蓝牙协议栈学习/开发利器-BTSNOOP介绍

原创专注于无线通信的蓬勃 2020-07-24 07:42

TI MCU方案：能源基础设施实时控制 【应用手册】TI 全新MCU及C29内核的能源设施应用方案

一. 声明

本专栏文章我们会以连载的方式持续更新，本专栏计划更新内容如下：

第一篇:蓝牙综合介绍，主要介绍蓝牙的一些概念，产生背景，发展轨迹，市面蓝牙介绍，以及蓝牙开发板介绍。

第二篇:Transport层介绍,主要介绍蓝牙协议栈跟蓝牙芯片之前的硬件传输协议,比如基于UART的H4,H5,BCSP，基于USB的H2等

第三篇:传统蓝牙controller介绍，主要介绍传统蓝牙芯片的介绍，包括射频层（RF），基带层（baseband），链路管理层（LMP）等

第四篇:传统蓝牙host介绍，主要介绍传统蓝牙的协议栈，比如HCI,L2CAP,SDP,RFCOMM,HFP,SPP,HID,AVDTP,AVCTP,A2DP,AVRCP,OBEX,PBAP,MAP等等一系列的协议吧。

第五篇：低功耗蓝牙controller介绍，主要介绍低功耗蓝牙芯片，包括物理层（PHY），链路层（LL）

第六篇：低功耗蓝牙host介绍，低功耗蓝牙协议栈的介绍，包括HCI,L2CAP,ATT,GATT,SM等

第七篇：蓝牙芯片介绍，主要介绍一些蓝牙芯片的初始化流程，基于HCI vendor command的扩展

第八篇：附录，主要介绍以上常用名词的介绍以及一些特殊流程的介绍等。

另外，开发板如下所示，对于想学习蓝牙协议栈的最好人手一套。以便更好的学习蓝牙协议栈，相信我，学完这一套视频你将拥有修改任何协议栈的能力（比如Linux下的bluez，Android下的bluedroid）。

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CSDN学院链接（进入选择你想要学习的课程）：

蓝牙交流扣扣群：970324688

Github代码：

入手开发板：

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二. 前言

首先在介绍以下内容之前，我们先来介绍下我们的CSDN课程，以下介绍内容都会在 CSDN课程中第三小节/第四小节介绍。

三.Btsnoop利器介绍

1. Btsnoop概念介绍

开发过Android 蓝牙的人肯定知道Btsnoop，但是我还是罗嗦一下概念，让那些不懂Btsnoop的人看下。

Btsnoop用于记录蓝牙协议栈跟芯片交互的数据，一般用于在分析蓝牙问题的时候有很大的用途，能够快速定位问题所在，当然对于学习蓝牙协议栈也有很大的用途，我们后续的教程也是基于btsnoop来分析协议。

在android手机中也有开启btsnoop的功能，在开发者选项中勾中这个就开启了btsnoop功能。注意：每个手机生成的btsnoop的路径不同，所以要仔细找下，更为坑爹的是：有的手机升级后btsnoop竟然功能失效，比如我的手机，从Android 8升级到Android 9后竟然btsnoop的功能失效了，坑不坑。但是没有关系哈，我们在我们的开发板代码中也实现了btsnoop功能。手机开启btsnoop的功能的地方如下图：

Btsnoop有多种格式，分别有简化版的（比如btstack source code就是实现了简化版的），简化版的只能在Wireshark中打开，而我们实现的可以在Wireshark,Frontline跟Ellisys都可以打开，我个人觉得实现我们这种方式好，因为牵扯到工具的使用，Wireshark虽然对于分析tcp/ip协议不错，但是没有协议汇总功能。我们来看下btsnoop在各个工具中打开的效果图：

1）Wireshark打开效果图

2）Frontline打开效果图

3）Ellisys打开效果图

关于这3个工具的使用，我们会单独一篇文章来大概说明，我个人比较喜欢Ellisys的工具来看

2. Btsnoop格式介绍

此部分是直接看frontline官网整理的btsnoop格式

这个格式如下（所有的数据都是大端模式，也就是高位在前）

下面我们来分别介绍下文件格式的几部分内容

1）File Header

文件头是一个固定长度的字段，包含关于包文件及其包含的包记录的格式的一般信息。文件头字段后面有一个或多个可变长度的包记录字段。

整个文件头包括Identification Pattern（8 byte），Version Number(4 Byte)，Datalink Type(4 Byte).

① Identification Pattern

就是特定的十六进制数据，以NULL结尾0x62 0x74 0x73 0x6e 0x6f 0x6f 0x70 0x0，Asciii的值为”btsnoop”

② Version Number，暂时一直为1

③ Datalink Type，类型定义如下：

此部分android的bluedroid不管是H5还是BCSP都会剥开transport数据，来以H4方式存储，这样足以可以看到蓝牙交互流程了。

下面我们随便打开一个我之前录制好的btsnoop来解析下file header。

其中data link是0x3ea=1002是H4，所以看这部分完全符合btsnoop的file header部分

2） Packet recored，此部分就是蓝牙协议栈跟蓝牙芯片每包交互的数据，格式如下

Packet recored包括Original Length,Included Length,Packet Flags,Cumulative Drops,Timestamp Microseconds,Packet Data.

因为此部分我们以H4来讨论，所以就直接按照H4来写

① Original Lenth：4 byte ,此部分说白了就是H4 packet的数据长度

② Included Length：等于Original Lenth

③ Packet Flag：包类型

hci cmd是协议栈发送数据给蓝牙芯片，所以bit 0=0,bit1=1也就是0x02

hci event是协议栈从蓝牙芯片接收数据，所以bit 0=1,bit1=1也就是0x03

hci acl out是协议栈发送数据给蓝牙芯片，所以bit 0=0,bit1=0也就是0x00

hci acl in是协议栈从蓝牙芯片接收数据，所以bit 0=1,bit1=0也就是0x01

hci sco out是协议栈发送数据给蓝牙芯片，所以bit 0=0,bit1=0也就是0x00

hci sco in是协议栈从蓝牙芯片接收数据，所以bit 0=1,bit1=0也就是0x01

④ Cumulative Drops:计算丢包功能，此部分我们设置为0

⑤ Timestamp Microseconds：毫秒，此部分是是从公元0年1月1号午夜开始算起，

所以此部分如果要在android跟Linux,unix用的话，那么需要加上1970年，因为1970年是unix元年，也就是诞生的日子，所以会看到android部分会在时间上加上这部分0x00dcddb30f2f8000ULL,这部分我还真算过，时间是这么久。

1971年多点·，但是此部分我很诧异，觉得应该是刚好1971年的，所以如果有懂的可以提一下，让我也涨涨见识。

⑥ Pakcet data:就是transport数据了，此部分我们是H4，所以就是H4数据

3. Btsnoop实现方式介绍

因为Btsnoop是写文件的方式，对于有文件系统的开发板来说可以直接用，比如Linux可以直接open/write,有fatfs/littilfs或者等其他file system的板子来说都好办，都可以直接存储，主要考虑下存储空间就好了，但是你有想过没，对于没有文件系统的开发板呢？难道除了买air sniffer来说就没有别的办法了吗?况且蓝牙空中抓包器那么贵（我是指传统蓝牙的抓包哈，BLE的抓包可能只是几十块钱），那我们有什么办法呢？有，我在其他开发板中实现过，现在我来说说当初我的思路。

对于没有文件系统的开发板实现方式转换一层思路就好了，通过debug方式把HCI数据交于PC处理，就跟打调试日志一样的道理，只不过换成了HCI数据，但是需要自己实现上位机，来解析HCI数据，以及在PC端按照2小节的格式来存储起来就好了，架构如下：

4. Btsnoop代码介绍

代码以Linux为例哈，我们分别会讲btsnoop初始化/存储btsnoop/btsnoop关闭

1）btsnoop初始化代码如下：

err_t bt_snoop_init(void)
{
    time_t t;
    struct tm *p;

    time(&t);
    p = gmtime(&t);
    uint8_t bt_snoop_name[64] = {0};

    sprintf(bt_snoop_name,"%sbtsnoop_d_d_d_d_d_d.log",BT_SNOOP_PATH,1900   p->tm_year,1   p->tm_mon, \
            p->tm_mday,8   p->tm_hour,p->tm_min,p->tm_sec);/* time zone hour 8 */


    bt_snoop_file = open(bt_snoop_name, O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC, S_IRUSR | S_IWUSR | S_IRGRP | S_IROTH);
    if(bt_snoop_file <0)
    {
        BT_SNOOP_TRACE_ERROR("ERROR:file[%s],function[%s],line[%d] bt_snoop_init open fail\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
        return BT_ERR_VAL;
    }
    BT_SNOOP_TRACE_DEBUG("bt snoop fd %d\n",bt_snoop_file);

    write(bt_snoop_file, "btsnoop\0\0\0\0\1\0\0\x3\xea", 16);

    return BT_ERR_OK;
}

2）btsnoop写record data

/******************************************************************************
 * func name   : bt_snoop_write
 * para        : packet_type(IN)	--> packet type
                 in(IN)	--> 标示是否是蓝牙芯片到协议栈的数据
                 packet(IN)		--> 要写的的HCI数据
                 len(IN)		--> 要写入的长度
 * return      : 返回bt_snoop_write的结果
 * description : 把HCI数据写入到btsnoop file中
******************************************************************************/
err_t bt_snoop_write(uint8_t  packet_type, uint8_t  in, uint8_t *packet, uint16_t len)
{
    struct timeval curr_time;
    struct tm* ptm;
    uint32_t length_he = 0;
    uint32_t flags = 0;
    uint64_t time_stamp = 0;

    btsnoop_header_t header;

    if (bt_snoop_file < 0)
    {
        BT_SNOOP_TRACE_ERROR("ERROR:file[%s],function[%s],line[%d] bt_snoop_write fd invalid\n",__FILE__,__FUNCTION__,__LINE__);
        return BT_ERR_VAL;
    }

    //BT_SNOOP_TRACE_DEBUG("bt_snoop_write type(%d) in(%d) len(%d)\n",packet_type,in,len);
    gettimeofday(&curr_time, NULL);
    time_stamp = (curr_time.tv_sec 8*60*60)*1000000ULL curr_time.tv_usec \
		BTSNOOP_EPOCH_DELTA;/* time zone hour 8 */

    switch (packet_type)
    {
    case BT_SNOOP_PACKET_TYPE_CMD:
        length_he = packet[2]   4;
        flags = 2;
        break;
    case BT_SNOOP_PACKET_TYPE_ACL_DATA:
        length_he = (packet[3] << 8)   packet[2]   5;
        flags = in;
        break;
    case BT_SNOOP_PACKET_TYPE_SCO_DATA:
        length_he = packet[2]   4;
        flags = in;
        break;
    case BT_SNOOP_PACKET_TYPE_EVT:
        length_he = packet[1]   3;
        flags = 3;
        break;
    default:
        return;
    }
    header.length_original = bt_htonl(length_he);
    header.length_captured = header.length_original;
    header.flags = bt_htonl(flags);
    header.dropped_packets = 0;
    header.timestamp = bt_htonll(time_stamp);
    header.type = packet_type;

    write(bt_snoop_file,&header, sizeof(btsnoop_header_t));
    write(bt_snoop_file,packet, length_he - 1);


    return BT_ERR_OK;
}

3）btsnoop关闭

/******************************************************************************
 * func name   : bt_snoop_deinit
 * para        : VOID
 * return      : 返回bt_snoop_deinit结果
 * description : btsnoop的deinit
******************************************************************************/
err_t bt_snoop_deinit(void)
{
    if(bt_snoop_file != -1)
        close(bt_snoop_file);

	return BT_ERR_OK;
}

好了，学会了btsnoop就可以开始我们正式学习蓝牙协议栈的旅程了，就不是单纯的搞搞蓝牙概念了

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