蓝牙基础(四)：蓝牙状态、角色、地址与网络结构

liwen01 2025.10.01

前言

在一个笔记本电脑上，它的蓝牙可以同时连接：手机，蓝牙耳机、音响、键盘、鼠标、打印机等等外设。

这些设备有些是 BR/EDR, 有些是BLE，所以笔记本电脑的蓝牙肯定是双模蓝牙，能同时支持BR/EDR 和 BLE 设备。

在这个由多个蓝牙设备组成的网络中，它们处于什么状态，各自的角色是什么，它们又是通过什么来区分彼此？

实际在不同的蓝牙版本中，它们的定义有很大的变化。

在查看蓝牙相关资料时，有些概念容易被搞混，也常常造成理解上的偏差。

（一）蓝牙状态

BR/EDR 与 BLE 使用不同的控制器，所以它们的链路控制器的状态也存在明显差异。

（1）经典蓝牙状态

STANDBY（待机状态）:设备默认状态，在该状态下设备没有发出任何蓝牙射频信号，所以它功耗最低。在此状态下，它只是在等待外部命令触发状态切换。

INQUIRY（查询状态）：用于主动查找附近的蓝牙设备，设备发送 Inquiry 请求，目标设备在 Inquiry Scan 状态中会响应。

INQUIRY SCAN（查询扫描状态）：设备周期性监听查询请求（Inquiry packets），如果收到合法的 Inquiry 请求，设备会回应其地址和信息。

PAGE（寻呼状态）：发起连接使用的状态，发起方已知目标设备的地址，发送 Page（寻呼包）尝试建立连接、Page 包中包含目标设备的 BD_ADDR、重复发送寻呼直到目标设备响应或超时。

PAGE SCAN（寻呼扫描状态）：目标设备在该状态中监听寻呼包，如果接收到寻呼包，进入配对流程并建立连接。

SYNCHRONIZATION TRAIN（同步训练状态）：发送一组同步包，让对方设备更容易锁定频道，减少设备发现时间。

SYNCHRONIZATION SCAN（同步扫描状态）：设备监听并锁定同步训练包，成功锁定后进入下一步操作（如连接、配对）。

CONNECTION（连接状态）：双方已经完成握手（Paging）并建立同步，可进行数据传输，包括 L2CAP 数据包、控制包、音频数据等。

（2）经典蓝牙 Page 状态

使用 Wireshark 搭配 Bluetooth Dongle 抓取的 HCI 数据包，你会发现：没有 Page 阶段的数据包，因为它发生在控制器内部的射频层（Baseband + LMP）。

你在 Wireshark 的 HCI 视图中只能看到：

Sent: Create Connection
Event: Connection Complete

中间的 page 流程是控制器内部完成的，这部分数据不需要经过 Wireshark，所以也就显示不了。

（3）经典蓝牙 CONNECTION 子模式

它们的关系可以简化为下面关系：

Connection State
 ├── Active Mode
 │    ├── Sniff Mode
 │    ├── Hold Mode
 │    └── Park Mode
 └── Connectionless Peripheral Broadcast Mode

注意：在蓝牙核心规范V5.3中，Active Mode 模式下已经没有 Park Mode 这个模式了。

Active Mode（活动模式）：Active Mode 是默认模式。在此模式中，设备（从机）保持同步并始终监听主机（Master）的 Poll 包。主从设备之间的通信是持续的、周期性的。从机必须在每个主机 Poll 时间点监听，功耗较高。

Sniff Mode（嗅探模式）：Sniff 模式是一种低功耗模式。从机不再持续监听，而是按照约定的 Sniff 间隔（T_sniff） 定期监听主机。其余时间从机关闭接收机进入休眠。在 Sniff 窗口期间，从机能收发数据；窗口外从机不响应主机。

例如耳机在待机播放时段，保持低功耗但仍能响应主机的控制命令。优点是节能，缺点是通信延迟变高

Hold Mode（保持模式）：Hold 模式也是低功耗模式的一种，但与 Sniff 不同。从机在指定时间内完全不参与连接通信；在 Hold 时间结束后，再恢复到 Active 模式。Hold 模式通常在从机需要执行其他任务（如扫描、建立新连接、或暂时关闭射频）时使用

比如:一个设备可能暂时挂起当前连接以执行页面扫描操作（Page Scan）

（4）BLE 蓝牙状态

BLE 状态机以 Standby 为中心，其他状态围绕它转换，设计更为节能与高效。

Standby（待机）状态 ：BLE默认状态为 Standby，不进行任何广播、扫描或连接操作，该模式下功耗最低。它是所有状态的中心枢纽，可跳转到任何其他状态。

Advertising（广播）状态：设备周期性发送广播包（ADV），告诉周围设备“我在这儿”。

Scanning（扫描）状态 ：设备监听并接收广播包，可选择性回应广播设备，实现设备发现（如手机找蓝牙耳机）。

Initiating（发起连接）状态：主设备（Central）在此状态下发起连接请求给广播设备（Peripheral）。

Connection（连接）状态：设备之间建立了一个正式的连接。使用数据通道进行定时通信，支持读写服务、通知、长连接等操作。

Synchronization（同步）状态：用于周期性广播同步（如广播音频）；设备不建立连接，仅同步获取广播内容。

Isochronous Broadcasting（等时广播）状态：BLE 5.2 引入的状态，支持等时性数据广播（如 LE Audio）；广播音频数据流，无需连接即可接收；

（5）经典蓝牙与BLE蓝牙状态的区别

经典蓝牙 BR/EDR更适合持续大数据量的通信（如音频、文件传输）；

BLE 更适合低功耗、间歇、小数据量通信，特别是物联网设备；

特性/对比点	经典蓝牙（BR/EDR）	BLE（低功耗蓝牙）
状态机复杂性	更复杂，包含 Inquiry、Page 等	更简洁，以 Standby 为中心的放射状状态图
广播机制	没有通用广播，需先发现、再配对	支持广播和扫描机制，无需连接也能传输信息
连接建立过程	分为 Inquiry + Page 两阶段	Advertising + Initiating 一步完成
功耗控制	设计为连续音频或数据传输，功耗较高	设计为间歇通信，功耗非常低
通信角色	Piconet 主从结构（固定主从）	Central-Peripheral 灵活切换
支持的应用	传统音频（如耳机）、数据同步等	IoT、传感器、手环、LE Audio 等
新特性支持	不支持 LE Audio 等新协议	支持 Periodic Advertising、Isochronous Channel 等

（二）蓝牙角色

在不同版本和不同模式中，蓝牙的角色有些混乱。一会是 Master/Slave, 一会又是 Central/Peripheral 。

在蓝牙5.2 之前，BR/EDR 控制器中一般称呼为 Master/Slave，BLE 控制器中一般称呼为 Central/Peripheral。

但是在蓝牙 5.3 中，它们统一称呼为 Central/Peripheral。

（1）经典蓝牙角色

经典蓝牙常见于：耳机、音箱、鼠标、键盘等

• 手机/电脑：一般做 Master（主设备），负责发起连接、控制时隙。
• 耳机/音箱/键盘/鼠标：一般做 Slave（从设备），等待手机/电脑来连。

（2）BLE 蓝牙角色

在BLE蓝牙控制器中，控制器的角色有好几个：Advertiser（广播者）、Scanner（扫描者）、Initiator（发起者）、Central（中心设备）、Peripheral（外设设备）

Advertiser（广播者）：在广播信道上周期性发送广告包，一般用于被发现、连接或广播数据。

Scanner（扫描者）：主动扫描广播信道，接收广告包。可以选择发出 Scan Request 获取更多信息。

Initiator（发起者）：接收广播后，主动发起连接请求的一方。一旦连接成功，就转变为 Central。

Central（中心设备）： 类似 Master，控制连接的时间和数据传输， 常见于手机、PC 等。

Peripheral（外设设备）：被 Central 连接的一方，常见于手环、传感器、耳机等。

BLE蓝牙 从“广播 → 扫描 → 建链”过程中，角色会逐步转化：

Advertiser → Peripheral 
Scanner/Initiator → Central

（3）其它层的角色

上面那说的 Central（原 Master） / Peripheral（原 Slave）是物理层 / 链路层 (Controller)  里的角色。

在蓝牙协议栈的不同层中，它们又有定义一些不同的角色

• Link Layer（底层链路角色）：Central / Peripheral → 确定“谁发起连接，谁维持时钟”
• Host 层协议（GATT/ATT/SM）角色：Client / Server → 确定“谁请求，谁提供数据”
• Profile 层（应用协议角色）：Source/Sink, Host/Device, Controller/Target → 确定“谁是功能提供方，谁是功能使用方”

它们之间不是一一对应的，而是逐层映射：

• 物理连接角色（Central/Peripheral） → 决定谁主导链路
• 协议角色（Client/Server） → 决定谁发起请求
• 应用角色（Source/Sink 等） → 决定谁产生/消费具体业务数据

（三）蓝牙地址

蓝牙中设备地址 Bluetooth Device Address 与 接入地址 Access Address 是两个完全不同的概念，但有时候它们容易被理解混乱。

（1）BD_ADDR 设备地址格式

每个蓝牙设备都有一个唯一的 48 位地址（6 字节），类似于以太网中的MAC 地址，用于标识设备身份。

主要应用于：设备发现与连接，访问控制（如连接白名单），通信加密中的密钥派生。

BD_ADDR 的整体格式为 ：蓝牙设备地址 = NAP + UAP + LAP

字段	名称	位数	说明
NAP	Non-significant Address Part	16 bits	地址的高 16 位，通常表示厂商编号（OUI），由 IEEE 分配给厂商
UAP	Upper Address Part	8 bits	地址的中间 8 位，通常用于形成 Access Code（访问码）时使用
LAP	Lower Address Part	24 bits	地址的低 24 位，由设备制造商分配给设备，用于唯一标识设备

（2）BD_ADDR 设备地址分类

BD_ADDR
├── Public Device Address （公共地址）
│     └── 来源：IEEE 注册的 EUI-48（厂家分配）
│     └── 作用：全局唯一，适用于 BR/EDR 或 BLE
│
└── Random Device Address （随机地址）
      ├── Static Random Address （静态随机地址）
      ├── Private Resolvable Address （RPA，可解析私有地址）
      └── Private Non-Resolvable Address （NRPA，不可解析私有地址）

Public Device Address（公共地址）:结构与普通以太网 MAC 地址完全一致，它由蓝牙设备制造商在出厂时烧录进控制器（Controller），在全世界范围内唯一。

传统蓝牙 BR/EDR（例如音箱、耳机等）几乎都使用 Public Address，设备在广播时直接使用 BD_ADDR 作为标识，可用于长期绑定（bonding）和身份识别。

Random Device Address（随机地址）：因为固定的 BD_ADDR 会暴露设备身份（例如 MAC 地址可被追踪），所以 BLE 支持使用随机地址。随机地址又分为三大类。

（A）Static Random Address（静态随机地址）：

在设备启动时随机生成，在一次启动周期内保持不变，通常用于无隐私要求但又不想使用公共地址的场景。比如：一些 BLE 外设（如手环、灯泡）在上电后广播自己的随机固定地址。

（B）Private Resolvable Address（RPA，可解析私有地址）:

周期性变化（例如每 15 分钟更新一次）,地址高2位为01；它的变化过程可被“已配对的设备”解析。比如：手机与手环已配对后，即使地址变化，仍能识别对方。

（C） Private Non-Resolvable Address（NRPA，不可解析私有地址）:

周期性变化,每次广播可能都不同，完全无法解析（无 IRK 参与），地址高2位为00；主要应用于一次性连接请求，或者是不需要被识别身份的设备广播（如匿名信标）。

（3） Access Address 地址

Access Address： 是蓝牙链路层中用于标识和同步数据包的一个 32-bit（4字节）地址。

它存在于所有蓝牙物理层（PHY）数据包的包头部分，作用类似于一个“信道标识符”，帮助接收方判断接收到的数据包属于哪个连接或广播。

蓝牙中根据通信类型不同，Access Address 有两种主要用途：广播信道（Advertising Channel） 和 数据信道（Data Channel）

（A）广播信道（Advertising Channel）

所有的广播信道都使用同一个固定的 Access Address：0x8E89BED6, 这个值在规范中是固定定义的，全球蓝牙设备统一使用

它应用于：广播包（Advertising Packet）或扫描包（Scan Request/Response）

（B）数据信道（Data Channel）

当两个设备成功建立连接（Connection）后，Link Layer 会为该连接生成一个唯一的 Access Address。因此在连接阶段的 Access Address 是专属于该连接的。

（四）蓝牙网络结构

蓝牙通信体系结构（主要是 BR/EDR 模式）中定义了两种典型拓扑结构：Piconet（微微网） 和 Scatternet（散射网）

（1） Piconet（微微网）

Piconet 是蓝牙设备之间通过一条共享的物理链路建立起来的 基本网络单元。

在一个 Piconet 中，最多允许 8 个活跃设备同时参与通信（1 个 Central + 最多 7 个 Peripheral）

所有设备共享同一个：

• 跳频序列（Frequency Hopping Sequence）
• 时钟参考（Clock Reference）
• 访问码 Access Code（由 Central 的 BD_ADDR 派生）

因此，一个 Piconet 的物理信道由 Central 的 BD_ADDR 和时钟共同定义。

蓝牙 BR/EDR 使用时分双工 (TDD)：每个时隙 625 μs；

Central 与 Peripheral 交替发送：

• 偶数时隙 → Central 发送；
• 奇数时隙 → Peripheral 响应；

这样实现双向通信的同步控制。

（2）Scatternet（散射网）

Scatternet 是由两个或多个 Piconet 通过共享设备互联 而成的更大网络结构。

也就是说，一个设备可以同时属于多个 Piconet，用于桥接通信。

在 Scatternet 中：某个设备可能在一个 Piconet 中充当 Central，在另一个中充当 Peripheral；

每个 Piconet 有自己独立的：时钟，跳频序列，访问码；

共享设备通过 时间分片（Time Sharing） 的方式在多个 Piconet 之间切换。

Scatternet 网络它更多是一个理论拓扑结构或过渡性历史概念，应用极少，主要存在于早期研究、学术实验和少数特种系统。

现代蓝牙体系基本以 BLE 多连接和 Mesh 网络取代了 Scatternet。

结尾

本章主要介绍了蓝牙的状态、角色、地址与网络结构，这些都是蓝牙链路层中的知识。下一章将继续介绍蓝牙链路层的数据安全、可靠性、数据组成与处理流程。

 

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