详解BLE连接建⽴过程
同⼀款⼿机，为什么跟某些设备可以连接成功，⽽跟另外⼀些设备⼜连接不成功？同⼀个设备，为什么跟某些⼿机可以建⽴连接，⽽跟另外⼀些⼿机⼜⽆法建⽴连接？同⼀个⼿机，同⼀个设备，为什么他们两者有时候连起来很快，有时候连起来⼜很慢？Master是什么？slave⼜是什么？什么⼜是Connection event和slave latency？希望这篇⽂章能帮助你回答上述问题。
BLE连接⽰例
附红细胞体假设我们有⼀台⼿机A（以安卓⼿机为例），⼀个设备B（设备名称：Nordic_HRM），如下所⽰，我们可以通过安卓设置菜单⾥⾯的蓝⽛界⾯，让两者连接起来。
1. 打开安卓设置菜单
2. 选择“蓝⽛”条⽬
3. 打开蓝⽛
4. 等待系统搜索结果，不出意外的话，设备“Nordic_HRM”会出现在结果列表中
5. 点击“Nordic_HRM”，⼿机将与此设备建⽴连接
上述即为⼤家直观感受到的“连接”，那么⼿机要与设备Nordic_HRM建⽴连接，具体包含哪些流程？他们为什么可以连接成功？下⾯给⼤家⼀⼀道来。
⼴播（advertising）
在⼿机跟设备B建⽴连接之前，设备B需要先进⾏⼴播，即设备B（Advertir）不断发送如下⼴播信号，t为⼴播间隔。每发送⼀次⼴播包，我们称其为⼀次⼴播事件（advertising event），因此t也称为⼴播事件间隔。虽然图中⼴播事件是⽤⼀根线来表⽰的，但实际上⼴播事件是有⼀个持续时间的，蓝⽛芯⽚只有在⼴播事件期间才打开射频模块，这个时候功耗⽐较⾼，其余时间蓝⽛芯⽚都处于idle状态，因此平均功耗⾮常低，以Nordic nRF52810为例，每1秒钟发⼀次⼴播，平均功耗不到11uA。
上⾯只是⼀个概略图，按照蓝⽛spec，实际上每⼀个⼴播事件包含三个⼴播包，即分别在37/38/39三个通道上同时⼴播相同的信息，即真正的⼴播事件是下⾯这个样⼦的。
霸王花排骨汤设备B不断发送⼴播信号给⼿机（Obrver），如果⼿机不开启扫描窗⼝，⼿机是收不到设备B的⼴播的，如下图所⽰，不仅⼿机要开启射频接收窗⼝，⽽且只有⼿机的射频接收窗⼝跟⼴播发送的发射窗⼝匹配成功，⼿机才能收到设备B的⼴播信号。由于这种匹配成功是⼀个概率事件，因此⼿机扫到设备B也是⼀个概率事件，也就是说，⼿机有时会很快扫到设备B，⽐如只需要⼀个⼴播事件，⼿机有时⼜会很慢才能扫到设备B，⽐如需要10个⼴播事件甚⾄更多。
建⽴连接（connection）
根据蓝⽛spec规定，advertir发送完⼀个⼴播包之后150us（T_IFS），advertir必须开启⼀段时间的射频Rx窗⼝，以接收来⾃obrver 的数据包。Obrver就可以在这段时间⾥给advertir发送连接请求。如下图所⽰，⼿机在第三个⼴播事件的时候扫到了设备B，并发出了连接请求conn_req。
上图的交互流程⽐较粗略，为此我们引⼊下图，以详细描述连接建⽴过程。
图5：连接建⽴过程
注：图中M代表⼿机，S代表设备B，M->S表⽰⼿机将数据包发给设备B，即⼿机开启Tx窗⼝，设备B开启Rx窗⼝；S->M正好相反，表⽰设备B将数据包发给⼿机，即设备B开启Tx窗⼝，⼿机开启Rx窗⼝。
如图所⽰，⼿机在收到A1⼴播包ADV_IND后，以此为初始锚点（这个锚点不是连接的锚点），T_IFS后给Advertir发送⼀个connection request命令，即A2数据包，告诉advertir我将要过来连你，请做好准备。Advertir根据connect_req命令信息做好接收准
备，connect_req包含如下关键信息：
Transmit window offt，定义如图5所⽰
Transmit window size，定义如图5所⽰
武汉大学mbaconnect_req数据包完整定义如下所⽰
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connect_req其实是在告诉advertir，⼿机将在Transmit Window期间发送第⼀个同步包（P1）给你，请在这段时间⾥把你的射频接收窗⼝打开。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给⼿机回复数据包P2。⼀旦⼿机收到数据包P2，连接即可认为建⽴成功。后续⼿机将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送Packet，Packet除了充当数据传送功能，它还有如下两个⾮常重要的功能：
1. 同步⼿机和设备的时钟，也就是说，设备每收到⼿机发来的⼀个包，都会把⾃⼰的时序原点重新设置，以跟⼿机同步。
2. 告诉设备你现在可以传数据给我了。连接成功后，BLE通信将变成主从模式，因此把连接发起者（⼿机）称为Master或者Central，把被连接者（之前的
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Advertir）称为Slave或者Peripheral。BLE通信之所以为主从模式，是因为Slave不能“随性”给Master发信息，它只有等到Master给它发了⼀个packet 后，然后才能把⾃⼰的数据回传给Master。
连接失败
有如下⼏种典型的连接失败情况：
1. 如图5所⽰，如果slave在transmit window期间没有收到master发过来的P1，那么连接将会失败。此时应该排查master那边的问题，看看master为什么
没有在约定的时间把P1发出来。
2. 如果master在transmit window期间把P1发出来了，也就是说master按照connect_req约定的时序把P1发出来了，但slave没有把P2回过去，那么连接也
会失败。此时应该排查slave这边的问题，看⼀看slave为什么没有把P2回过去
游艺场3. 如果master把P1发出来了，slave也把P2回过去了，此时主机还是报连接失败，这种情况有可能是master软件有问题，需要仔细排查master的软件。
4. 还有⼀种⽐较常见的连接失败情况：空中射频⼲扰太⼤。此时应该找⼀个⼲净的环境，⽐如屏蔽室，排除⼲扰后再去测试连接是否正常。Connection events
连接成功后，master和slave在每⼀个connection interval开始的时候，都必须交互⼀次，即master给slave发⼀个包，slave再给master发⼀个包，整个交互过程称为⼀个connection event。蓝⽛芯⽚只有在connection event期间才把射频模块打开，此时功耗⽐较⾼，其余时间蓝⽛芯⽚都是处于idle状态的，因此蓝⽛芯⽚平均功耗就⾮常低，以Nordic nRF52810为例，每1秒钟Master和Slave通信1次，平均功耗约为6微安左右。Master不可能时时刻刻都有数据发给slave，所以master⼤部分时候都是发的空包（empty packet）给slave。同样slave也不是时时刻刻都有数据给master，因此slave回复给master的包⼤部分时候也是空包。另外在⼀个connection event期间，master也可以发多个包给slave，以提⾼吞吐率。综上所述，连接成功后的通信时序图应该如下所⽰：
图7：连接成功后的通信时序图（每个connection event只发⼀个包）
图9：连接成功后的通信时序图（ connection event可能发多个包）
图10：connection event细节图IAD
Slave latency
图10中出现了slave latency（slave latency = 2），那么什么叫slave latency？
如前所述，在每⼀个connection interval开始的时候，Master和Slave必须交互⼀次，哪怕两者之间交互的是empty packet（空包），但如果slave定义了slave latency，⽐如slave latency = 9，此时slave可以每9个connection interval才回复⼀次master，也就是说slave可以在前⾯8个connection interval期间⼀直睡眠，直到第9个connection interval到来之后，才回复⼀个packet给master，这样将⼤⼤节省slave的功耗，提⾼电池续航时间。当然如果slave有数据需要上报给master，它也可以不等到第9个connection interval才上报，直接像正常情况进⾏传输即可，这样既节省了功耗，⼜提⾼了数据传输的实时性。
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GAP层⾓⾊总结
对上⾯提到的⼿机和设备B，在BLE通信过程中，随着时间的推移，他们的状态在发⽣变化，两者的关系也在发⽣变化，为此蓝⽛spec根据不同的时间段或者状态给⼿机和设备B取不同的名字，即GAP层定义了如下⾓⾊：
advertir。发出⼴播的设备
obrver或者scanner。可以扫描⼴播的设备
initiator。能发起连接的设备
master或者central。连接成功后的主设备，即主动发起packet的设备
slave或者peripheral。连接成功后的从设备，即被动回传packet的设备
图11通过时间把obrver，initiator和central串起来了，其实这三个⾓⾊是相互独⽴的，也就是说⼀个设备可以只⽀持obrver⾓⾊，⽽不⽀持initiator和central⾓⾊。同样，图11也把advertir和peripheral串起来了，其实advertir和peripheral也是相互独⽴的，即⼀个设备可以只作为advertir⾓⾊，⽽不⽀持peripheral⾓⾊。
图11：GAP层⾓⾊
