Danny Kim

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BLE (2) - BLE 프로토콜 스택

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2. BLE 프로토콜 스택

BLE 프로토콜 스택 (BLE protocol stack, BLE stack)은 BLE 디바이스의 구조를 보여주며, 이는 블루투스 표준 (Bluetooth Core Specification)에서 정의하고 있는 LE (Low Energy) 모드로 동작하는 디바이스가 갖춰야하는 기능들을 포함하고 있다.

The BLE protocol stack implements all the mandatory and optional features of LE mode compliant to Core Specification

BLE 스택은 크게 Host와 Controller로 구성되어 있고, 각 영역은 다양한 종류의 레이어 (layer) 혹은 프로파일 (profile)로 이루어져있다. BLE 디바이스는 각 레이어에서 특정 상태(state) 혹은 역할(role)을 가지고 동작하게 되며, BLE 시스템을 개발하기전 BLE 스택의 각 요소가 어떤 역할을 하는지를 이해하는 것은 필수이다.

Notice: 다음의 서술하는 내용에서는 혼돈을 방지하기 위해 영어로 표기된 고유 명사의 대부분을 원문 영단어 그대로 사용합니다. 또한, 필자가 이해하고 있는 방식으로 바탕으로 서술하고 있으므로 용어나 표현에 있어서 잘못 서술하는 내용이 있을 수 있습니다.

2.1 Physical layer (PHY)

PHY 는 RF 시스템 및 무선 전파(radio) 신호를 송수신하기 위한 하드웨어로 구성된다. BLE 디바이스는 2.4 GHz의 ISM 주파수 대역에서 동작하며, GFSK과 FHSS 방식으로 데이터를 송수신한다.

PHY 에서 BLE 시스템은 2.4 GHz 주파수 영역의 일부를 40개의 구간으로 나누어 신호를 주고 받으며, 각각의 영역을 채널이라고 부른다. 각 채널은 중심 주파수를 기준으로 2 MHz 의 대역폭을 가지며, 할당된 40개의 채널 중 37-39번 채널은 advertising 채널로 사용되고, 나머지 37개의 채널은 data 채널로 사용된다 (각 채널에 대해서는 차차 알게 될 것이다).

위 그림에서 확인할 수 있듯이 중심 주파수 크기와 채널 번호 순서는 서로 동일하지 않으며, 일부 BLE 시스템의 경우는 2.402~2.48 GHz 대역 대신에 2.4~2.4835 GHz 대역을 사용하기도 한다.

LL 는 PHY 와 직접적으로 상호작용하는 레이어이고, 하드웨어와 소프트웨어 사이에서 동작한다. 하드웨어와 연결되어 BLE 디바이스 간의 연결을 직접적으로 관리하는 레이어로 암호화 (encryption), 연결 상태 및 채널 업데이트 (connection or channer update) 등의 역할을 수행한다.

위 그림에서와 같이 BLE 디바이스는 LL 에서 다음 중 하나의 상태로 동작한다.

  • Standby
  • Advertising
  • Scanning
  • Initiating
  • Connected

두 개의 BLE 디바이스가 연결을 시도할 때, 각각의 디바이스는 LL 에서 다음의 그림과 같이 동작한다.

ble-link
출처: https://dev.ti.com/tirex/content/simplelink_cc2640r2_sdk_1_40_00_45/ docs/blestack/ble_user_guide/html/ble-stack-3.x/gap.html

먼저 BLE 연결을 시작하고자 하는 master 디바이스 (오른쪽)에서는 Scanning 동작을 수행한다. Scanning 이란, 단어 뜻 그대로 주변에 BLE 연결이 가능한 디바이스가 있는지 확인하는 과정이다. 다음으로 BLE 연결을 대기하는 slave 디바이스의 경우 (왼쪽) Advertising 이란 동작을 통해 해당 디바이스가 근처에 있다는 것을 주변에 알린다. 이후, master 디바이스에서 Scanning 한 디바이스 중 하나에 연결을 시도할 경우, 해당 디바이스는 LL 에서 연결을 준비하는 initiating 상태에 진입하게 되고, 무선 연결에 성공하고나면 master와 slave 디바이스는 모두 Connected 상태에 놓이게 된다.

이러한 BLE 연결 과정은 이후 설명할 GAP 에 의해 관리된다.

2.3 HCI, L2CAP, SM

2.3.1 HCI

HCI (Host-Controller Interface)는 Host와 Controller가 분리되어 있는 경우 두 모듈 사이의 상호작용을 담당하는 레이어이다. 앞으로 소개할 Nordic Semiconductor 사의 BLE 프로세서를 비롯해, 대부분의 BLE 디바이스는 Host와 Controller가 단일 칩으로 구성되어있다.

2.3.2 L2CAP

L2CAP 는 Logical Link Control and Adaptaion Protocol의 약자로, 상위 레이어 (GATT/GAP)와 하위 레이어 사이의 상호작용을 담당한다. LL 에서 만들어진 BLE 패킷 (Packet)에 실제 어플리케이션 단에서 사용되는 데이터를 포함시키거나 추출하는 역할 등을 수행한다.

ble-l2cap
출처: https://dev.ti.com/tirex/content/simplelink_cc26x2_sdk_1_60_00_43/ docs/ble5stack/ble_user_guide/html/ble-stack-5.x/l2cap.html

2.3.3 SM

Security Manager 는 자주 연결하는 디바이스 (peer) 사이의 보안 코드 (key)를 관리하고 배포하는 역할을 수행한다.

2.4 Attribute Protocol (ATT)

ATT 는 서버 (server)와 클라이언트 (client) 사이의 데이터 교환에 대한 규칙으로, 무선으로 연결된 BLE 디바이스 사이의 데이터 교환은 ATT 에 의해 이뤄진다. 이때, 연결된 디바이스 중 센서의 값이나 스위치의 상태, 위치에 대한 정보 등을 가지고 있는 디바이스를 GATT server 라고 부르고, 해당 정보를 요청하는 디바이스를 GATT client 라고 부른다.

또한, GATT는 Generic Attribute Profile 의 약자로 ATT 를 기반으로 주고받는 데이터의 구조를 정의한다. ATT 와 GATT 에 대해서는 다음 포스트에서 보다 구체적으로 다룰 예정이다.

2.5 Generic Access Profile (GAP)

GAP 는 연결 및 advertising 동작을 관리하는 최상위 레이어로 각 디바이스의 LL 상태를 결정하고, 서로 다른 BLE 디바이스 사이의 상호작용을 관리하는 모듈이다. BLE 디바이스는 GAP 에 대해 다음 중 하나의 역할 (role) 로 동작한다.

  • Broadcaster
  • Observer
  • Peripheral
  • Central

먼저, Peripheral (주변기기)로 동작하는 디바이스는 LL 에서 Advertising 상태를 유지하고 있으며, 다른 디바이스로부터의 연결 요청을 기다린다. 앞서 언급했듯이 Advertising 이란, 주변의 BLE 디바이스에 자신의 정보를 알리는 동작이고, 일반적으로 이 과정에서는 해당 디바이스의 이름과 간단한 정보만을 송신한다. 예를 들어, 아래의 그림과 같이 스마트폰에서 무선 이어폰과 연결하기 위해 근처 블루투스 기기를 찾고(Scanning) 있다고 가정해보자. 이때 본인의 이어폰 (e.g. AirPods)을 포함한 다수의 블루투스 기기의 이름이 보일텐데, 이 때 감지되는 디바이스들은 모두 Advertising 상태에 있는 Periphal 디바이스라고 할 수 있다.

iphone-airpod
출처: https://www.semiconductorstore.com/blog/2017/Bluetooth-5-versus-Bluetooth-4-2-whats-the-difference/2080

위 예시에서의 스마트폰과 같이 Peripheral 디바이스를 Scanning 하고, 그 중 하나의 디바이스와 연결까지 가능한 디바이스는 GAP 에서 Central (중앙장치)로서 동작하는 디바이스이다.

BLE 연결은 Central과 Peripheral 디바이스 사이에서 이뤄지고, Central 디바이스에 의해 시작된다.

반면에 Peripheral 디바이스가 연결 과정 없이 Advertising 동작만을 수행하는 경우, 이러한 디바이스를 Broadcaster라고 한다. 기회가 되면 설명하겠지만, Broadcaster로 동작하는 디바이스는 Central 디바이스에서도 연결할 수 없으며, Advertising 데이터에 자신 이름 이외에도 실질적인 데이터를 실어서 전송한다.

일반적으로 이러한 장치를 비콘 (Beacon)이라고 부른다.

또한, Central 디바이스가 연결 과정 없이 Scanning 동작만을 수행하는 경우 해당 디바이스를 Observer라고 부르며, Observer 의 경우 일반적으로 Advertising 패킷 내의 데이터를 타겟으로 하므로 Beacon 신호를 수신하고자 할 때 사용한다.

Reference

https://dev.ti.com/tirex/content/simplelink_cc2640r2_sdk_1_40_00_45/docs/ blestack/ble_user_guide/html/ble-stack-3.x/gap.html

https://dev.ti.com/tirex/content/simplelink_cc26x2_sdk_1_60_00_43/docs/ ble5stack/ble_user_guide/html/ble-stack-5.x/l2cap.html

https://www.semiconductorstore.com/blog/2017/Bluetooth-5-versus-Bluetooth-4-2-whats-the-difference/2080

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