Linux内核蓝牙驱动L2CAP层工程实践与调试 - 第2节

2.1 BlueZ 架构概览

BlueZ 是 Linux 内核官方蓝牙协议栈，自 Linux 2.4.6 起被纳入主线。它采用分层设计，将蓝牙协议栈划分为内核空间与用户空间两部分。内核空间负责时间敏感、与硬件紧密相关的底层协议；用户空间则承载高层协议、配置管理和应用接口。

2.1.1 整体分层结构

2.1.2 模块职责划分

2.2 内核蓝牙核心层 (bluetooth.ko)

bluetooth.ko 是所有蓝牙协议栈内核模块的依赖基础。它不直接与硬件通信，而是提供协议注册、套接字抽象、设备生命周期管理三大基础设施。

2.2.1 核心层关键数据结构

• struct bt_sock： 蓝牙套接字的通用表示，内嵌 struct sock，包含协议类型、信道指针、安全等级等字段。
• struct hci_dev： 蓝牙控制器的内核抽象，包含设备状态、命令队列、ACL/SCO 数据队列、传输层回调函数指针。
• struct l2cap_chan： L2CAP 信道的核心结构体，包含状态、SCID/DCID、MTU、分段重组缓冲区、QoS 参数。

// 核心层套接字创建流程 (简化)
static int bt_sock_create(struct net *net, struct socket *sock, int proto, int kern)
{
    struct bt_sock *sk;
    struct sock *sk_sock;

    // 1. 分配蓝牙套接字结构
    sk = bt_sk(sock_alloc(net, AF_BLUETOOTH, GFP_KERNEL));
    if (!sk)
        return -ENOMEM;

    // 2. 根据协议类型初始化 (L2CAP/RFCOMM/SCO)
    switch (proto) {
    case BTPROTO_L2CAP:
        sk_sock = l2cap_sock_alloc(net, sk, proto, GFP_KERNEL);
        break;
    case BTPROTO_RFCOMM:
        // ...
    }

    // 3. 绑定协议操作表
    sock->ops = &bt_sock_ops;
    return 0;
}

2.3 HCI 层 (hci_uart / hci_usb)

HCI 层是内核蓝牙协议栈与蓝牙控制器之间的桥梁。它分为 HCI 核心层和 HCI 传输层两部分。核心层处理协议逻辑，传输层处理物理介质差异。

2.3.1 HCI 传输层对比

2.3.2 HCI 数据流路径

2.4 L2CAP 层 (l2cap_core.c)

L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) 是蓝牙协议栈中承上启下的关键层。它位于 HCI 之上，为上层协议（RFCOMM、BNEP、ATT、AVDTP）提供逻辑信道抽象。

2.4.1 L2CAP 核心功能

• 协议多路复用： 通过信道标识符 (CID) 区分同一 ACL 链路上的不同上层协议。
• 分段与重组 (SAR)： 将上层大包分割为 HCI ACL 数据包发送，接收端重组还原。
• MTU 协商： 连接建立时交换双方 MTU，避免数据包超限。
• 流控与重传： 增强型 L2CAP 支持 ERTM 模式，提供选择性重传和丢包检测。

2.4.2 L2CAP 信道状态机

2.4.3 L2CAP 数据包结构

// L2CAP 基本帧头 (Basic L2CAP Header)
struct l2cap_hdr {
    __le16     len;        // 数据域长度 (不包括帧头本身)
    __le16     cid;        // 信道标识符 (Channel ID)
} __packed;

// L2CAP 面向连接信道帧 (B-Frame)
struct l2cap_conn_req {
    __le16     psm;        // 协议服务多路复用器
    __le16     scid;       // 源信道标识符
} __packed;

// L2CAP 配置请求帧
struct l2cap_conf_req {
    __le16     dcid;       // 目的信道标识符
    __le16     flags;      // 标志位
    __u8       data[];     // 配置选项 (MTU, Flush Timeout, QoS 等)
} __packed;

2.5 模块间数据流

理解数据流是调试 L2CAP 问题的基础。以下以一次典型的 L2CAP 数据发送为例，展示数据在各模块间的传递路径。

2.5.1 发送数据流 (上层 → 控制器)

1. 上层协议调用： RFCOMM/BNEP 通过 l2cap_chan_send() 将数据提交给 L2CAP 层。
2. L2CAP 分段： l2cap_segment() 根据 MTU 将 SDU 分割为多个 PDU，每个 PDU 添加 L2CAP 帧头。
3. HCI 封装： l2cap_send_frame() 调用 hci_send_acl()，将 PDU 封装为 HCI ACL 数据包。
4. 传输层发送： HCI 核心层将 ACL 数据包放入传输队列，由 hci_uart_send_frame() 或 hci_usb_send_frame() 发送到控制器。

2.5.2 接收数据流 (控制器 → 上层)

1. 传输层接收： 控制器通过 UART/USB 中断上报 HCI ACL 数据包。
2. HCI 核心分发： hci_acldata_packet() 根据连接句柄找到对应的 HCI 连接，将数据提交给 L2CAP 层。
3. L2CAP 重组： l2cap_recv_frame() 根据 CID 找到信道，将分片数据重组为完整的 SDU。
4. 上层交付： 重组完成后，通过 chan->ops->recv() 回调将数据交付给上层协议。

2.6 本章小结