蓝牙4.0BLE抓包(二) – 广播包解析

ゝ一纸荒年。 2022-06-11 04:21 2034阅读 0赞

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在使用EN-Dongle捕获和解析广播包之前，我们先了解一下BLE报文的结构，之后，再对捕获的广播包进行分析。在学习BLE的时候，下面两个文档是极其重要的，这是SIG发布的蓝牙的核心协议和核心协议增补。

*  核心协议Core\_v4.2。
 *  核心协议增补CSS v6。

虽然这两个文档是蓝牙技术的根本，但是遗憾的是：通过这两个文档学习蓝牙并不是那么容易的，阅读和理解起来很费力。尤其是初学者在阅读这两个文档的时候，感觉无从下口。所以，本文在分析报文的过程中，会明确指出协议文档在什么地方定义了他们，让我们有目的的去查阅协议文档，做到知其然也知其所以然，这样，学习起来就会轻松很多。

**1. BLE报文结构**

BLE报文结构如下，他由下图所示的各个域组成。因为有的域的长度超过了一个字节，所以在传输的过程中就涉及到多字节域中哪个字节先传输的问题，BLE报文传输时的字节序和比特序如下：

*   字节序：大多数多字节域是从低字节开始传输的。***注意，并不是所有的多字节域都是从低字节开始传输的。***
 *  比特序：各个字节传输时，每个字节都是从低位开始。

![845932-20151213230137153-194942850.jpg][]

图1：BLE报文结构

1.1 前导

前导是一个8比特的交替序列。他不是01010101就是10101010，取决于接入地址的第一个比特。

*  若接入地址的第一个比特为0：01010101
 *  若接入地址的第一个比特为1：10101010

接收机可以根据前导的无线信号强度来配置自动增益控制。

1.2 接入地址

接入地址有两种类型：广播接入地址和数据接入地址。

*  广播接入地址：***固定为***0x8E89BED6，在广播、扫描、发起连接时使用。
 *  数据接入地址：***随机值***，不同的连接有不同的值。在连接建立之后的两个设备间使用。

对于数据信道，数据接入地址是一个随机值，但需要满足下面几点要求：

1)  数据接入地址不能超过6个连续的“0”或“1”。

2)  数据接入地址的值不能与广播接入地址相同。

3)  数据接入地址的4个字节的值必须互补相同。

4)  数据接入地址不能有超24次的比特翻转(比特0到1或1到0，称为1次比特翻转)。

5)  数据接入地址的最后6个比特需要至少两次的比特翻转。

6)  符合上面条件的有效随机数据接入地址大概有231个。

1.3 报头

1.3.1 广播报文报头

报头的内容取决于该报文是广播报文还是数据报文。广播报文的报头如下图所示：

![845932-20151213230552544-2084751995.jpg][]

图2：广播报文报头

广播报文的报头包含4bit广播报文类型、2bit保留位、1bit发送地址类型和1bit接收地址类型。

1) 广播报文类型

*　　**Core\_v4.2的2583*****页描述了广播报文类型**，共有7种类型，如下图所示。

![845932-20151213230826872-602414989.jpg][]

图3：广播报文类型

每种广播报文类型都具有不同的数据格式及行为。***Core\_v4.2的2584页的2.3.1******节详细的描述了各个广播报文类型**，*大家可以阅读此章节进一步了解。

2) 发送地址类型和接收地址类型

发送地址类型和接收地址类型指示了设备使用公共地址(Public Address)还是随机地址(Random Address)。公共地址和随机地址的长度一样，都包含6个字节共48位。BLE设备至少要拥有这两种地址类型中的一种，当然也可以同时拥有这两种地址类型。

*  公共地址(Public Address)

公共地址由两部分组成，如下图。公共地址由制造商从IEEE申请，由IEEE注册机构为该制造商分配的机构唯一标识符OUI(Organizationally Unique Identifier)。这个地址是独一无二，不能修改的。*Core\_v4.2 P2576的1.3.1**节描述了公共地址。*

![845932-20151214112940959-897445678.png][]

图4：公共地址结构

*  随机地址

随机地址有包含两种：静态地址（Static Device Address）和私有地址（PrivateDevice Address）。*Core\_v4.2 P2577的1.3.2.1节描述了静态地址。*

![845932-20151214113257709-1113856365.jpg][]

图5：静态地址格式

**静态地址有如下要求：**

a) 静态地址的最高2位有效位必须是1。

b) 静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为0。

c) 静态地址最高2位有效位之外的其余部分不能全为1。

在私有地址的定义当中，又包含了两个子类：不可解析私有地址（Non-resolvable Private Address）和可解析私有地址(Resolvable Private Address，RPA)。nRF51822使用的是静态地址，芯片在出厂时已经设置好了48位地址，我们可以从下面两个寄存器读出地址类型和地址。

a)  DEVICEADDRTYPE寄存器。

DEVICEADDR\[n\]寄存器：包含DEVICEADDR\[0\]和DEVICEADDR\[1\]两个寄存器。

![845932-20151214114836006-139943135.jpg][]

图6：地址类型寄存器

![845932-20151214230528818-823912973.jpg][]

图7：地址寄存器

1.4 长度

*  广播报文：长度域包含6个比特，有效值的范围是6~37。
 *   数据报文：长度域包含5个比特，有效值的范围是0~31。

广播报文和和数据报文的长度域有所不同，主要原因是：广播报文除了最多31个字节的数据之外，还**必须**要包含6个字节的广播设备地址。6+31=37，所以需要6比特的长度域。

***　　再次强调：广播时必须要包含******6个字节的广播设备地址。***

1.5 数据(AdvData)

广播和扫面响应的数据格式如下图所示，由有效数据部分和无效数据部分组成。

![845932-20151213232021075-864968395.jpg][]

图8：广播和扫描响应的数据格式

1)  有效数据部分：包含N个AD Structure，每个AD Structure由Length，AD Type和AD Data组成。其中：

*  Length：AD Type和AD Data的长度。
 *  AD Type：指示AD Data数据的含义。

问题来了，我们怎么知道有哪些AD Type？他们又表示什么意义？可以通过下面2种方式查看AD Type和他们表示的意义。

*  *从官网查询，但是需要是会员才可以查询。*

*　　https://www.bluetooth.org/Technical/AssignedNumbers/generic\_access\_profile.htm*

*  查看Nordic的SDK中的定义，AD type的定义在程序的“ble\_gap.h”头文件中。定义如下：

#define BLE_GAP_AD_TYPE_FLAGS 0x01 /**< Flags for discoverability. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE 0x02 /**< Partial list of 16 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE 0x03 /**< Complete list of 16 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE 0x04 /**< Partial list of 32 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE 0x05 /**< Complete list of 32 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE 0x06 /**< Partial list of 128 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE 0x07 /**< Complete list of 128 bit service UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SHORT_LOCAL_NAME 0x08 /**< Short local device name. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME 0x09 /**< Complete local device name. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_TX_POWER_LEVEL 0x0A /**< Transmit power level. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_CLASS_OF_DEVICE 0x0D /**< Class of device. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C 0x0E /**< Simple Pairing Hash C. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R 0x0F /**< Simple Pairing Randomizer R. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_TK_VALUE 0x10 /**< Security Manager TK Value. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_OOB_FLAGS 0x11 /**< Security Manager Out Of Band Flags. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SLAVE_CONNECTION_INTERVAL_RANGE 0x12 /**< Slave Connection Interval Range. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_16BIT 0x14 /**< List of 16-bit Service Solicitation UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_128BIT 0x15 /**< List of 128-bit Service Solicitation UUIDs. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA 0x16 /**< Service Data - 16-bit UUID. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_PUBLIC_TARGET_ADDRESS 0x17 /**< Public Target Address. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_RANDOM_TARGET_ADDRESS 0x18 /**< Random Target Address. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_APPEARANCE 0x19 /**< Appearance. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_ADVERTISING_INTERVAL 0x1A /**< Advertising Interval. */ 
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_BLUETOOTH_DEVICE_ADDRESS 0x1B /**< LE Bluetooth Device Address. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_ROLE 0x1C /**< LE Role. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C256 0x1D /**< Simple Pairing Hash C-256. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R256 0x1E /**< Simple Pairing Randomizer R-256. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_32BIT_UUID 0x20 /**< Service Data - 32-bit UUID. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_128BIT_UUID 0x21 /**< Service Data - 128-bit UUID. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_3D_INFORMATION_DATA 0x3D /**< 3D Information Data. */
 #define BLE_GAP_AD_TYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC_DATA 0xFF /**< Manufacturer Specific Data. */

1.6 校验

BLE采用的是24位CRC校验。CRC对报头、长度和数据进行计算。24位CRC的生成多项式如下：

![845932-20151213232846012-728353218.png][]

**2.  广播包解析**

通过上文的描述，我们对BLE广播包有了大致的了解，接下来我们用EN-Dongle捕获一个心率计的广播包，通过对实际广播包的分析来理解BLE报文结构和广播。广播包捕获实验的硬件连接如下。

![845932-20151214120220693-1554520130.jpg][]

图9：硬件连接

2.1 心率计程序下载

2.1.1 下载协议栈

SoftDevice必须使用nRFgo Studio下载，打开nRFgo Studio，切换到“Program SoftDevice”选项卡。点击“Browse…”按钮打开SoftDevice的HEX文件（位于“…\\BLE实验\\蓝牙协议栈(SoftDevice)目录下的” ***s110***）。点击“Program”下载程序。

2.1.1 下载应用程序

应用程序可以用nRFgo Studio下载，也可以在MDK中直接下载调试，在这里我们用nRFgo Studio下载。切换到“Program Application”选项卡。点击“Browse…”按钮打开应用程序的HEX文件（位于“…\\BLE实验\\ ble\_app\_beacon \\pca10028\\s110\\arm5\\\_build”目录下的 nrf51822\_xxaa\_s110.hex）。点击“Program”下载程序。

2.2 捕获广播包

按照《[蓝牙4.0BLE抓包(一)][4.0BLE]》中的描述进行抓包，下面是我们捕获一个心率计的广播包。

![845932-20151214115252146-530431362.jpg][]

图10：捕获的心率计广播包

![845932-20151214115326256-552962837.jpg][]

图11：查看广播包传输的数据

2.3 分析广播包

为了方便分析，我们先取出这个广播包实际传输的数据，如图9中所示。心率计完整的广播报文如下：

**D6 BE 89 8E 40 21 60 BF 8A B9 CD C5 0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D 03 19 41 03 02 01 06 07 03 0D 18 0F 18 0A 18 EF A6 F0**

2.3.1 接入地址

**　　D6 BE 89 8E**：接入地址，对广播来说是固定值。注意一下这里的字节序，接入地址传输时是低字节在前的。

2.3.2 PDU

q         40：广播报文报头。

l      bit0~bit3是0000，说明广播类型是ADV\_IND，即通用广播指示。

l      bit7(RxAdd)是0，bit7(TxAdd)是1，说明使用的是随机地址(random address)。*Core\_V4.2 P2584的2.3.1有详细的描述。*

q         **21**：长度，表示这个广播的长度是33个字节。

q         **9A 3F 20 FB 74 C5**：设备地址，这里使用的是随机静态地址。

接下来就是广播包最重要的部分了，称之为AdvData，前面我们说过AdvData是N个AD Structure组层成，每个AD Structure的格式都是Length |AD Type|AD Data组成。

**0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D 03 19 41 03 02 01 06 07 03 0D 18 0F 18 0A 18**

第一个字节0B表示第一个AD Structure的长度是11个字节，即第一个AD Structure是由0B加上紧跟着0B后面的11个字节组成，因此，第一个AD Structure是：

**0B 09 4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D**

表1：第1个AD Structure的意义

**第2个AD Structure是：03 19 41 03**

表2：第2个AD Structure的意义

**第3个AD Structure是：**02 01 06

表3：第3个AD Structure的意义

<table style="color:rgb(0,0,0)"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td> Length </td> 
 <td> AD Type </td> 
 <td> AD Data </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 02 </td> 
 <td> 01 </td> 
 <td> 06 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 2字节 </td> 
 <td> AD type为“Flag” </td> 
 <td> flag说明了物理连接功能，比如有限发现模式，不支持经典蓝牙等。 l&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;bit 0: LE&nbsp;有限发现模式。 l&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;bit 1: LE&nbsp;普通发现模式。 l&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;bit 2:&nbsp;不支持&nbsp;BR/EDR。 l&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;bit 3:&nbsp;对&nbsp;Same Device Capable(Controller)&nbsp;同时支持&nbsp;BLE&nbsp;和&nbsp;BR/EDR。 l&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;bit 4:&nbsp;对&nbsp;Same Device Capable(Host)&nbsp;同时支持&nbsp;BLE&nbsp;和&nbsp;BR/EDR。 bit 5..7:&nbsp;预留。 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

**第4个AD Structure是：**07 03 0D 18 0F 18 0A 18

表4：第4个AD Structure的意义

**16bit UUID：**

128位的UUID相当长，设备间为了识别数据的类型需要发送长达16字节的数据。为了提高传输效率，蓝牙技术联盟(SIG)定义了一个称为“UUID基数”的128位通用唯一识别码，结合一个较短的16位数使用。二者仍然遵循通用唯一识别码的分配规则，只不过在设备间传输常用的UUID时，只发送较短的16位版本，接收方收到后补上蓝牙UUID基数即可。

蓝牙UUID基数如下：

00000000 – 0000 – 1000 – 8000 – 008059B34FB

如要发送的16位UUID为0x2A01，完整的128的UUID便是：

0000**2A01** – 0000 – 1000 – 8000 – 008059B34FB

低功耗蓝牙使用的那部分UUID被分为下列几组：

l          0x1800 ~ 0x26FF：用作服务类通用唯一识别码。

l          0x2700 ~ 0x27FF：用于标识计量单位。

l          0x2800 ~ 0x28FF：用于区分属性类型。

l          0x2900 ~ 0x29FF：用作特性描述。

l          0x2A00 ~ 0x7FFF：用于区分特性类型。

在程序的“ble\_srv\_common.h”文件中定义了16bit service UUID，如下，当然也可以在SIG官网上查询：

#define BLE_UUID_ALERT_NOTIFICATION_SERVICE 0x1811 /**< Alert Notification service UUID. */
 #define BLE_UUID_BATTERY_SERVICE 0x180F /**< Battery service UUID. */
 #define BLE_UUID_BLOOD_PRESSURE_SERVICE 0x1810 /**< Blood Pressure service UUID. */
 #define BLE_UUID_CURRENT_TIME_SERVICE 0x1805 /**< Current Time service UUID. */
 #define BLE_UUID_CYCLING_SPEED_AND_CADENCE 0x1816 /**< Cycling Speed and Cadence service UUID. */
 #define BLE_UUID_DEVICE_INFORMATION_SERVICE 0x180A /**< Device Information service UUID. */
 #define BLE_UUID_GLUCOSE_SERVICE 0x1808 /**< Glucose service UUID. */
 #define BLE_UUID_HEALTH_THERMOMETER_SERVICE 0x1809 /**< Health Thermometer service UUID. */
 #define BLE_UUID_HEART_RATE_SERVICE 0x180D /**< Heart Rate service UUID. */
 #define BLE_UUID_HUMAN_INTERFACE_DEVICE_SERVICE 0x1812 /**< Human Interface Device service UUID. */
 #define BLE_UUID_IMMEDIATE_ALERT_SERVICE 0x1802 /**< Immediate Alert service UUID. */
 #define BLE_UUID_LINK_LOSS_SERVICE 0x1803 /**< Link Loss service UUID. */
 #define BLE_UUID_NEXT_DST_CHANGE_SERVICE 0x1807 /**< Next Dst Change service UUID. */
 #define BLE_UUID_PHONE_ALERT_STATUS_SERVICE 0x180E /**< Phone Alert Status service UUID. */
 #define BLE_UUID_REFERENCE_TIME_UPDATE_SERVICE 0x1806 /**< Reference Time Update service UUID. */
 #define BLE_UUID_RUNNING_SPEED_AND_CADENCE 0x1814 /**< Running Speed and Cadence service UUID. */
 #define BLE_UUID_SCAN_PARAMETERS_SERVICE 0x1813 /**< Scan Parameters service UUID. */
 #define BLE_UUID_TX_POWER_SERVICE 0x1804 /**< TX Power service UUID. */

2.3.3 校验

**　　EF A6 F0：**24位CRC。24位CRC的生成多项式如下，对CRC算法感兴趣的朋友可以研究一下：

![845932-20151213234139684-1568784698.png][]

[845932-20151213230137153-194942850.jpg]: /images/20220611/8ac26f4f74134c3a9223ac3c4c34bfda.png
[845932-20151213230552544-2084751995.jpg]: /images/20220611/6f81cd668e3f412da509ee2f7cb04799.png
[845932-20151213230826872-602414989.jpg]: /images/20220611/260f485659d943319fc223c8c47f1939.png
[845932-20151214112940959-897445678.png]: /images/20220611/55eed85aa2884e4fa0e87b4d97fcaef8.png
[845932-20151214113257709-1113856365.jpg]: /images/20220611/20831d5c907343bb92dde24cad3c6121.png
[845932-20151214114836006-139943135.jpg]: /images/20220611/b22345006d944412806f35b38f9078ec.png
[845932-20151214230528818-823912973.jpg]: /images/20220611/504c6d08520640a4b40abb2590b2fa5c.png
[845932-20151213232021075-864968395.jpg]: /images/20220611/67b14f7e425840d0ac16a9c230132dd8.png
[845932-20151213232846012-728353218.png]: /images/20220611/ef5a49dbd4bf4501a22ff75a19971f2c.png
[845932-20151214120220693-1554520130.jpg]: /images/20220611/e04edc681ca9436fa65f0b74d335a678.png
[4.0BLE]: http://www.cnblogs.com/aikm/p/5021220.html
[845932-20151214115252146-530431362.jpg]: /images/20220611/d04c953b2b254d19ac5ecb154f94c760.png
[845932-20151214115326256-552962837.jpg]: /images/20220611/6ca714c9e4614b81923e74d6954569c9.png
[845932-20151213234139684-1568784698.png]: /images/20220611/a02b7ac4e39b447e939031ce329f4429.png