EN-Dongle：蓝牙BLE广播包解析

强光手电

     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。
  

                                                      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：

                                                 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。

                                                  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。

                                               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。

                                               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。

                                                       图6：地址类型寄存器

                                                       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。

                                                         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：
  

1. 1 #define BLE_GAP_AD_TYPE_FLAGS                               0x01 /**< Flags for discoverability. */
   
2. 2 #define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE   0x02 /**< Partial list of 16 bit service UUIDs. */
   
3. 3 #define BLE_GAP_AD_TYPE_16BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE         0x03 /**< Complete list of 16 bit service UUIDs. */
   
4. 4 #define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE   0x04 /**< Partial list of 32 bit service UUIDs. */
   
5. 5 #define BLE_GAP_AD_TYPE_32BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE         0x05 /**< Complete list of 32 bit service UUIDs. */
   
6. 6 #define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_MORE_AVAILABLE  0x06 /**< Partial list of 128 bit service UUIDs. */
   
7. 7 #define BLE_GAP_AD_TYPE_128BIT_SERVICE_UUID_COMPLETE        0x07 /**< Complete list of 128 bit service UUIDs. */
   
8. 8 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SHORT_LOCAL_NAME                    0x08 /**< Short local device name. */
   
9. 9 #define BLE_GAP_AD_TYPE_COMPLETE_LOCAL_NAME                 0x09 /**< Complete local device name. */
   
10. 10 #define BLE_GAP_AD_TYPE_TX_POWER_LEVEL                      0x0A /**< Transmit power level. */
    
11. 11 #define BLE_GAP_AD_TYPE_CLASS_OF_DEVICE                     0x0D /**< Class of device. */
    
12. 12 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C               0x0E /**< Simple Pairing Hash C. */
    
13. 13 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R         0x0F /**< Simple Pairing Randomizer R. */
    
14. 14 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_TK_VALUE           0x10 /**< Security Manager TK Value. */
    
15. 15 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SECURITY_MANAGER_OOB_FLAGS          0x11 /**< Security Manager Out Of Band Flags. */
    
16. 16 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SLAVE_CONNECTION_INTERVAL_RANGE     0x12 /**< Slave Connection Interval Range. */
    
17. 17 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_16BIT       0x14 /**< List of 16-bit Service Solicitation UUIDs. */
    
18. 18 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SOLICITED_SERVICE_UUIDS_128BIT      0x15 /**< List of 128-bit Service Solicitation UUIDs. */
    
19. 19 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA                        0x16 /**< Service Data - 16-bit UUID. */
    
20. 20 #define BLE_GAP_AD_TYPE_PUBLIC_TARGET_ADDRESS               0x17 /**< Public Target Address. */
    
21. 21 #define BLE_GAP_AD_TYPE_RANDOM_TARGET_ADDRESS               0x18 /**< Random Target Address. */
    
22. 22 #define BLE_GAP_AD_TYPE_APPEARANCE                          0x19 /**< Appearance. */
    
23. 23 #define BLE_GAP_AD_TYPE_ADVERTISING_INTERVAL                0x1A /**< Advertising Interval. */
    
24. 24 #define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_BLUETOOTH_DEVICE_ADDRESS         0x1B /**< LE Bluetooth Device Address. */
    
25. 25 #define BLE_GAP_AD_TYPE_LE_ROLE                             0x1C /**< LE Role. */
    
26. 26 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_HASH_C256            0x1D /**< Simple Pairing Hash C-256. */
    
27. 27 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SIMPLE_PAIRING_RANDOMIZER_R256      0x1E /**< Simple Pairing Randomizer R-256. */
    
28. 28 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_32BIT_UUID             0x20 /**< Service Data - 32-bit UUID. */
    
29. 29 #define BLE_GAP_AD_TYPE_SERVICE_DATA_128BIT_UUID            0x21 /**< Service Data - 128-bit UUID. */
    
30. 30 #define BLE_GAP_AD_TYPE_3D_INFORMATION_DATA                 0x3D /**< 3D Information Data. */
    
31. 31 #define BLE_GAP_AD_TYPE_MANUFACTURER_SPECIFIC_DATA          0xFF /**< Manufacturer Specific Data. */

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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：

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。

                                          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)》中的描述进行抓包，下面是我们捕获一个心率计的广播包。

                                    图10：捕获的心率计广播包

                                   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。

• bit0~bit3是0000，说明广播类型是ADV_IND，即通用广播指示。
• 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   60 BF 8A B9 CD 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

Length	AD Type	AD Data
0B	09	4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D
11字节	AD type为“完整的本地名称”	程序中定义的为”Nordic_HRM”对应的十六进制就是4E 6F 72 64 69 63 5F 48 52 4D

第2个AD Structure是：03 19 41 03

                                      表2：第2个AD Structure的意义

Length	AD Type	AD Data
03	19	41 03
3字节	AD type为“外观特性”	外观特性是一个16位的数值，由SIG定义，用来列举设备的外观样式，指示设备是普通手机，手环什么的。

第3个AD Structure是：02 01 06

                                    表3：第3个AD Structure的意义

Length	AD Type	AD Data
02	01	06
2字节	AD type为“Flag”	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。 bit 0: LE 有限发现模式。 bit 1: LE 普通发现模式。 bit 2: 不支持 BR/EDR。 bit 3: 对 Same Device Capable(Controller) 同时支持 BLE 和 BR/EDR。 bit 4: 对 Same Device Capable(Host) 同时支持 BLE 和 BR/EDR。 bit 5..7: 预留。

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

                                   表4：第4个AD Structure的意义

Length	AD Type	AD Data
07	03	0D 18 0F 18 0A 18
7字节	AD type为“16bit Service uuid列表”	该设备支持的完整的16bit Service uuid列表。 180D：Heart Rate service UUID(心率服务UUID) 180F：Battery service UUID(电池服务UUID) 180A：Device Information service UUID(设备信息服务UUID)

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：

      00002A01 – 0000 – 1000 – 8000 – 008059B34FB

     低功耗蓝牙使用的那部分UUID被分为下列几组：

• 0x1800 ~ 0x26FF：用作服务类通用唯一识别码。
• 0x2700 ~ 0x27FF：用于标识计量单位。
• 0x2800 ~ 0x28FF：用于区分属性类型。
• 0x2900 ~ 0x29FF：用作特性描述。
• 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：

1. 1 #define BLE_UUID_ALERT_NOTIFICATION_SERVICE                      0x1811     /**< Alert Notification service UUID. */
   
2. 2 #define BLE_UUID_BATTERY_SERVICE                                 0x180F     /**< Battery service UUID. */
   
3. 3 #define BLE_UUID_BLOOD_PRESSURE_SERVICE                          0x1810     /**< Blood Pressure service UUID. */
   
4. 4 #define BLE_UUID_CURRENT_TIME_SERVICE                            0x1805     /**< Current Time service UUID. */
   
5. 5 #define BLE_UUID_CYCLING_SPEED_AND_CADENCE                       0x1816     /**< Cycling Speed and Cadence service UUID. */
   
6. 6 #define BLE_UUID_DEVICE_INFORMATION_SERVICE                      0x180A     /**< Device Information service UUID. */
   
7. 7 #define BLE_UUID_GLUCOSE_SERVICE                                 0x1808     /**< Glucose service UUID. */
   
8. 8 #define BLE_UUID_HEALTH_THERMOMETER_SERVICE                      0x1809     /**< Health Thermometer service UUID. */
   
9. 9 #define BLE_UUID_HEART_RATE_SERVICE                              0x180D     /**< Heart Rate service UUID. */
   
10. 10 #define BLE_UUID_HUMAN_INTERFACE_DEVICE_SERVICE                  0x1812     /**< Human Interface Device service UUID. */
    
11. 11 #define BLE_UUID_IMMEDIATE_ALERT_SERVICE                         0x1802     /**< Immediate Alert service UUID. */
    
12. 12 #define BLE_UUID_LINK_LOSS_SERVICE                               0x1803     /**< Link Loss service UUID. */
    
13. 13 #define BLE_UUID_NEXT_DST_CHANGE_SERVICE                         0x1807     /**< Next Dst Change service UUID. */
    
14. 14 #define BLE_UUID_PHONE_ALERT_STATUS_SERVICE                      0x180E     /**< Phone Alert Status service UUID. */
    
15. 15 #define BLE_UUID_REFERENCE_TIME_UPDATE_SERVICE                   0x1806     /**< Reference Time Update service UUID. */
    
16. 16 #define BLE_UUID_RUNNING_SPEED_AND_CADENCE                       0x1814     /**< Running Speed and Cadence service UUID. */
    
17. 17 #define BLE_UUID_SCAN_PARAMETERS_SERVICE                         0x1813     /**< Scan Parameters service UUID. */
    
18. 18 #define BLE_UUID_TX_POWER_SERVICE                                0x1804     /**< TX Power service UUID. */

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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：