【蓝牙协议栈】General Inquiry和Limited Inquiry全解析

前言

蓝牙设备发现机制分为普通搜索和受限搜索两种模式。普通搜索使用GIAC码，可发现所有可发现设备，耗时约10.24秒，适用于初始配对等场景；受限搜索使用LIAC码，仅发现特定设备，耗时约2.56秒，适用于快速重连等场景。查询过程涉及IDPacket（查询请求）、FHSPacket（基础响应）和可选的EIRPacket（扩展信息响应）。IDPacket包含查询访问码，FHSPacket提供设备地址等关键信息，EIRPacket则提供更详细的设备信息。查询参数包括访问码类型、持续时间和响应数量等设置。

背景

表 4.1 规定了响应设备（设备 B）的行为要求。

表 6.1 规定了搜索和发现步骤的设备（设备 A）的要求。

1. Inquiry mode

在传统蓝牙（BR/EDR）中，受限搜索模式（Limited Inquiry）和普通搜索模式（General Inquiry）是两种设备发现机制，主要区别如下：

1.1 普通搜索模式（General Inquiry）

• 目的：发现周围所有可发现的蓝牙设备，无论它们处于普通可发现模式还是受限可发现模式。
• 查询访问码：使用 GIAC（General Inquiry Access Code，通用查询访问码）。
• 响应设备：所有处于可发现模式（如“可被发现”或“通用可发现”）的设备都会响应。
• 应用场景：
  • 初始配对、搜索未知设备（如搜索新耳机、手机等）。
  • 用户主动搜索周围所有蓝牙设备。
• 搜索时间：通常较长（默认约10.24秒），以确保发现更多设备。
• 条件：为了使设备 A 能够接收查询响应，范围内的远程设备必须设置为可发现状态（受限发现或普通发现模式）

1.2 受限搜索模式（Limited Inquiry）

• 目的：仅发现特定类型或受限可发现的设备。
• 查询访问码：使用 LIAC（Limited Inquiry Access Code，受限查询访问码）。
• 响应设备：仅处于受限可发现模式的设备会响应（例如，设备仅临时开放发现）。
• 应用场景：
  • 快速连接已知设备或特定服务（如之前配对过的设备）。
  • 隐私保护场景，避免被广泛搜索。
  • 省电或减少搜索流量。
• 搜索时间：通常较短（默认约2.56秒），以提高效率。
• 条件：为了使设备 A 能够接收搜索响应，必须将范围内的远程设备设置为有限可发现模式。

1.3 两者核心区别总结

1.4 技术细节

• 设备可同时支持两种模式，但需分别响应对应的查询访问码。
• 受限搜索模式在蓝牙规范中设计为临时状态，设备通常不会长期处于此模式。
• 实际应用中，普通搜索更常见（如手机搜索蓝牙设备），而受限搜索多用于特定协议或优化场景。

1.5 示例

• 普通搜索：打开手机蓝牙，点击“搜索设备”，会列出周围所有可发现的蓝牙耳机、音箱等。
• 受限搜索：蓝牙耳机在配对模式下仅短时间（如30秒）进入受限可发现状态，此时手机可通过受限搜索快速找到它。

2. Inquiry报文格式

在蓝牙核心规范中，查询（Inquiry） 过程是实现设备发现的关键。这个过程主要涉及三种核心报文：ID Packet、FHS Packet 和可选的 EIR Packet。下表汇总了它们的主要区别：

2.1. ID Packet格式与生成

ID Packet本质上是反复发送的查询访问码，其生成与结构如下：

组成核心： 查询访问码（LAP）

• GIAC：0x9E8B33
• LIAC：0x9E8B00

生成过程：以LAP（如0x9E8B33）为种子，通过一组预定义的72位同步字序列生成。该序列由两部分组成：

• 前置码：1010或0101交替的4位模式，用于直流平衡和同步。
• 同步字：根据LAP计算出的64位独特序列，具备强自相关特性，便于接收端在嘈杂环境中可靠识别。

关键特性：ID Packet没有传统数据包的包头、有效载荷或CRC。它是一个“简化到极致”的信号，唯一目的就是让扫描设备知道“正在进行一次查询”。

2.2. FHS Packet格式详解

FHS Packet是一个完整的、包含了连接所需全部基础信息的蓝牙数据包。

FHS Packet整体结构（240位 = 30字节）

关键字段深度解析：

1. 蓝牙地址（BD_ADDR）：由NAP、UAP、LAP拼接成48位唯一地址。查询响应中，LAP部分可能与原始ID Packet的查询LAP不同。
2. 设备类（Class of Device）：
   • 格式：一个24位的字段，划分为三个部分：
     • Bit 23-13：次要设备类，描述设备在主要类别中的子类型。
     • Bit 12-8：主要服务类，描述设备提供的核心服务（如渲染、音频、电话等）。
     • Bit 7-2：主要设备类，描述设备的大类（如电话、音频、外设、成像等）。
     • Bit 1-0：格式类型，通常为00。
3. 时钟偏移（Clock Offset）：
   • 这是查询设备本地时钟与响应设备本地时钟之间采样时刻的差值，计算公式为：
     clock_offset = (CLKN_{slave} - CLKN_{master}) mod 32768
   • 主设备在后续的寻呼（Page）过程中使用此偏移量，可以大幅缩短连接建立时间。
4. 扫描模式（SR & Page Scan Mode）：
   • 这些字段告诉查询设备，应该以何种方式、多快的速度来发起后续的寻呼连接。

2.3 EIR Packet格式详解

EIR Packet紧随FHS之后发送，采用TLV（类型-长度-值） 结构（也称为LTV，即长度-类型-值），提供丰富的扩展信息。

EIR数据段整体结构

整个EIR Packet的有效载荷由一个或多个EIR数据结构顺序连接而成。

单个EIR数据结构格式

常用EIR数据类型（Type）示例

2.4 解析示例

假设收到一个EIR数据片段：02 01 06 05 09 48 65 6C 6C 6F

• 02 01 06：第一个数据结构。长度=2（01和06共2字节），类型=0x01（标志位），数据=0x06（二进制00000110，表示支持LE普通发现模式且同时支持BR/EDR）。
• 05 09 48 65 6C 6C 6F：第二个数据结构。长度=5，类型=0x09（完整名称），数据=48 65 6C 6C 6F（ASCII码对应“Hello”）。

2.5 总结

查询/响应流程中的报文交互：

1. 主查询设备在多个频率上重复发送ID Packet（只有访问码）。
2. 从设备在扫描时捕获ID Packet，计算时机，在特定时隙用FHS Packet回复，其中包含连接必需的地址、时钟和类别信息。
3. （可选）从设备紧接着发送EIR Packet，提供名称、服务、功率等丰富元数据。