微微網）
Piconet 是藍牙設備之間通過一條共享的物理鏈路建立起來的 基本網絡單元。
在一個 Piconet 中，最多允許 8 個活躍設備同時參與通信（1 個 Central + 最多 7 個 Peripheral）
所有設備共享同一個：
- 跳頻序列（Frequency Hopping Sequence）
- 時鐘參考（Clock Reference）
- 訪問碼 Access Code（由 Central 的 BD_ADDR 派生）
因此，一個 Piconet 的物理信道由 Central 的 BD_ADDR 和時鐘共同定義。
藍牙 BR/EDR 使用時分雙工 (TDD)：每個時隙 625 μs；
Central 與 Peripheral 交替發送：
- 偶數時隙 → Central 發送；
- 奇數時隙 → Peripheral 響應；
這樣實現雙向通信的同步控制。
（2）Scatternet（散射網）
Scatternet 是由兩個或多個 Piconet 通過共享設備互聯 而成的更大網絡結構。
也就是説，一個設備可以同時屬於多個 Piconet，用於橋接通信。
在 Scatternet 中：某個設備可能在一個 Piconet 中充當 Central，在另一箇中充當 Peripheral；
每個 Piconet 有自己獨立的：時鐘，跳頻序列，訪問碼；
共享設備通過 時間分片（Time Sharing） 的方式在多個 Piconet 之間切換。
Scatternet 網絡它更多是一個理論拓撲結構或過渡性歷史概念，應用極少，主要存在於早期研究、學術實驗和少數特種系統。
現代藍牙體系基本以 BLE 多連接和 Mesh 網絡取代了 Scatternet。
結尾
本章主要介紹了藍牙的狀態、角色、地址與網絡結構，這些都是藍牙鏈路層中的知識。下一章將繼續介紹藍牙鏈路層的數據安全、可靠性、數據組成與處理流程。
