Bluetooth LE: стек, роли, реклама и соединение

Стек: контроллер, HCI и хост

Спецификация делит систему на две части (Core 6.0, Vol 1, Part A, разд. 1). Контроллер — всё, что ниже интерфейса HCI: физический уровень (радио) и канальный уровень (Link Layer), который отвечает за рекламу, сканирование, соединения, подтверждения и шифрование пакетов. Хост — всё, что выше HCI. Между ними — HCI (Host Controller Interface): набор команд и событий, по которому хост управляет контроллером. В отдельном модуле-«радио» HCI идёт по UART или USB, в однокристальной системе вроде ESP32-C3 обе части работают на одном чипе.

Приложение на микроконтроллере почти всегда работает с GAP и GATT через API стека (в ESP-IDF это NimBLE или Bluedroid): объявляет сервисы, запускает рекламу, обрабатывает запись в характеристику. Но скорость, задержку и потребление определяют параметры нижних уровней — их и разберём.

Физический уровень: PHY и каналы

BLE использует гауссовскую частотную манипуляцию GFSK с BT = 0,5 и индексом модуляции 0,45–0,55 (Vol 6, Part A, разд. 3.1). На ней построены три PHY для передачи данных (разд. 1):

Версии — по истории изменений спецификации (Vol 1, Part C, разд. 6.1: LE появился в 4.0; разд. 9.1: в 5.0 добавлены PHY 2 Мсимв/с, LE Long Range и расширенная реклама). Coded PHY передаёт тот же поток символов 1 Мсимв/с, но с избыточным кодированием: на каждый бит данных приходится 2 или 8 символов. Это и есть «дальний» режим BLE: спецификация требует от приёмника чувствительности не хуже −70 дБм на некодированных PHY, −75 дБм на S=2 и −82 дБм на S=8 (Vol 6, Part A, табл. 4.2; при доле ошибочных бит 0,1 % для пакетов до 37 байт данных). Реальные чипы заметно лучше этих минимумов — см. таблицу ниже.

Полоса BLE — 2400–2483,5 МГц, в ней 40 каналов через 2 МГц с центрами от 2402 до 2480 МГц (Vol 6, Part A, разд. 2). Три из них — первичные рекламные каналы с индексами 37, 38 и 39 на 2402, 2426 и 2480 МГц; остальные 37 — каналы общего назначения с индексами 0–36: на них идут соединения и вторичная (расширенная) реклама (Vol 6, Part B, разд. 1.4, табл. 1.3). Соединение перескакивает по каналам общего назначения от события к событию, а плохие каналы можно исключить картой каналов — так BLE уживается с Wi-Fi в той же полосе.

Мощность передатчика на максимальной настройке по спецификации — от 0,01 до 100 мВт, то есть от −20 до +20 дБм; по ней устройство относят к классу 1 (больше +10 дБм), 1,5, 2 или 3 (не больше 0 дБм) (Vol 6, Part A, разд. 3, табл. 3.1). Разрешённая мощность в конкретной стране задаётся не спецификацией, а местными нормами — для России их устанавливает решение ГКРЧ.

Реклама и сканирование

Пока соединения нет, устройство рекламирует себя: в каждом рекламном событии отправляет один и тот же пакет по очереди на каналах 37, 38 и 39 (Vol 6, Part B, разд. 4.4.2). Сканер слушает эти каналы окнами и, приняв пакет, может запросить дополнительные данные или установить соединение.

Начала соседних событий разделены временем T_advEvent = advInterval + advDelay. Интервал рекламы advInterval кратен 0,625 мс и лежит в пределах от 20 мс до 10 485,76 с, а advDelay — случайная добавка от 0 до 10 мс, которую канальный уровень выбирает заново для каждого события (разд. 4.4.2.2.1). Случайная задержка нужна, чтобы два устройства с одинаковым интервалом не сталкивались в эфире постоянно.

Устаревшие (legacy) рекламные пакеты бывают четырёх типов (разд. 2.3.1):

В пакете ADV_IND — адрес рекламирующего AdvA (6 байт) и данные AdvData от 0 до 31 байта (рис. 2.6). Ещё до 31 байта можно положить в ответ на запрос сканирования. Расширенная реклама (Bluetooth 5.0) отправляет на рекламных каналах только короткий указатель ADV_EXT_IND, а сами данные — на канале общего назначения, и данных хоста может быть до 1650 байт, которые контроллер передаёт цепочкой пакетов AUX_CHAIN_IND (разд. 2.3.4.9). Принимать расширенную рекламу умеют не все сканеры.

Какой интервал ставить, спецификация рекомендует в GAP (Vol 3, Part C, разд. 9.3.11, табл. A.1) для LE 1M:

Короткий интервал — быстрое обнаружение и большее потребление, длинный — экономия батареи и задержка обнаружения до нескольких секунд.

Роли GAP и GATT

GAP определяет четыре роли устройства в LE (Vol 3, Part C, разд. 2.2.2):

• Broadcaster — только рекламирует, соединений не принимает (маячок, датчик-вещатель);
• Observer — только слушает рекламу (шлюз, собирающий данные маячков);
• Peripheral — принимает соединение (датчик, браслет, устройство под управлением смартфона);
• Central — устанавливает соединение (смартфон, шлюз, пульт).

Роли GATT от них не зависят. Сервер GATT хранит атрибуты, клиент их читает и пишет. Обычно периферия — сервер, а смартфон — клиент, но бывает и наоборот. Данные сервера организованы иерархически: профиль состоит из сервисов, сервис — из характеристик, характеристика — из значения и необязательных дескрипторов (Vol 3, Part G, разд. 2.6.1). Каждый элемент — атрибут с 16-битным номером (handle), типом (UUID) и правами доступа. Клиент может прочитать или записать значение, а сервер — без запроса отправить уведомление (без подтверждения) или индикацию (с подтверждением), если клиент включил их в дескрипторе конфигурации характеристики.

Значение атрибута — не длиннее 512 байт, но за одну операцию передаётся не больше, чем позволяет ATT_MTU (Vol 3, Part F, разд. 3.2.9). В LE ATT_MTU по умолчанию — 23 байта (Part G, разд. 5.2.1, табл. 5.1), и в уведомление помещается ATT_MTU − 3 = 20 байт данных: 1 байт кода операции и 2 байта номера атрибута. Больший MTU стороны согласуют процедурой обмена MTU сразу после соединения. Наибольший ATT_MTU, который имеет смысл согласовывать, — 517 байт: 512 байт наибольшего значения атрибута плюс 5 байт заголовка ATT_PREPARE_WRITE_REQ — код операции, номер атрибута и смещение (наш расчёт по Vol 3, Part F). Именно 517 — предел MTU в стеке Bluedroid ESP-IDF (ESP_GATT_MAX_MTU_SIZE), по умолчанию там те же 23 байта.

Соединение: интервал, задержка, тайм-аут

После соединения обмен идёт событиями соединения: центральное устройство в начале каждого события отправляет пакет, периферия отвечает, и так, пока у сторон есть данные или пока не кончится событие. Между событиями радио молчит. Три параметра определяют ритм (Vol 6, Part B, разд. 4.5.1 и 4.5.2):

Тайм-аут должен быть больше (1 + latency) × connInterval × 2 (без подрейтинга соединения). Например, при интервале 100 мс и задержке 4 периферия просыпается раз в 500 мс, если ей нечего сказать, а тайм-аут должен быть больше 1 с.

Значения выбирает центральное устройство, периферия может только попросить другие (процедура запроса параметров соединения). Смартфоны и их стеки нередко ограничивают допустимые интервалы — проверяйте, какие параметры реально установились, по событию стека.

Пакет канального уровня и длина данных

Пакет на некодированном PHY состоит из преамбулы (1 байт на LE 1M, 2 байта на LE 2M), адреса доступа (4 байта), PDU с 16-битным заголовком и CRC (3 байта) (Vol 6, Part B, разд. 2.1). Данные в пакете соединения — не длиннее 251 байта (разд. 2.4). Но по умолчанию контроллеры начинают с 27 байт, и большую длину согласуют процедурой обновления длины данных; её поддержка появилась в версии 4.2 (Vol 1, Part C, разд. 8.1; Vol 6, Part B, разд. 4.5.10). Между пакетами — межкадровый интервал T_IFS, по умолчанию 150 мкс (разд. 4.1.1).

27 байт по умолчанию согласованы с MTU по умолчанию: 4 байта заголовка L2CAP (длина и номер канала, Vol 3, Part A, разд. 3.1) + 3 байта заголовка ATT + 20 байт данных = 27 байт. Поэтому без согласования MTU и длины данных каждое уведомление несёт 20 байт.

Пример: сколько на самом деле передаёт BLE

Оценим верхний предел скорости в одну сторону уведомлениями, если событие соединения заполнено пакетами целиком: периферия передаёт пакет, центральное отвечает пустым, между ними два интервала по 150 мкс. Шифрование (4 байта MIC в каждом пакете) не учитываем. Всё ниже — наш расчёт по форматам пакета из спецификации.

LE 1M, параметры по умолчанию. Пакет с 27 байтами данных: 1 + 4 + 2 + 27 + 3 = 37 байт = 296 бит → 296 мкс. Пустой ответ: 1 + 4 + 2 + 3 = 10 байт → 80 мкс. Цикл: 296 + 150 + 80 + 150 = 676 мкс на 20 байт полезных данных — около 29,6 кБ/с, или 237 кбит/с.

LE 2M, длина данных 251 байт, ATT_MTU 247. Пакет: 2 + 4 + 2 + 251 + 3 = 262 байта → 1048 мкс при 2 Мбит/с. Пустой ответ: 11 байт → 44 мкс. Цикл: 1048 + 150 + 44 + 150 = 1392 мкс на 244 байта данных — около 175 кБ/с, или 1,4 Мбит/с.

Разница в шесть раз — только от согласования PHY, длины пакета и MTU. На практике получается меньше: контроллер обслуживает в событии ограниченное число пакетов, между событиями есть паузы, мешают Wi-Fi и повторы, а смартфон может не согласиться на 2M или длинные пакеты. Но порядок величин верный: «BLE медленный» чаще всего означает, что остались 20 байт на пакет.

Потребление рекламы. Маячок с ADV_NONCONN_IND и 31 байтом данных: PDU = 2 + 6 + 31 = 39 байт, пакет 1 + 4 + 39 + 3 = 47 байт → 376 мкс на LE 1M; три канала — 1,13 мс эфира на событие. При интервале 1 с передатчик включён 0,11 % времени. У ESP32-H2 пиковый ток передачи при 0 дБм — 36 мА (даташит, табл. 5-6), значит, средний ток собственно передачи ≈ 36 мА × 0,00113 ≈ 41 мкА (наш расчёт). Реальный средний ток выше: к нему добавляются пробуждение процессора, включение и перестройка радио между каналами и ток сна — их меряют на конкретной плате.

Чипы: что пишут даташиты

По даташитам Espressif (ESP32 v5.3, ESP32-C3 v2.4, ESP32-S3 v2.2, ESP32-C6 v1.5, ESP32-H2 v1.3), типовые значения при 3,3 В и 25 °C. Espressif указывает чувствительность при доле потерянных пакетов 30,8 %: это та же норма BER 0,1 %, пересчитанная на тестовый пакет. Наш расчёт: пакет с 37 байтами данных на LE 1M — 1 + 4 + 2 + 37 + 3 = 47 байт; без преамбулы проверяется 46 байт = 368 бит, и 1 − 0,999³⁶⁸ ≈ 0,308. Сравнивая чипы разных производителей, проверяйте, при какой доле ошибок указана чувствительность, — подробнее в статье «Беспроводные технологии».

ESP32 первого поколения соответствует Bluetooth 4.2, поэтому 2M, Coded PHY и расширенной рекламы у него нет — они появились в 5.0. Для нового устройства на BLE выбирают чипы с Bluetooth 5: у ESP32-C3 и ESP32-S3 рядом есть Wi-Fi, у ESP32-C6 — Wi-Fi 6 и IEEE 802.15.4, ESP32-H2 — без Wi-Fi, с BLE и 802.15.4.

Безопасность: сопряжение

Сопряжение выполняет протокол SMP (Vol 3, Part H, разд. 2.3). Устройства обмениваются возможностями ввода-вывода (есть ли дисплей, клавиатура, кнопки «да/нет») и по ним выбирают метод: Just Works без участия пользователя, ввод шестизначного ключа, сравнение чисел на двух экранах или внеполосный обмен (например, через NFC). Защиту от атаки «человек посередине» дают все методы, кроме Just Works.

Важно различать два поколения. В старом LE legacy pairing ни один метод не защищает от пассивного прослушивания самого сопряжения: временный ключ предсказуем или легко подбирается. В LE Secure Connections (добавлено в 4.2, Vol 1, Part C, разд. 8.1) стороны вычисляют долговременный ключ через обмен по Диффи — Хеллману на эллиптических кривых, и пассивный наблюдатель его не получит. Если обе стороны поддерживают Secure Connections, используется он (Part H, разд. 3.5.1). В новом устройстве отключайте legacy pairing, если это позволяет совместимость.

Частые ошибки

• 20 байт на пакет навсегда. Не согласован MTU и длина данных — скорость в разы ниже возможной. Запрашивайте больший MTU после соединения и проверяйте, что установилось.
• Реклама каждые 20 мс круглые сутки. Быстрая реклама нужна на десятки секунд после нажатия кнопки, дальше — фоновая с интервалом около секунды.
• Тайм-аут меньше допустимого. При большой задержке периферии и коротком тайм-ауте соединение рвётся; держите тайм-аут больше (1 + latency) × connInterval × 2 с запасом.
• Надежда на Coded PHY со смартфоном. Дальний режим должен поддерживать и чип телефона; проверяйте до того, как закладывать дальность в требования.
• Расширенная реклама для всех. Старые сканеры её не видят; если устройство должно находиться любым телефоном, оставьте и устаревшую рекламу.
• Антенна «как получилось». Чувствительность −97 дБм не спасёт, если антенна зажата металлом или батареей: см. антенны и разводку ВЧ-части платы, а запас по дальности — в бюджете радиолинии.