Bluetooth Low Energyのデータパケット



このトピックでは、EchoデバイスとガジェットがBluetooth Low Energy（BLE）経由のデータ交換に使用するパケットの形式について説明します。

Bluetoothに関連するAlexa Gadgets Toolkitの問題については、既知の問題ページを参照してください。

• 概念
  • ストリーム
  • トランザクション
• パケットの形式
  • 確認（ACK）パケット
• ヘッダー
• ペイロードの種類
  • 制御ストリームのペイロード
    • エンベロープ
    • 応答
    • 制御ストリーム固有のペイロード
  • Alexaストリームのペイロード
• ACKパケットの詳細
• 結果コード
• パケットシーケンスの例
  • MTUが小さい場合の例
  • MTUが大きい場合の例
  • パケット長を拡張した場合の例

概念

EchoデバイスとガジェットがBLE経由で交換するパケットについて理解するには、ストリームとトランザクションの概念について学んでおく必要があります。

ストリーム

ストリームは、パケットをさまざまな種類に分割する方法です。ガジェットでは、次のストリームをサポートする必要があります。

• 制御ストリーム – Echoデバイスとガジェットはこのストリームによって通信できるようになります。これらのパケットのペイロードは、ガジェットのコンフィギュレーションを管理したり、最初のハンドシェイク時にデバイス情報を交換したりします。
• Alexaストリーム – Echoデバイスとガジェットはこのストリームを使って、すべてのAlexa Gadgets Toolkitインターフェースのディレクティブとイベントを送信します。
• OTA（無線）ストリーム – EchoデバイスとガジェットはOTAアップデートプロセスでこのストリームを使い、ガジェットファームウェアをアップデートします。

どの時点においても、存在するのは1つの制御ストリーム、1つのAlexaストリーム、1つのOTAストリーム（該当する場合）だけです。各パケットはこれらのストリームのいずれかに属します。どのストリームに属するかは、パケットヘッダーのストリームIDフィールドで指定します。ストリームIDにより、受信側（ガジェットまたはEchoデバイス）はパケットのペイロードを解釈できます。

トランザクション

トランザクションは、処理対象データの論理チャンクです。トランザクションは、MTUサイズに応じて、1つまたは複数のデータパケットで構成されます。トランザクションの種類（各パケットヘッダーのオフセット12）により、パケットがトランザクションの最初なのか、最後なのか、中間なのかを指定します。トランザクションIDとストリームIDの組み合わせにより、メッセージを一意に識別できます。

パケットの形式

パケットはバイナリーで、各フィールドはビッグエンディアンで格納されます。各パケットは、ヘッダーとペイロードで構成されます。ヘッダーにはストリームID、トランザクションIDなどが含まれます。ペイロードの形式はストリームの種類（制御ストリームかAlexaストリームか）によって異なります。

確認（ACK）パケット

Echoデバイスがリクエストした場合、ガジェットはトランザクションの最終パケットへの応答として、Echo deviceにACKパケットを送信する必要があります。ACKパケットの全体的な構成はほかのパケットと同じですが、一部のフィールドにはACKパケットの詳細に記載した値をセットする必要があります。

ガジェットがトランザクションでACKが必要かどうかを判断するには、トランザクションの最終パケットのヘッダーで、ACKフラグ（オフセット14）を確認する必要があります。トランザクションの最終パケットかどうかは、パケットのトランザクションの種類（オフセット12）で判断できます。複数パケットの場合は10、単一パケットの場合は00です。

ACKパケットは、確認しているトランザクションと同じストリームIDとトランザクションIDを使用する必要があります。制御ストリーム、Alexaストリームはいずれも、ACKパケットをサポートします。現時点では、EchoデバイスからガジェットにACKパケットを送信するようリクエストすることはできますが、その逆はできません。

ヘッダー

各パケットにはヘッダーがあります。パケットヘッダーのサイズは、次の2つの要因によって変わります。

• トランザクション内でのパケットの位置 – トランザクションの最初のパケットは、ヘッダーに追加の24ビット（予約されたフィールドとトランザクション長のフィールド）を含みます。
• ペイロード長のフィールド拡張 – ヘッダーのペイロード長フィールドは、拡張なし（8ビット）、拡張あり（16ビット）のいずれかになります。1ビットのパケット長拡張フィールドは、ペイロード長が拡張されているかどうかを示します。

以下は、ペイロード長フィールドを拡張しない場合とした場合のヘッダーを図式化したものです。図のとおり、一部のフィールドはトランザクションの最初のパケットにのみ存在します。MTUや総トランザクション長の異なるAlexa.Discovery.Discoverディレクティブヘッダーの例については、パケットシーケンスの例を参照してください。

ヘッダー（ペイロード長フィールドの拡張なし）

ヘッダー（ペイロード長フィールドの拡張あり）

ヘッダーのフィールドは次のとおりです。

ペイロードの種類

各ペイロードは、proto3の構文を使ったプロトコルバッファー形式です。ペイロードの種類は、ストリームの種類によって次の2つのいずれかになります。

• 制御ストリームのペイロード
• Alexaストリームのペイロード

制御ストリームのペイロード

制御ストリームによって、Echoデバイスとガジェットの通信が可能になります。各制御ストリームのメッセージは、ペイロードを含むエンベロープで構成されます。

エンベロープ

制御ストリームペイロードのエンベロープ（プロトコルバッファー形式）は、次のようになります。

message ControlEnvelope {
    Command command = 1;
 
    oneof payload {
        // 応答
        Response response = 9;
 
        // メッセージ
        // ...
    }
}

enum Command {
    NONE = 0;
    GET_DEVICE_INFORMATION = 20;
    GET_DEVICE_FEATURES = 28;
    UPDATE_COMPONENT_SEGMENT = 94;
    APPLY_FIRMWARE = 95;
}

応答

ガジェットがEchoデバイスからサポート対象の制御ストリームメッセージを受信すると、ガジェットは応答として制御ストリームメッセージを送信する必要があります。応答メッセージのペイロードは、そのメッセージに関連するコマンドによって異なります。ガジェットが理解できない制御ストリームを受信した場合、UNSUPPORTEDの結果コードで応答してください。

message Response {
    ErrorCode error_code = 1;
 
    oneof payload {
        // 任意のデータ
    }
}

enum ErrorCode {
    SUCCESS = 0;
    UNKNOWN = 1;    
    UNSUPPORTED = 3;
}

制御ストリーム固有のペイロード

ガジェットとEchoデバイスが交換する制御ストリームパケットは、以下のいずれかのペイロードを持ちます。

DeviceInformationコマンド（コマンドID 20）

ハンドシェイク中にデバイス情報をガジェットに照会するには、Echoデバイスがコマンドに20（GET_DEVICE_INFORMATION）をセットしてガジェットに制御エンベロープを送信します。このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

DeviceInformation応答

ハンドシェイク中にEchoデバイスからデバイス情報を照会されると、ガジェットはデバイス情報を含むペイロードを持つ制御エンベロープのパケットで応答する必要があります。

このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

message DeviceInformation {
    string serial_number = 1;
    string name = 2;
    repeated Transport supported_transports = 3;
    string device_type = 4;
}

enum Transport {
   BLUETOOTH_LOW_ENERGY = 0;
}

DeviceFeaturesコマンド（コマンドID 28）

ハンドシェイク中にデバイスの機能をガジェットに照会するには、Echoデバイスがコマンドに28（GET_DEVICE_FEATURES）をセットしてガジェットに制御エンベロープを送信します。このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

DeviceFeatures応答

Echoデバイスからガジェットのデバイス機能を照会したとき、ガジェットはサポートする機能を記載したパケットで応答する必要があります。このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

message DeviceFeatures {
 uint64 features = 1;
 uint64 device_attributes = 2;
}

UpdateComponentSegmentコマンド（コマンドID 94）

AlexaサービスがガジェットにOTAアップデートが必要と判断した場合、EchoデバイスはガジェットにUpdateComponentSegmentメッセージを送信します。このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

message UpdateComponentSegment {
    string component_name = 1; 
    uint32 component_offset = 2; 
    uint32 segment_size = 3; 
    string segment_signature = 4; 
}

UpdateComponentSegment応答

ファームウェアイメージ全体を受信したら、ガジェットはコマンドIDに94を指定し、ペイロードなしのUpdateComponentSegmentコマンドで応答する必要があります。

ApplyFirmwareコマンド（コマンドID 95）

OTAアップデート中、EchoデバイスはガジェットにApplyFirmwareメッセージを送信し、ガジェットに新しいファームウェアを使うよう指示します。このパケットの例については、Bluetooth Low Energyハンドシェイクのサンプルコードを参照してください。

message ApplyFirmware {
    FirmwareInformation firmware_information = 1;
    bool restart_required = 2;
}
message FirmwareInformation {
    uint32 version = 1;
    string name = 2;
    repeated FirmwareComponent components = 3; 
    string locale = 4; 
    string version_name = 5; 
}

message FirmwareComponent {
    uint32 version = 1;
    string name = 2;
    uint32 size = 3; 
    string signature = 4; 
}

ApplyFirmware応答

ApplyFirmwareコマンドを受信した直後、ガジェットはコマンドIDに95を指定し、ペイロードなしのメッセージで応答する必要があります。

Alexaストリームのペイロード

Alexaストリームのペイロード形式については、Alexa Gadgetのプロトコルバッファー形式を参照してください。

ACKパケットの詳細

トランザクションの最終パケットのヘッダーにACKフラグ（オフセット14）がセットされている場合、ガジェットはACKパケットで応答する必要があります。トランザクションの最終パケットかどうかは、パケットのトランザクションの種類（オフセット12）で判断できます。複数パケットの場合は10、単一パケットの場合は00です。

ACKパケットの全体的なパケット構造はほかのパケットと同じですが、フィールドの値には次のような制限があります。

結果コード

一部のメッセージではペイロードに結果コードが含まれます。結果コードはほとんどの場合応答メッセージで使用されます。特に明記されない限り、ガジェットとEchoデバイスでは、「成功」か「成功でない」結果のみを区別します。通常、具体的なエラーメッセージに機能的な違いはありませんが、結果コードはデバッグに役立つ場合があります。

一部のメッセージでは、「成功」以外のすべての結果コードが切断の理由となります。これらのメッセージに成功応答がなければ、ガジェットのコア機能が保証できないからです。以下のメッセージがエラー応答を受け取った場合、接続は切断されます。

• GetDeviceInformation
• GetDeviceFeatures

次の表は、メッセージへの応答に使用可能なすべての結果コードの一覧です。

パケットシーケンスの例

以下の図は、MTUや総トランザクション長の異なるAlexa.Discovery.Discoverディレクティブのパケットシーケンスの例です。ペイロード長の拡張を使用した例も1つ紹介しています。

MTUが小さい場合の例

次の例では、MTUが23バイト、総トランザクション長が35バイトです。

MTUが大きい場合の例

次の例では、MTUが247バイト、総トランザクション長が490バイトです。

パケット長を拡張した場合の例

次の例では、MTUが247バイト、総トランザクション長が490バイトで、最初のパケットでペイロードが16ビットであることを示すペイロード長の拡張を使用しています。