Linux 蓝牙音频软件栈实现分析

蓝牙协议栈简介

蓝牙协议栈是实现蓝牙通信功能的软件架构，它由多个层次组成，每一层负责特定的功能。蓝牙协议栈的设计遵循蓝牙标准 (由蓝牙技术联盟，Bluetooth SIG 定义），支持多种蓝牙配置文件 (Profiles），以满足不同的应用场景 (如音频传输、文件传输、健康设备、键盘鼠标这样的输入输出设备等）。

蓝牙各个应用场景的实现，如音频传输、文件传输和键盘鼠标这样的输入设备，与系统中常规的这些功能的实现大为不同。如对于音频播放和录制，通过 USB 连接的音频设备，或通过 audio codec 实现的音频播放和录制，在 Linux 中，基于 ALSA 框架实现，内核通过导出设备文件向用户空间暴露相应的硬件能力。USB 键盘鼠标，在 Linux 中，基于输入设备框架实现，内核同样通过导出设备文件向用户空间暴露相应的硬件能力。

可与蓝牙协议栈类比的不是系统中常规的各个功能的实现，而是 TCP/IP 网络协议栈。在实现上，与 TCP/IP 网络协议栈类似，蓝牙协议栈不同功能的各个协议层次实现分布于硬件、Linux 操作系统内核、BlueZ 这样的蓝牙系统服务和 PulseAudio 这样系统服务中。

Bluetooth SIG 官方的蓝牙核心规范 (蓝牙核心规范 6.0) 给出的蓝牙核心系统架构如下图所示：

蓝牙协议栈的分层结构如下图所示：

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|                   Application Layer                                                        |
|  (Profiles: A2DP, HFP, HSP, AVRCP, HAP, BAP, ACS, ACAS, GAP, GATT, FTP, OPP, etc.)         |
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|                   Middleware Layer                                                         |
|  (Protocols: AVDTP, AVCTP, SDP, ATT, RFCOMM, OBEX, TCS, BNEP, etc.)    |
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|                   Host Controller Interface (HCI)                                          |
|  (Protocols: HCI Commands, Events, and Data)                                               |
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|                   Logical Link Control and                                                 |
|                   Adaptation Protocol (L2CAP)                                              |
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|                   Baseband Layer                                                           |
|  (Protocols: Link Manager Protocol (LMP), SCO, eSCO, ACL, ISOC, etc.)                            |
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|                   Radio Layer                                                              |
|  (Physical Layer: Bluetooth Radio)                                                         |
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蓝牙协议栈各层次简单说明如下：

• 应用层：实现具体的蓝牙应用功能 (如音频传输、文件传输）。通过蓝牙配置文件 (Profiles) 定义设备的行为。常见的应用层协议/配置文件有 A2DP (Advanced Audio Distribution Profile，高质量音频传输)，HFP (Hands-Free Profile，免提通话），HSP (Headset Profile，耳机通话），AVRCP (Audio/Video Remote Control Profile，远程控制音频/视频设备），HAP (Hearing Aid Profile，用于助听器设备)，BAP (Bluetooth Audio Profile，用于通用音频设备)，ACS (Audio Control Service，提供音频控制功能（如音量调节、播放控制），基于 GATT/ATT 实现，通过暴露特性（Characteristics）供应用程序使用)，ACAS (Audio Stream Control Service，提供音频流管理功能（如流的创建、配置、删除），基于 GATT/ATT 实现，与 Isochronous Channels（ISOC） 协作，实现低延迟音频流传输)，GATT (Generic Attribute Profile，定义基于 ATT 的服务和特性，用于数据传输，提供逻辑信道管理，支持客户端-服务器模型)，GAP (Generic Access Profile，定义设备角色 (如广播者、观察者、中心设备、外围设备) 和连接流程，负责设备发现、连接建立和安全控制)，FTP (File Transfer Profile，文件传输），OPP (Object Push Profile，对象推送 (如联系人、图片）），PAN (Personal Area Network Profile，个人局域网），HID (Human Interface Device Profile，人机接口设备 (如键盘、鼠标) 等。

• 中间件层：提供高层协议和服务，支持应用层的功能实现。常见的中间件层协议有，SDP (Service Discovery Protocol，服务发现协议，用于查找设备支持的服务），RFCOMM (Radio Frequency Communication，串口仿真协议，用于模拟 RS-232 串口通信），OBEX (Object Exchange Protocol，对象交换协议，用于文件传输和数据同步），TCS (Telephony Control Protocol Specification，电话控制协议，用于语音通话），BNEP (Bluetooth Network Encapsulation Protocol，网络封装协议，用于蓝牙网络共享），AVDTP (Audio/Video Distribution Transport Protocol，音频/视频传输协议，负责音频流的传输和控制，它定义了音频流的建立、配置、启动、暂停和停止等操作），AVCTP (Audio/Video Remote Control Profile，音频/视频远程控制协议，蓝牙协议栈中的控制传输协议，负责音频/视频控制命令的传输，它定义了控制命令的封装和传输机制），ATT (Attribute Protocol，用于在 BLE 设备之间传输属性数据，提供基于客户端-服务器的数据访问机制) 等。

• HCI 层：提供主机和蓝牙控制器之间的通信接口。负责传输命令、事件和数据。

• L2CAP 层：提供多路复用、分段和重组功能，支持上层协议的数据传输。管理逻辑链路，提供可靠的数据传输服务。

• 基带层：管理物理链路，处理蓝牙设备的连接和通信。负责频率跳变、数据包格式化和错误检测。常见的基带层协议有 LMP (Link Manager Protocol，链路管理协议，负责设备之间的连接建立和维护），SCO (Synchronous Connection-Oriented link，同步面向连接链路，用于语音传输），ACL (Asynchronous Connectionless link，异步无连接链路，用于数据传输），ISOC (Isochronous Channels，提供同步数据传输通道，支持低延迟的音频流传输）。

• 射频层：负责蓝牙无线电信号的发送和接收。处理频率跳变、调制和解调。使用蓝牙无线电协议，主要工作在 2.4 GHz ISM 频段。

蓝牙协议栈相对于 TCP/IP 网络协议栈，其各层之间并不是那么的各自独立，而是紧密关联的。蓝牙协议栈中与音频相关的有 4 个用于不同场景的子协议栈，它们分别是用于传输高质量音频流的 A2DP，包括 A2DP -> AVDTP -> L2CAP -> ACL；用于通过蓝牙远程控制音频/视频设备的 AVRCP，包括 AVRCP -> AVCTP -> L2CAP -> ACL，A2DP 和 AVRCP 常协作实现蓝牙音频；用于语音通话的 HFP/HSP，包括 HFP/HSP -> SCO/eSCO；用于低功耗蓝牙的 HAP/BAP，包括 HAP/BAP -> ACS/ACAS -> GATT -> ATT -> GAP -> ISOC。 除 HAP/BAP 协议栈外，其它的都是经典蓝牙的协议栈。

类比于 TCP/IP 网络协议栈中的 RTP/RTCP 协议，A2DP/AVDTP 协议类似于 RTP 协议，AVRCP/AVCTP 协议类似于 RTCP 协议，L2CAP/ACL 协议类似于 UDP 协议，只是它们是可靠传输协议。

在实现上，HCI 及更下层的协议无疑由 Linux 内核或硬件实现。应用层和中间件层协议的实现则常随着时间的流逝而变化。低功耗蓝牙是比较新的蓝牙标准，对低功耗蓝牙的支持是从 BlueZ 5.55 版本开始逐步添加的。对于 Linux 内核，则是从 Linux 5.13 版本开始，逐步支持 Isochronous Channels。

在早期的 BlueZ 版本中，PulseAudio 这样的音频服务需要将音频流数据通过 Unix Domain Socket 发送给 BlueZ，再由 BlueZ 通过 A2DP 协议发送给蓝牙硬件设备。从 BlueZ 5.0 开始，BlueZ 的音频功能（如 A2DP）逐渐被移出 BlueZ 核心代码库，转而由 PipeWire 或 PulseAudio 这样的系统音频服务器直接处理音频流的传输。BlueZ 不再直接处理音频流数据，而是通过 D-Bus 接口 与音频后端（如 PipeWire 或 PulseAudio）交互。AVDTP 的实现由音频后端负责，BlueZ 仅提供蓝牙协议栈的核心功能（如设备管理、连接管理）。音频后端负责音频流的编码、解码和传输。音频后端直接与蓝牙硬件交互，处理音频流数据。

蓝牙控制器探测

BlueZ 是 Linux 官方蓝牙协议栈，提供对蓝牙无线通信标准的全面支持。核心协议方面，它支持 L2CAP（逻辑链路控制与适配协议），RFCOMM（串口仿真协议），SDP（服务发现协议），HCI（主机控制器接口）。配置文件方面，它支持 A2DP（高级音频分发），AVRCP（音视频远程控制），HFP（免提协议），HID（人机接口设备），PAN（个人局域网）。硬件设备类型方面，它支持音频设备，如蓝牙耳机、音箱；输入设备，如键盘、鼠标；网络连接，如蓝牙 PAN；物联网，如智能家居设备。它还提供一系列与蓝牙设备管理控制有关的工具程序，如 bluetoothd，蓝牙守护进程，管理设备和服务；bluetoothctl，命令行工具，用于设备配对、连接等操作；hcitool，配置蓝牙适配器及查询设备信息；sdptool，浏览和发布 SDP 服务记录。

BlueZ 整个项目的代码丰富而复杂，这里主要关注与蓝牙音频有关的逻辑。

BlueZ 系统服务 bluetoothd 启动时，执行 adapter_init() 函数初始化蓝牙适配器，这个调用过程如下：

#0  adapter_init () at src/adapter.c:10337
#1  0x0000aaaaaaac3398 in main (argc=<optimized out>, argv=<optimized out>) at src/main.c:1216

adapter_init() 函数定义 (位于 src/adapter.c) 如下：

int adapter_init(void)
{dbus_conn = btd_get_dbus_connection();mgmt_primary = mgmt_new_default();if (!mgmt_primary) {error("Failed to access management interface");return -EIO;}if (getenv("MGMT_DEBUG"))mgmt_set_debug(mgmt_primary, mgmt_debug, "mgmt: ", NULL);DBG("sending read version command");if (mgmt_send(mgmt_primary, MGMT_OP_READ_VERSION,MGMT_INDEX_NONE, 0, NULL,read_version_complete, NULL, NULL) > 0)return 0;error("Failed to read management version information");return -EIO;
}

adapter_init() 函数访问一下 DBus 连接，调用 mgmt_new_default() 函数创建并初始化 struct mgmt 对象，设置 struct mgmt 的调试配置，并调用 mgmt_send() 函数向 struct mgmt 发送一个读取版本号的请求。

mgmt_new_default() 函数定义 (位于 src/shared/mgmt.c) 如下：

struct mgmt {int ref_count;int fd;bool close_on_unref;struct io *io;bool writer_active;struct queue *request_queue;struct queue *reply_queue;struct queue *pending_list;struct queue *notify_list;unsigned int next_request_id;unsigned int next_notify_id;bool need_notify_cleanup;bool in_notify;void *buf;uint16_t len;uint16_t mtu;mgmt_debug_func_t debug_callback;mgmt_destroy_func_t debug_destroy;void *debug_data;
};. . . . . .
static void mgmt_set_mtu(struct mgmt *mgmt)
{socklen_t len = 0;/* Check if kernel support BT_SNDMTU to read the current MTU set */if (getsockopt(mgmt->fd, SOL_BLUETOOTH, BT_SNDMTU, &mgmt->mtu,&len) < 0) {/* If BT_SNDMTU is not supported then MTU cannot be changed and* MTU is fixed to HCI_MAX_ACL_SIZE.*/mgmt->mtu = HCI_MAX_ACL_SIZE;return;}if (mgmt->mtu < UINT16_MAX) {uint16_t mtu = UINT16_MAX;/* Try increasing the MTU since some commands may go* over HCI_MAX_ACL_SIZE (1024)*/if (!setsockopt(mgmt->fd, SOL_BLUETOOTH, BT_SNDMTU, &mtu,sizeof(mtu)))mgmt->mtu = mtu;}
}struct mgmt *mgmt_new(int fd)
{struct mgmt *mgmt;if (fd < 0)return NULL;mgmt = new0(struct mgmt, 1);mgmt->fd = fd;mgmt->close_on_unref = false;mgmt->len = 512;mgmt->buf = malloc(mgmt->len);if (!mgmt->buf) {free(mgmt);return NULL;}mgmt->io = io_new(fd);if (!mgmt->io) {free(mgmt->buf);free(mgmt);return NULL;}mgmt->request_queue = queue_new();mgmt->reply_queue = queue_new();mgmt->pending_list = queue_new();mgmt->notify_list = queue_new();if (!io_set_read_handler(mgmt->io, can_read_data, mgmt, NULL)) {queue_destroy(mgmt->notify_list, NULL);queue_destroy(mgmt->pending_list, NULL);queue_destr